四相交错升降压型混合多电平直流变流器及其控制方法

本公开涉及电源控制，尤其涉及一种四相交错升降压型混合多电平直流变流器及其控制方法。

背景技术：

1、对于混合型模块化多电平这一类变流器，现有三相交错变流器通过交错控制策略，使三相的变流器模块的开关动作在相位上相互错开，每相的每个子模块在额定电流工况的运行时间仅为1/3开关周期，有1/3周期为零电流状态和1/3周期运行在高压侧的低电流状态，在电压变比较低时该变压器具有较高的功率密度和效率，随着电压变比增大开关器件的利用率会降低；

2、现有两相交错变流器使储能桥臂数量减少，但是了吸收高压侧脉冲电流需额外配置电力电子电容器，在某些运行范围整体器件利用率也相对偏低。

技术实现思路

1、本公开提供一种四相交错升降压型混合多电平直流变流器及其控制方法，以解决上述技术问题。

2、根据本公开的第一方面，提供一种四相交错升降压型混合多电平直流变流器，包括：变流器高压侧端口、变流器低压侧端口、第一能量转移电路、第二能量转移电路、第三能量转移电路和第四能量转移电路；所述第一能量转移电路、所述第二能量转移电路、所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路并联在所述变流器高压侧端口与所述变流器低压侧端口之间；

3、所述第一能量转移电路、所述第二能量转移电路、所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路被配置为在所述直流变流器工作过程中的每个时刻保持一个能量转移电路与所述变流器的高压侧端口电连接，以及两个能量转移电路与所述变流器的低压侧端口电连接。

4、可选地，所述第一能量转移电路、所述第二能量转移电路、所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路中的各个能量转移电路包括a相端子、b相端子、c相端子、第一开关单元、第二开关单元、电感元件和电压控制单元；

5、所述a相端子与所述变流器高压侧端口的正极端电连接；所述b相端子与所述变流器低压侧端口的正极端电连接；所述c相端子分别与所述变流器高压侧端口的负极端和所述变流器低压侧端口的负极端电连接；

6、所述第一开关单元的第一端与所述a相端子电连接，所述第一开关单元的第二端与所述第二开关单元的第一端电连接，并将所述第一开关单元与第二开关单元连接的端点称为m相端子；所述第二开关单元的第二端与所述b相端子电连接；所述电感元件和所述电压控制单元串联后的串联支路的第一端与所述第一开关单元的第二端电连接，所述串联支路的第二端与所述c相端子电连接。

7、可选地，所述第一开关单元由至少一个开关器件级联构成，所述第二开关单元由至少一个开关器件级联构成；

8、并且，所述第一开关单元和所述第二开关单元中开关器件的数量大于或等于变流器高压侧端口的端口电压与各个开关器件的额定电压值的比值。

9、可选地，所述电感元件的电感值满足以下表达式：

10、

11、式中，(δt)m表示在运行周期内开关器件有效关断后换流时间所剩余的最大值；(di/dt)m表示变流器所允许的最大电流变化率di/dt；ih为变流器高压侧端口的额定电流；il表示变流器低压侧端口的额定电流；ud表示电感元件l两端受控电压幅值；k为直流变流器的额定变比，k＝uh/ul；

12、所述电压控制单元由至少一个电压源子模块级联构成；所述电压源子模块的数量满足以下表达式：

13、

14、式中，um表示每个电压源子模块的额定直流电压；ud表示电感元件l两端受控电压的幅值，ud为单个电压源子模块的额定直流电压um的q倍，q取正整数；t表示冗余电压源子模块的个数，t取自然数。

15、可选地，所述变流器为三端口直流变流器；所述三端口直流变流器的低压侧端口包括低压侧第一子端口和低压侧第二子端口；所述第一能量转移电路、所述第二能量转移电路、所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路中的各个能量转移电路包括a相端子、b相端子和c相端子；

16、所述a相端子与所述变流器高压侧端口的正极端电连接；

17、所述第一能量转移电路和所述第二能量转移电路的b相端子均与所述低压侧第一子端口的正极端电连接，所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路的b相端子均与所述低压侧第二子端口的正极端电连接；

