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CN113258776B - 用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器 - Google Patents

用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器 Download PDF

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CN113258776B
CN113258776B CN202110578720.6A CN202110578720A CN113258776B CN 113258776 B CN113258776 B CN 113258776B CN 202110578720 A CN202110578720 A CN 202110578720A CN 113258776 B CN113258776 B CN 113258776B
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CN
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bridge arm
diode
active bridge
thyristor
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赵晓东
张丙旭
付勤天
王宁
徐殿国
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Harbin Institute of Technology
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，所述高升压比直流变换器采用三相或多相结构，由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成。该高升压比直流变换器通过有源桥臂与晶闸管阀组、二极管阀组相结合的方案，由有源桥臂主动控制实现电压调控和电流控制，并为晶闸管阀组、二极管阀组提供理想的零压、零流条件；有源桥臂仅需承担中压直流电压或提供用于功率和电压控制的小电压，所需级联的子模块数目显著减少，可实现海上平台的轻量化和小型化设计。

Description

用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种高升压比直流变换器，具体涉及一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器。
背景技术
为支撑我国“碳中和”发展目标，缓解西电东送压力，提升可再生能源利用率，海上风电成为了国家能源发展的重要方向。近年来，随着世界各大厂商竞相推出超大型海上风机，海上风电正逐渐向深远海发展。采用中压直流汇集、高压直流送出的全直流海上风电场方案，将成为大规模海上风电的发展趋势。然而，全直流海上风电场面临的最大技术瓶颈是高升压比直流变换器，其特点是：容量需达百兆瓦、中压汇集侧电流达上千安培、高压送出侧电压为数百千伏、电压增益可达十倍、功率单方向流动。
针对高压大容量、高升压比直流变换器，杨杰等人（CN106160463A）提出了基于器件串联和子模块级联结构的非隔离型直流变换器。然而，该变换器因为没有变压器的匹配作用，难以应用在高升压比应用中，子模块既需承担中压汇集的大电流，又要耐受高压直流送出的高电压，功率器件的安装容量将数倍于其传输的额定功率，成本高、损耗大，且不具备电气隔离，难以满足高电压增益下工程绝缘配合的设计要求。
顾先明等人（CN204145305U）公开了一种基于模块化多电平变换器和交替桥臂导通多电平变换器的“面对面”型直流变换器，该拓扑中传输能量需要经过两次全功率变换，功率器件数目较多、损耗大、体积重量较高。
为解决上述问题，李彬彬等人（CN112290801A）提出将中压侧的模块化多电平变换器替换成基于晶闸管的电网换相换流器，将高压侧的一半有源桥臂替换为二极管来减少有源桥臂子模块数目，有效降低变换器体积和成本。然而，有源桥臂需要承担数百千伏的高压直流，导致子模块数目依旧较多，不利于其绝缘设计，制约了海上风电送出平台的紧凑化和小型化设计。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器。该高升压比直流变换器通过有源桥臂与晶闸管阀组、二极管阀组相结合的方案，由有源桥臂主动控制实现电压调控和电流控制，并为晶闸管阀组、二极管阀组提供理想的零压、零流条件；有源桥臂仅需承担中压直流电压或提供用于功率和电压控制的小电压，所需级联的子模块数目显著减少，可实现海上平台的轻量化和小型化设计。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，分别记为：1型直流变换器结构~5型直流变换器结构，其共同特征在于采用三相或多相结构，变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：
所述三相逆变器桥包括有源桥臂、晶闸管阀组；
所述有源桥臂采用半桥子模块或全桥子模块或半桥和全桥相混合的子模块或其他可行的子模块级联构成，有源桥臂的正极和负极分别为第一个子模块和最后一个子模块的空闲端子；
所述晶闸管阀组由晶闸管串联而成；
所述晶闸管阀组亦可由双向晶闸管或绝缘栅双极晶体管IGBT或注入增强栅晶体管IEGT或集成门级换流晶闸管IGCT等器件串并联构成；
所述三相变压器的一次绕组端子构成三相变压器的一次侧端子且与三相逆变桥的交流输出端子相连，三相变压器的二次绕组端子构成三相变压器的二次侧端子；
所述三相变压器可采用YY或YΔ或ΔΔ或ΔY或其他可能的结构；
所述二极管不控整流桥由二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6组成；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6由二极管串联而成；
所述二极管阀组D1的阳极与二极管阀组D4的阴极相连，二极管阀组D3的阳极与二极管阀组D6的阴极相连，二极管阀组D5的阳极与二极管阀组D2的阴极相连，且二极管阀组D1和二极管阀组D4、二极管阀组D3和二极管阀组D6以及二极管阀组D5和二极管阀组D2的连接点构成整流桥交流输入端子，并与三相变压器的二次侧端子分别相连；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D3和二极管阀组D5的阴极和高压直流端口的正极相连，二极管阀组D2、二极管阀组D4和二极管阀组D6的阳极和高压直流端口的负极相连；
