技术领域
[0001] 本
发明涉及
电压的变换装置技术领域，尤其涉及一种混合型直流电力电子变压器。
背景技术
[0002] 直流电力电子变压器是未来直流输配
电网、直流
风力发电并网系统、直流
光伏发电并网系统、船舰电力系统、轨道牵引供电系统、“
能源互联网”等应用领域的重要设备，其主要功能是实现不同电压等级直流
母线之间的电压变换、电气隔离和功率传输。
[0003] 电力电子变压器为了适应高压大功率应用场合，通常采用模
块化
电路串并联技术，以解决电力电子器件耐压
水平不足的限制问题。目前直流电力电子变压器采用的模块化电路主要有两类，即基于移相控制的双主动桥直流变换器(Dual Active Bridge，DAB)和
串联谐振型直流变换器(Series Resonant Convert，SRC)。双主动桥直流变换器控制灵活，可以实现
输出电压或传输功率的主动调节，但相对而言效率较低，而串联谐振型直流变换器工作于谐振状态时，具有很高的功率变换效率，但相对而言其电压或传输功率调节能力受限，当进行功率调节时，串联谐振型变换器将处于失谐状态或处于
电流断续状态，从而降低了功率变换效率或功率
密度。
[0004] 因此，由单一的模块化电路构成的直流电力电子变压器实用性受到一定限制。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是如何提供一种利用双主动桥直流变换器实现电压或功率的主动调节并利用串联谐振型直流变换器实现大功率传输的混合型直流电力电子变压器。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种混合型直流电力电子变压器，其特征在于：包括一个以上的双主动桥直流变换器以及两个以上的串联谐振型直流变换器，所述双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的直流
输入侧之间串联连接后接入高压
直流母线，用于适应高压侧直流母线的高电压等级；双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的直流
输出侧之间并联后接入低压直流母线，用于向低压侧直流母线提供较大的功率；所述主动桥直流变换器用于通过移相控制，实现传输功率或输出电压的主动调节；所述谐振型直流变换器工作于谐振状态，用于根据输入和输出直流电压的变化自动调整传输功率；所述混合型直流电力电子变压器工作于电压控
制模式或功率调节模式。
[0007] 进一步的技术方案在于：所述双主动桥直流变换器包括第一高压侧单相全控桥、第一高频变压器和第一低压侧单相全控桥，所述第一高压侧单相全控桥的输入端为所述主动桥直流变换器的直流输入侧，所述第一高压侧单相全控桥的输出端与所述第一高频变压器的初级连接，所述第一高频变压器的次级与所述第一低压侧单相全控桥的输入端连接，所述第一低压侧单相全控桥的输出端为所述双主动桥直流变换器的直流输出侧。
[0008] 进一步的技术方案在于：所述双主动桥直流变换器还包括电感Lt，所述第一高压侧单相全控桥的输出端经所述电感Lt与所述第一高频变压器的初级连接。
[0009] 进一步的技术方案在于：所述串联谐振型直流变换器包括第二高压侧单相全控桥、
谐振电路、第二高频变压器和第二低压侧单相全控桥，所述第二高压侧单相全控桥的输入端为所述串联谐振型直流变换器的直流输入侧，所述第二高压侧单相全控桥的输出端经所述谐振电路与所述第二高频变压器的初级连接，所述第二高频变压器的次级与所述第二低压侧单相全控桥的输入端连接，所述第二低压侧单相全控桥的输出端为所述串联谐振型直流变换器的直流输出侧。
[0010] 进一步的技术方案在于：所述单相全控桥的直流侧的两端之间均并联有电容器。
[0011] 进一步的技术方案在于：所述高频变压器的绕组
匝数比根据双主动桥直流变换器和串联谐振型变换器串联数目、高低直流母线电压等级确定。
[0012] 进一步的技术方案在于：所述谐振电路包括串联连接的电容Cr以及电感Lr。