18、所述c相端子分别与所述变流器高压侧端口的负极端、所述低压侧第一子端口的负极端和所述低压侧第二子端口的负极端电连接。

19、可选地，所述变流器为真双极形式的直流变流器；所述真双极形式的直流变流器包括第一子变流器和第二子变流器组成，所述第一子变流器采用如上述的直流变流器实现；所述第二子变流器包括第一对称转移电路、第二对称转移电路、第三对称转移电路和第四对称转移电路；所述第一对称转移电路、所述第二对称转移电路、所述第三对称转移电路和所述第四对称转移电路中的各个对称转移电路包括a′相端子、b′相端子和c′相端子；

20、所述a相端子与所述真双极形式变流器高压侧端口的正极端电连接；所述b相端子与所述真双极形式变流器低压侧端口的正极端电连接；所述a′相端子与所述真双极形式变流器高压侧端口的负极端电连接；所述b′相端子与所述真双极形式变流器低压侧端口的负极端电连接；所述c相端子与所述c′相端子电连接并构成所述真双极形式变流器的接地点；所述真双极形式变流器的接地点是所述真双极形式变流器高压侧端口和低压侧端口的电位中点。

21、可选地，所述第二子变流器包括第一对称转移电路、第二对称转移电路、第三对称转移电路和第四对称转移电路；所述第一对称转移电路、所述第二对称转移电路、所述第三对称转移电路和所述第四对称转移电路中的各个对称转移电路包括a′相端子、b′相端子、c′相端子、第一开关单元、第二开关单元、电感元件和电压控制单元；

22、根据本公开的第二方面，提供一种四相交错升降压型混合多电平直流变流器的控制方法，适用于第一方面任一项所述的直流变流器，所述方法包括：

23、在工作过程的每个时刻控制第一能量转移电路、第二能量转移电路、第三能量转移电路和第四能量转移电路中的一个能量转移电路与变流器高压侧端口电连接且两个能量转移电路与变流器低压侧端口电连接。

24、可选地，所述控制方法的一个控制周期，包括：在每个控制周期的第一子周期，控制第一能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第一能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第一参考电流且保持在第一参考电流，并控制第四能量转移电路的电流降为零且所述第四能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

25、在每个控制周期的第二子周期，控制第四能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第四能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第四参考电流且保持在第四参考电流，并控制第三能量转移电路的电流降为零且所述第三能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态；

26、在每个控制周期的第三子周期，控制第三能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第三能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第三参考电流且保持在第三参考电流，并控制第一能量转移电路的电流降为零且所述第一能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

27、在每个控制周期的第四子周期，控制第一能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第一能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第一参考电流且保持在第一参考电流，并控制第二能量转移电路的电流降为零且所述第二能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态；

28、在每个控制周期的第五子周期，控制第二能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第二能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第二参考电流且保持在第二参考电流，并控制第三能量转移电路的电流降为零且所述第三能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

29、在每个控制周期的第六子周期，控制第三能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第三能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第三参考电流且保持在第三参考电流，并控制第四能量转移电路的电流降为零且所述第四能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态；

30、在每个控制周期的第七子周期，控制第四能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第四能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第四参考电流且保持在第四参考电流，并控制第二能量转移电路的电流降为零且所述第二能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

31、在每个控制周期的第八子周期，控制第二能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第二能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第二参考电流且保持在第二参考电流，并控制第一能量转移电路的电流降为零且所述第一能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态。

32、可选地，所述方法还包括对第一能量转移电路、第二能量转移电路、第三能量转移电路和第四能量转移电路中各个能量转移电路进行能量平衡的步骤，具体包括：

33、获取各个能量转移电路中电压控制单元的各电压源子模块的直流电压；

34、根据预设比例系数、电压源子模块的额定直流电压和电压源子模块的数量计算该能量转移电路的充电电流调整量；

35、根据该能量转移电路中切换到导通状态的开关单元确定电流参考值；

36、对该能量转移电路的电压控制单元的各电压源子模块的直流电压进行排序；

37、根据该能量转移电路中切换到导通状态的开关单元确定所投入的电压源子模块。

38、可选地，所述方法包括：

39、通过控制电压控制单元的电压源子模块投入数量来控制各个能量转移电路的电流，具体包括：

40、当确定该能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态时，控制该能量转移电路的电压控制单元的m1-q个电压源子模块投入；其中，m1是指电压控制单元在电流达到参考电流时的电压源子模块的数量，q表示待减少的电压源子模块的数量；当检测到该能量转移电路的电感元件的电流上升到相应参考电流时，控制该能量转移电路的电压控制单元投入m1个电压源子模块；

