有源谐振自耦式半控型直流变压器及电压变换和控制方法

本发明涉及电力电子以及新能源传输与并网，具体的，涉及一种适用于直流组网的有源谐振自耦式半控型直流变压器及电压变换和控制方法，同时涉及一种相应的控制系统。

背景技术：

1、新能源与直流电网之间存在着密切的关系。随着新能源的大规模开发和利用，如何将这些清洁能源高效、安全地接入电网成为一个重要的问题。而直流电网的建设为新能源的接入提供了更好的解决方案。首先，直流电网可以提高新能源的接入效率。由于新能源发电具有随机性和波动性，接入交流电网需要经过多级变换和调节，效率较低。而直流电网可以省去这些转换环节，直接将新能源发出的直流电能接入电网，提高了能源利用效率。其次，直流电网可以增强新能源的消纳能力。由于直流电网可以更好地实现能源的区域平衡和优化配置，使得新能源发出的电能可以在更广泛的范围内得到消纳。同时，直流电网还可以通过柔性直流输电技术实现新能源的分布式并网和孤岛运行，提高了电网的灵活性和可靠性。此外，直流电网还可以降低新能源的接入成本。传统的交流电网需要大量的变压器、电缆等设备，而直流电网则可以简化这些设备，减少转换环节和设备数量，从而降低建设和运营成本。

2、综上所述，新能源与直流电网之间存在着密切的关系。随着新能源的大规模开发和利用，直流电网的建设将成为实现能源转型和可持续发展的重要方向之一。在新能源系统中，不同的设备可能使用不同的电压等级。直流变压器可以帮助整合不同电压等级的设备，形成一个协调工作的系统。通过调节电压，可以确保各个设备在最佳状态下运行，从而提高整个系统的效率和性能。

3、目前，国内外学术界与工业界对直流变压器的研究已经日益深入，提出了多种拓扑结构，从技术路线上主要分为隔离型和非隔离型两大类型，隔离型直流变压器，通常利用变压器实现一次侧与二次侧的电气隔离和能量传递。该方案需要经过“直-交-直”的多级能量变换以及变压器，传输效率较低，且体积庞大。

4、非隔离型直流变压器结构简单，转换效率高且成本低，因此在各种工业场合中得到了广泛应用。随着新能源产业的发展，非隔离型直流变压器在光伏逆变器、储能系统等领域的需求不断增长。但是在中高压领域，非隔离型直流变压器的研究与应用相对较少，目前的方案多采用模块化多电平的结构，省去了交流连接变压器，效率更高，但是工作模式繁多，调制方法和控制策略设计难度大，工作可靠性较低，亟需新型可靠的直流变压器。

5、经过检索发现，公开号为cn112290801a的中国发明专利申请《一种高升压比隔离型直流变换器及其控制方法》，其中直流变换器包括中压变换电路、三相变压器和高压变换电路，中压侧利用晶闸管串联承担中压直流电压；高压侧利用模块化多电平桥臂与串联二极管形成混合桥臂来承担高压直流电压，降低器件数目，减小变换器体积；通过对模块化多电平桥臂电压的控制，可以实现对输出功率的调节，并且可以实现中压侧器件的软开关，进而提高变换器效率。本发明的直流变换器具有体积小、效率高、成本低、功率密度高的特点，可以实现高升压比；中压侧采用半控或全控器件串联，且均可以实现软开关；高压侧采用串联二极管或其它可控器件与模块化多电平变换器构成同一桥臂，可有效降低变换器的体积、损耗及成本。但是该直流变换器及其控制方法，仍然存在如下技术问题：尽管可以实现软开关，但是通过交流变压器进行的两次“直-交-直”变换器仍然有大量的损耗，另外目前大功率的中频交流变压器尚未技术突破，而且全功率型的变压器所需设计容量大，仍需大量的子模块，整体制造困难。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种有源谐振自耦式半控型直流变压器及电压变换和控制方法，同时提供一种相应的控制系统。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种有源谐振自耦式半控型直流变压器，其特征在于，包括：有源谐振桥臂、晶闸管阀控制开关以及直流电容；其中：