[0013] 进一步的技术方案在于，所述的电压控制模式具体为：当低压直流母线电压偏低时，双主动桥直流变换器采用移相控制，增大移相比，进而增加传输功率，使输出直流电压升高；当低压直流母线电压偏高时，双主动桥直流变换器采用移相控制，减小移相比，进而减小传输功率，使输出直流电压降低，通过上述调节，最终使低压直流母线电压维持在参考值；在上述调节过程中，双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的输入电压随输出电压的变化重新分配，而保持串联总直流电压为高压直流母线电压不变。
[0014] 进一步的技术方案在于，所述的电压控制模式具体为：当需要增加传输功率时，双主动桥直流变换器采用移相控制，增大移相比；当需要减少传输功率时，双主动桥直流变换器采用移相控制，减小移相比，通过上述调节，最终使传输到低压直流母线的功率达到参考值；在上述调节过程中，双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的传输功率随总传输功率的变化重新分配。
[0015] 进一步的技术方案在于：所述移相控制采用单移相控制、双移相控制或多重移相控制；所述的移相控制可采用PI
控制器，控制器输入为电压偏差值，控制器输出为移相比。
[0016] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述电力电子变压器利用双主动桥直流变换器实现电压或功率的主动调节，并利用串联谐振型直流变换器实现大功率传输，集合了二者各自的优点，提高了直流电力电子变压器的实用性。在实现直流电力电子变压器输出电压或双向传输功率灵活控制的同时，保留了串联谐振型变换器功率变换效率高、功率密度大的优点，进一步提高了直流电力电子变压器的实用性。
附图说明
[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0018] 图1是本发明
实施例中混合型直流电力电子变压器含一个双主动桥直流变换器和两个串联谐振型直流变换器时的电路原理图；
[0019] 图2是本发明实施例中混合型直流电力电子变压器的电压控制原理图；
[0020] 图3是本发明实施例中混合型直流电力电子变压器的功率调节原理图；
[0021] 图4是本发明实施例中混合型直流电力电子变压器含一个双主动桥直流变换器和两个串联谐振型直流变换器时的触发脉冲
波形图；
[0022] 图5是本发明实施例中混合型直流电力电子变压器含一个双主动桥直流变换器和两个串联谐振型直流变换器时的电压控制仿真波形图；
[0023] 图6是本发明实施例中混合型直流电力电子变压器含一个双主动桥直流变换器和两个串联谐振型直流变换器时的功率调节仿真波形图；
[0024] 其中：1、第一高压侧单相全控桥 2、第一高频变压器 3、第一低压侧单相全控桥 4、第二高压侧单相全控桥、5、第二高频变压器 6、第二低压侧单相全控桥 7、高压直流母线
8、低压直流母线。
具体实施方式
[0025] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0027] 总体的，本发明公开了一种混合型直流电力电子变压器，包括一个以上的双主动桥直流变换器以及两个以上的串联谐振型直流变换器。所述双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的直流输入侧之间串联连接后接入高压直流母线，用于适应高压侧直流母线的高电压等级；双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的直流输出侧之间并联后接入低压直流母线，用于向低压侧直流母线提供较大的功率；所述主动桥直流变换器用于通过移相控制，实现传输功率或输出电压的主动调节；所述谐振型直流变换器工作于谐振状态，用于根据输入和输出直流电压的变化自动调整传输功率；所述混合型直流电力电子变压器工作于电压控制模式或功率调节模式。
[0028] 具体的，如图1所示，本发明实施例公开的所述混合型直流电力电子变压器，包括一个双主动桥直流变换器以及两个串联谐振型直流变换器。
[0029] 进一步的，如图1所示，所述双主动桥直流变换器包括第一高压侧单相全控桥、第一高频变压器和第一低压侧单相全控桥。所述第一高压侧单相全控桥的输入端为所述主动桥直流变换器的直流输入侧，所述第一高压侧单相全控桥的输出端与所述第一高频变压器的初级连接，所述第一高频变压器的次级与所述第一低压侧单相全控桥的输入端连接，所述第一低压侧单相全控桥的输出端为所述双主动桥直流变换器的直流输出侧。