41、以及，控制各个能量转移电路的电感元件的电流保持在对应参考电流，具体包括：

42、获取电流波动的幅值，得到该能量转移电路的电感元件的电流波动区间；当检测到电感元件的电流等于所述电流波动区域的下限值时，从该能量转移电路中电压控制单元已投入的电压源子模块中减少至少一个电压源子模块；当检测到电感元件的电流等于所述电流波动区域的上限值时，从该能量转移电路中电压控制单元已投入的电压源子模块中增加至少一个电压源子模块。

43、可选地，所述方法还包括：

44、确定各能量转移电路双向存在可关断的开关器件；

45、在检测到到高压侧端口处电压低于高压额定值的一半时，确定发生高压侧短路故障，并控制变流器进入故障一控制模式：所述故障一控制模式包括四个能量转移电路的电压控制单元均将全部电压源子模块闭锁，在能量转移电路的电流降为0后关断导通的开关单元，使各能量转移电路进入电气孤立状态；

46、在检测到低压侧端口电压低于低压额定值的一半时，确定发生低压侧短路故障，并控制变流器进入故障二控制模式：所述故障二控制模式包括四个能量转移电路的电压控制单元均将全部子模块闭锁，在能量转移电路的电流降为0后关断导通的开关单元，使各能量转移电路进入电气孤立状态。

47、根据本公开的第三方面，提供一种四相交错升降压型混合多电平直流变流器的控制装置，适用于第一方面任一项所述的直流变流器，所述装置包括：

48、四相交错控制模块，用于在工作过程的每个时刻控制第一能量转移电路、第二能量转移电路、第三能量转移电路和第四能量转移电路中的一个能量转移电路与变流器高压侧端口电连接且两个能量转移电路与变流器低压侧端口电连接。

49、可选地，所述四相交错控制模块包括：

50、第一控制子模块，用于在每个控制周期的第一子周期，控制第一能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第一能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第一参考电流且保持在第一参考电流，并控制第四能量转移电路的电流降为零且所述第四能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

51、第二控制子模块，用于在每个控制周期的第二子周期，控制第四能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第四能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第四参考电流且保持在第四参考电流，并控制第三能量转移电路的电流降为零且所述第三能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态；

52、第三控制子模块，用于在每个控制周期的第三子周期，控制第三能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第三能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第三参考电流且保持在第三参考电流，并控制第一能量转移电路的电流降为零且所述第一能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

53、第四控制子模块，用于在每个控制周期的第四子周期，控制第一能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第一能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第一参考电流且保持在第一参考电流，并控制第二能量转移电路的电流降为零且所述第二能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态；

54、第五控制子模块，用于在每个控制周期的第五子周期，控制第二能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第二能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第二参考电流且保持在第二参考电流，并控制第三能量转移电路的电流降为零且所述第三能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

55、第六控制子模块，用于在每个控制周期的第六子周期，控制第三能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第三能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第三参考电流且保持在第三参考电流，并控制第四能量转移电路的电流降为零且所述第四能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态；

56、第七控制子模块，用于在每个控制周期的第七子周期，控制第四能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态，控制第四能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第四参考电流且保持在第四参考电流，并控制第二能量转移电路的电流降为零且所述第二能量转移电路的第一开关单元切换到断开状态；

57、第八控制子模块，用于在每个控制周期的第八子周期，控制第二能量转移电路的第二开关单元切换到导通状态，控制第二能量转移电路的电感元件的电流从零上升到第二参考电流且保持在第二参考电流，并控制第一能量转移电路的电流降为零且所述第一能量转移电路的第二开关单元切换到断开状态。

58、可选地，所述装置还包括能量平衡模块，所述能量平衡模块用于对第一能量转移电路、第二能量转移电路、第三能量转移电路和第四能量转移电路中各个能量转移电路进行能量平衡；所述能量平衡模块包括：