3、所述有源谐振桥臂，作为能量交互媒介，用于进行能量转移；

4、所述晶闸管阀控制开关，用于控制有源谐振桥臂在直流电容之间进行能量交互；

5、所述直流电容，用于支撑直流母线电压和滤波。

6、优选地，所述晶闸管阀控制开关，包括：第一晶闸管阀t1、第二晶闸管阀t2、第三晶闸管阀t3和第四晶闸管阀t4；其中，所述第三晶闸管阀t3和所述第四晶闸管阀t4串联后并联到所述第二直流电容c2的两侧，所述第一晶闸管阀t1和所述第二晶闸管阀t2串联后并联到所述第一直流电容c1的两侧。

7、优选地，所述晶闸管阀控制开关，包括：第一晶闸管阀t1、第二晶闸管阀t2、第三晶闸管阀t3和第四晶闸管阀t4；其中，所述第三晶闸管阀t3和所述第四晶闸管阀t4串联后并联到所述第二直流电容c2的两侧，所述第一晶闸管阀t1和所述第二晶闸管阀t2串联后并联到所述第一直流电容c1的两侧。

8、优选地，所述有源谐振桥臂的子模块sm采用半桥子模块，连接形成具有直流母线电容的交直流变换器子模块串；所述有源谐振桥臂的两端分别并联到所述第一晶闸管阀t1与所述第二晶闸管阀t2的中点以及所述第三晶闸管阀t3与所述第四晶闸管阀t4的中点。

9、根据本发明的第二个方面，提供了一种本发明上述有源谐振自耦式半控型直流变压器的电压变换方法，包括：通过控制所述晶闸管阀控制开关的导通，使得所述有源谐振桥臂在所述直流电容吸收或释放能量，进而实现能量转移，完成电压变换。

10、根据本发明的第三个方面，提供了一种本发明上述有源谐振自耦式半控型直流变压器的电压变换方法的控制方法，包括：

11、子模块串能量平衡控制策略，该策略通过对有源谐振桥臂子模块串吸收电流最大值iarm1进行控制，实现子模块串能量平衡；

12、输出电压控制策略，该策略通过对输入侧直流电容电压uc2吸收功率进行控制，即通过控制桥臂子模块串放电电流最大值iarm，实现输出电容电压稳定；

13、桥臂电感电流控制策略，该策略通过控制桥臂子模块串的电容电压的参考值，对桥臂电感电流进行控制；

14、子模块电容电压平衡控制策略，该策略通过获得有源谐振桥臂每一个子模块的修正调制信号，用于对有源谐振桥臂各子模块之间的偏差进行修正；

15、调制策略，该策略将所述桥臂子模块串的电容电压的参考值和所述修正调制信号相加得到每一个子模块的调制信号，再通过psc-pwm载波移相调制后得到有源谐振桥臂每一个子模块的控制信号。

16、根据本发明的第四个方面，提供了一种本发明上述有源谐振自耦式半控型直流变压器的电压变换方法的控制系统，其特征在于，包括：

17、子模块串能量平衡控制模块，该模块用于控制有源谐振桥臂子模块串吸收电流最大值iarm1，实现子模块串能量平衡；

18、输出电压控制模块，该模块用于控制输入侧直流电容电压uc2吸收功率，即通过控制桥臂子模块串放电电流最大值iarm，实现输出电容电压稳定；

19、桥臂电感电流控制模块，该模块用于通过控制桥臂子模块串的电容电压的参考值对桥臂电感电流进行控制；

20、子模块电容电压平衡控制模块，该模块用于获得有源谐振桥臂每一个子模块的修正调制信号，所述修正调制信号用于对有源谐振桥臂各子模块之间的偏差进行修正；

21、调制模块，将所述桥臂子模块串的电容电压的参考值和所述修正调制信号相加得到每一个子模块的调制信号，再通过psc-pwm载波移相调制后得到有源谐振桥臂每一个子模块的控制信号。

22、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

23、拓扑具有自耦的形式，一次侧和二次侧共同使用一个直流电容，部分功率可以直接传递到二次侧，因此整体的容量更小。

24、拓扑采用晶闸管作为控制开关，晶闸管具有低成本开关损耗小的特点，而且晶闸管易于串并联，更适合于大功率高电压的场合。

25、利用子模块串作为有源谐振桥臂，调节子模块串输出电压可以灵活控制桥臂交互能量，进而实现输出不同的电压等级。

26、占地面积小、成本低、损耗小，可改变晶闸管的串联数量和有源谐振桥臂子模块的数量，灵活的适用于不同的功率和电压场合。