所述变换器的另一个特点是有源桥臂在中压直流侧或者串联在交流侧，仅需承担中压直流电压或用于功率和电压调节的小电压。
该组直流变换器的不同特征在于：三相逆变桥中晶闸管阀组、有源桥臂以及电抗器的连接方式不同，具体如下：
1型直流变换器结构：
所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、晶闸管阀组Ta、晶闸管阀组Tb、晶闸管阀组Tc、电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc构成，其中：
所述晶闸管阀组Ta的阳极与电抗器La的一端相连，晶闸管阀组Ta的阴极与有源桥臂SLa的正极相连；
所述晶闸管阀组Tb的阳极与电抗器Lb的一端相连，晶闸管阀组Tb的阴极与有源桥臂SLb的正极相连；
所述晶闸管阀组Tc的阳极与电抗器Lc的一端相连，晶闸管阀组Tc的阴极与有源桥臂SLc的正极相连；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的另一端与中压直流的正极相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc的负极与中压直流的负极相连；
所述晶闸管阀组与有源桥臂的连接点构成逆变桥交流输出端子；
所述变换器有源桥臂SLa、变换器有源桥臂SLb和变换器有源桥臂SLc与晶闸管阀组Ta、晶闸管阀组Tb和晶闸管阀组Tc以及电抗器La、电抗器Lb电抗器和Lc位置可互换。
2型直流变换器结构：
所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T6构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连；
所述晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连；
所述晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连；
所述晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T5的阳极和中压直流端口的正极相连；
所述晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T4和晶闸管阀组T6的阴极和中压直流端口的负极相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc的负极构成逆变桥交流输出端子；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc采用全桥子模块级联而成，亦可置于三相变压器的二次侧。
3型直流变换器结构：
所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T6构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阳极与有源桥臂SLa1的负极相连，晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连，晶闸管阀组T4的阴极与有源桥臂SLa2的正极相连；
所述晶闸管阀组T3的阳极与有源桥臂SLb1的负极相连，晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连，晶闸管阀组T6的阴极与有源桥臂SLb2的正极相连；
所述晶闸管阀组T5的阳极与有源桥臂SLc1的负极相连，晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连，晶闸管阀组T2的阴极与有源桥臂SLc2的正极相连；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1和有源桥臂SLc1的正极与中压直流端口的正极相连；
所述有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2和有源桥臂SLc2的负极与中压直流端口的负极相连；
所述晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点构成逆变桥交流输出端子。
4型直流变换器结构：
所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5、晶闸管阀组T6、电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc以及中压直流输入电容C i1、中压直流输入电容C i2构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连；
所述晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连；
所述晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连；
所述晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T5的阳极和中压直流输入电容C i1的正极均与中压直流端口的正极相连；
所述晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T6的阴极和中压直流输入电容C i2的负极均与中压直流端口的负极相连；
所述中压直流输入电容C i1的负极与中压直流输入电容C i2的正极相连形成中点O；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的一端与中点O相连，电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc的另一端分别与有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的负极相连；