59、直流电压获取子模块，用于获取各个能量转移电路中电压控制单元的各电压源子模块的直流电压；

60、调整量获取子模块，用于根据预设比例系数、电压源子模块的额定直流电压和电压源子模块的数量计算该能量转移电路的充电电流调整量；

61、参考值获取子模块，用于根据该能量转移电路中切换到导通状态的开关单元确定电流参考值；

62、直流电压排序子模块，用于对该能量转移电路的电压控制单元的各电压源子模块的直流电压进行排序；

63、电压源确定子模块，用于根据该能量转移电路中切换到导通状态的开关单元确定所投入的电压源子模块。

64、可选地，所述第一控制子模块至所述第八控制子模块中的各个控制子模块还包括电流调整单元，所述电流调整单元用于通过控制电压控制单元的电压源子模块投入数量来控制各个能量转移电路的电流；所述电流调整单元具体包括：

65、第一投入子单元，用于当确定该能量转移电路的第一开关单元切换到导通状态时，控制该能量转移电路的电压控制单元的m1-q个电压源子模块投入；其中，m1是指电压控制单元在电流达到参考电流时的电压源子模块的数量，q表示待减少的电压源子模块的数量；

66、第二投入子单元，用于当检测到该能量转移电路的电感元件的电流上升到相应参考电流时，控制该能量转移电路的电压控制单元的投入m1个电压源子模块；

67、以及，所述第一控制子模块至所述第八控制子模块中的各个控制子模块还包括电流保持单元，所述电流保持单元用于控制各个能量转移电路的电感元件的电流保持在对应参考电流；所述电流保持单元包括：

68、电流区间确定子单元，用于获取电流波动的幅值，得到该能量转移电路的电感元件的电流波动区间；

69、电压源切除子单元，用于当检测到电感元件的电流等于所述电流波动区域的下限值时，从该能量转移电路中电压控制单元已投入的电压源子模块中减少至少一个电压源子模块；

70、电压源投入子单元，用于当检测到电感元件的电流等于所述电流波动区域的上限值时，从该能量转移电路中电压控制单元已投入的电压源子模块中增加至少一个电压源子模块。

71、可选地，所述装置还包括：

72、开关器件确定模块，用于确定各能量转移电路双向存在可关断的开关器件；

73、第一模式控制模块，用于在检测到到高压侧端口处电压低于高压额定值的一半时，确定发生高压侧短路故障，并控制变流器进入故障一控制模式：所述故障一控制模式包括四个能量转移电路的电压控制单元均将全部电压源子模块闭锁，在能量转移电路的电流降为0后关断导通的开关单元，使各能量转移电路进入电气孤立状态；

74、第二模式控制模块，用于在检测到低压侧端口电压低于低压额定值的一半时，确定发生低压侧短路故障，并控制变流器进入故障二控制模式：所述故障二控制模式包括四个能量转移电路的电压控制单元均将全部子模块闭锁，在能量转移电路的电流降为0后关断导通的开关单元，使各能量转移电路进入电气孤立状态。

75、根据本公开的第四方面，提供一种四相交错升降压型混合多电平直流变流器，包括：

76、处理器和存储器；

77、所述存储器用于存储所述处理器可执行的计算机程序；

78、其中，所述处理器被配置为执行所述存储器中的计算机程序，以实现如第二方面任一项所述的方法。

79、根据本公开的第五方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，当所述存储介质中的可执行的计算机程序由处理器执行时，能够实现如第二方面任一项所述的方法。

80、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

81、本实施例提供的方案中变流器包括：变流器高压侧端口、变流器低压侧端口、第一能量转移电路、第二能量转移电路、第三能量转移电路和第四能量转移电路；所述第一能量转移电路、所述第二能量转移电路、所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路并联在所述变流器高压侧端口与所述变流器低压侧端口之间；所述第一能量转移电路、所述第二能量转移电路、所述第三能量转移电路和所述第四能量转移电路被配置为在所述直流变流器工作过程中的每个时刻保持一个能量转移电路与所述变流器的高压侧端口电连接，以及两个能量转移电路与所述变流器的低压侧端口电连接。这样，本实施例中通过两个能量转移电路对工作电流进行分流，达到降低能量转移电路的电流应力的目的，可以降低能量转移电路中开关器件的电流应力。

82、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。