[0030] 优选的，如图1所示，所述双主动桥直流变换器还包括电感Lt，所述第一高压侧单相全控桥的输出端经所述电感Lt与所述第一高频变压器的初级连接。
[0031] 进一步的，如图1所示，所述串联谐振型直流变换器包括第二高压侧单相全控桥、谐振电路、第二高频变压器和第二低压侧单相全控桥。所述第二高压侧单相全控桥的输入端为所述串联谐振型直流变换器的直流输入侧，所述第二高压侧单相全控桥的输出端经所述谐振电路与所述第二高频变压器的初级连接，所述第二高频变压器的次级与所述第二低压侧单相全控桥的输入端连接，所述第二低压侧单相全控桥的输出端为所述串联谐振型直流变换器的直流输出侧。
[0032] 优选的，如图1所示，所述第一高压侧单相全控桥的直流输入侧并联有电容C1，所述第二高压侧单相全控桥的直流输入侧并联有电容C2，所述第一低压侧单相全控桥和第二低压侧单相全控桥的直流输出侧并联有电容C0。
[0033] 进一步的，所述的高频变压器T，其绕组匝数比nt根据双主动桥直流变换器和串联谐振型变换器串联数目、高低直流母线电压等级确定，一般的，串联数目少时，其绕组匝数比较大。
[0034] 如图2所示，所述的混合型直流电力电子变压器电压控制模式基本工作原理为：当低压直流母线电压Uo偏低时，双主动桥直流变换器采用移相控制，增大移相比D，进而增加传输功率，使输出直流电压升高；当低压直流母线电压Uo偏高时，双主动桥直流变换器采用移相控制，减小移相比D，进而减小传输功率，使输出直流电压降低。通过上述调节，最终，低压直流母线电压Uo维持在参考值Uo_ref。所述的移相控制可采用单移相控制、双移相控制和多重移相控制。在上述调节过程中，双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的输入电压会随输出电压的变化重新分配，而保持串联总直流电压为高压直流母线电压不变。所述的移相控制可采用PI控制器，控制器输入为电压偏差值(Uo_ref-Uo)，输出为移相比D。
[0035] 如图3所示，所述的混合型直流电力电子变压器功率调节模式基本工作原理为：当需要增加传输功率时，双主动桥直流变换器采用移相控制，增大移相比D；当需要减少传输功率时，双主动桥直流变换器采用移相控制，减小移相比D。通过上述调节，最终，传输到低压直流母线的功率Po达到参考值Po_ref。所述的移相控制可采用单移相控制、双移相控制和多重移相控制。在上述调节过程中，双主动桥直流变换器和串联谐振型直流变换器的传输功率随总传输功率的变化重新分配。所述的移相控制可采用PI控制器，控制器输入为功率偏差值(Po_ref-Po)，控制器输出为移相比D。
[0036] 所述的串联谐振型直流变换器工作在谐振状态，其高压侧单相全控桥生成工作
频率为谐振频率的方波电压。串联谐振型直流变换器1和串联谐振型直流变换器2通过脉冲交错控制，使二者的方波电压
相位交错，实现减小输入和输出电流纹波的目的，进而减小直流母线电压纹波。
[0037] 如图4所示，当双主动桥直流变换器的移相比为D时，高压侧单相全控桥触发脉冲的相位超前低压侧单相全控桥触发脉冲的相位，其时间间隔为DTs，Ts为
开关频率。串联谐振型直流变换器1和串联谐振型直流变换器2的高压侧单相全控桥之间触发脉冲的相位错开Ts/4时间间隔，实现了交错控制。
[0038] 为了进一步验证实施方案的可行性和正确性，对混合型直流电力电子变压器分别进行电压控制和功率调节控制仿真，结果如图5和图6所示。
[0039] 如图5所示，混合型直流电力电子变压器工作于电压控制模式时，给定输出电压参考值3000V，当0.05秒时，负载发生扰动，低压直流母线在电压控制作用下，其电压值跌落后0.1时恢复至参考值仍维持在3000V。调节过程中，双主动桥直流变换器和两个串联谐振型直流变换器的输入电压会随输出电压的变化重新分配，而保持串联总直流电压为高压直流母线电压9000V不变。
[0040] 如图6所示，混合型直流电力电子变压器工作于功率调节模式时，初始给定输出功率参考值1MW，当0.05秒时，输出功率参考值变为0.8MW，混合型直流电力电子变压器在功率调节控制作用下，其输出功率值变为0.8MW。调节过程中，双主动桥直流变换器和两个串联谐振型直流变换器的输入电压会随输出电压的变化重新分配，而保持串联总直流电压为高压直流母线电压9000V不变。
