[发明专利]自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器

说明书

本发明提供了一种自平衡非隔离型模块化多电平DC‑DC变换器，其由相互连接的功率主回路和功率平衡回路构成；功率平衡回路由多个空气芯电感和二极管组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤波电感、输出缓冲电感及多个子模块串联链依次串联构成，当子模块处于切除状态时，子模块的母线电容通过功率平衡回路和相邻子模块的母线电容进行能量传递。本发明避免贯穿变换器桥臂的交流电流，降低开关损耗，减小直流侧滤波电感。

技术领域

本发明涉及新能源的直流汇聚与传输技术，具体地，涉及一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC(直流-直流)变换器。

背景技术

随着能源危机与环境保护问题日益突出，开发和利用清洁可再生能源越来越重要。海上风电具有巨大的潜力。研究大规模海上风电的高效、可靠汇集与传输具有重要意义。以其损耗低、无需无功补偿设备等优势，高压直流输电在大规模新能源远距离传输中得到广泛应用。将直流概念进一步延伸到风场内网，采用中压直流汇聚方案，用功率密度更高的DC-DC变换器取代笨重的交流工频变压器，可以节省不必要的功率变换过程以及海上平台建设成本，同时提高系统可靠性和灵活性。

DC-DC变换器是中压汇聚网中匹配电压等级、接入直流设备、实现功率控制的关键设备。因开关耐压限制，常规用于开关电源领域的两电平DC-DC无法用于中压直流电网。若采用隔离型拓扑，兆瓦级大功率中频变压器设计成为瓶颈，需要在功率密度和效率间取舍。采用非隔离型模块化多电平(MMC，modular multilevel converter)DC-DC变换器既能克服上述缺点又能满足直流电网的功率控制能力要求。目前常用的非隔离型模块化多电平DC-DC变换器采用常规半桥子模块串联构建上下桥臂结构，为实现子模块之间以及上下桥臂间功率平衡，需要在桥臂间注入环流导致有较大的交流电路流过子模块的电容和开关，增加了开关应力和开关损耗。同时该交流流经直流侧形成较大纹波，需要装设电感量和体积巨大的滤波电感，降低了变换器的功率密度。应用于大变比的场合时，上述环流现象尤为显著。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其在子模块间以及上下桥臂间构建功率传输回路，避免桥臂内交流电流增加，降低开关损耗，减小直流侧滤波电感。

根据本发明的一个方面，提供一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其特征在于，所述自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器由相互连接的功率主回路和功率平衡回路构成；功率平衡回路由多个空气芯电感和二极管组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤波电感、输出缓冲电感及多个子模块串联链依次串联构成，每个子模块串联链包括一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容，一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容依次连接形成一个三角形结构，子模块串联链、一个空气芯电感和一个二极管构成子模块，当子模块处于切除状态时，子模块的母线电容通过功率平衡回路和相邻子模块的母线电容进行能量传递。

优选地，所述功率主回路的下面三个子模块串联链构成一个下桥臂，功率主回路的上面四个子模块串联链构成一个上桥臂；每个子模块串联链的平均电压为5kV，输入电压为7.5kV，输出电压为25kV。

优选地，所述输出缓冲电感与一个输出侧滤波电容、一个输出侧所接电阻连接，输出侧滤波电容和输出侧所接电阻并联；输出侧滤波电容抑制输出电压纹波，实现稳定直流输出；输出侧所接电阻用来模拟DC-DC变换器的负载，验证功率输出能力。

优选地，所述输入滤波电感用来对抑制输入电流纹波；输出缓冲电感用来缓冲桥臂电压纹波，抑制由子模块电容电压波动和开关过程所引起的脉动电流。

优选地，所述自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器采用电压平衡以及功率传递的交错投切调制方法，该方法包括以下步骤：