所述有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀T4、晶闸管阀T3和晶闸管阀T6、晶闸管阀T5和晶闸管阀T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀T4、晶闸管阀T3和晶闸管阀T6、晶闸管阀T5和晶闸管阀T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的负极构成逆变桥交流输出端子；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3和有源桥臂SLc3采用全桥子模块级联而成，有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc亦可置于三相变压器的二次侧。
5型直流变换器结构：
所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5、晶闸管阀组T6、电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc以及中压直流输入电容C i1、中压直流输入电容C i2构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阳极与有源桥臂SLa1的负极相连，晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连，晶闸管阀组T4的阴极与有源桥臂SLa2的正极相连；
所述晶闸管阀组T3的阳极与有源桥臂SLb1的负极相连，晶闸管阀组T3的的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连，晶闸管阀组T6的阴极与有源桥臂SLb2的正极相连；
所述晶闸管阀组T5的阳极与有源桥臂SLc1的负极相连，晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T的2阳极相连，晶闸管阀组T2的阴极与有源桥臂SLc2的正极相连；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1的正极和中压直流输入电容C i1的正极均与中压直流端口的正极相连；
所述有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2的负极和中压直流输入电容C i2的负极均与中压直流端口的负极相连；
所述中压直流输入电容C i1的负极与中压直流输入电容C i2的正极相连形成中点O；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的一端与中点O相连，电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc的另一端分别与有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的负极相连；
所述有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连，且构成逆变桥交流输出端子；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3均采用全桥子模块级联而成。
上述用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：采用功率或者直流电压闭环控制，生成变压器电流幅值参考；
步骤2：采用有源桥臂能量平衡控制调节晶闸管阀组电流幅值，进而改变有源桥臂充放电电流大小使得有源桥臂子模块电容电压平均值等于电容电压参考值；
步骤3：将生成的变压器电流幅值与变压器电流基准波形相乘得到变压器电流参考，将晶闸管电流幅值与晶闸管换流基准波形相乘得到换流电流修正量；
步骤4：将变压器电流参考和换流电流修正量叠加得到有源桥臂电流参考，经桥臂电流反馈控制生成桥臂电压参考信号；
步骤5：由电流控制得到的桥臂电压参考信号将结合换流时序、PWM调制与子模块电容电压均衡控制，最终获得有源桥臂各子模块的IGBT驱动信号以及晶闸管阀组的触发信号。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、基于有源桥臂与晶闸管阀组、二极管阀组相结合的直流变换器充分利用晶闸管、二极管导通损耗低、功率密度高、串联技术成熟的优势与有源桥臂电压电流波形高度可控的特点，构造了一组高效率、紧凑型、轻量化的高升压比直流变换器。
2、有源桥臂仅需承担中压直流电压或提供用于功率和电压调节的小电压，需要级联的子模块数目显著减少，绝缘设计简单。
3、有源桥臂主要在换流的暂态过程中承担一定功率，子模块电容容量相比传统模块化多电平拓扑可显著降低，并可协调控制三相电流波形交错，合成平滑的输入输出电流，无需在直流侧安装滤波器，实现拓扑的轻量化和小型化设计。
附图说明
图1是本发明提供的直流变换器各组件结构图，其中(a)为有源桥臂结构；(b)为晶闸管和二极管阀组结构；(c)为变压器结构；
图2是本发明1型直流变换器结构图；
图3是本发明2型直流变换器结构图；
图4是本发明3型直流变换器结构图；
图5是本发明4型直流变换器结构图；
图6是本发明5型直流变换器结构图；
图7是本发明1型直流变换器~5型直流变换器的一种控制方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明公开了一组用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，分别记为：1型直流变换器结构~5型直流变换器结构，如图2~图6所示，其共同特征在于采用三相或多相结构，变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：所述三相逆变器桥包括有源桥臂和晶闸管阀组；图1(a)描述了有源桥臂的具体电路结构，有源桥臂采用半桥子模块或全桥子模块或半桥和全桥相混合的子模块或其他可行的子模块级联构成，有源桥臂正极和负极分别为第一个子模块和最后一个子模块的空闲端子。图1(b)描述了晶闸管阀组和二极管阀组的具体电路结构，晶闸管阀组由晶闸管串联而成，二极管阀组由二极管串联而成。晶闸管阀组亦可由双向晶闸管或绝缘栅双极晶体管IGBT或注入增强栅晶体管IEGT或集成门级换流晶闸管IGCT等器件串并联构成。图1(c)描述了变压器的具体电路结构，变压器可采用YY或YΔ或ΔΔ或ΔY或其他可能的结构，变压器一次绕组端子构成变压器一次侧端子且与三相逆变桥交流输出端子相连，变压器二次绕组端子构成变压器二次侧端子。二极管不控整流桥由二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6组成；二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6由二极管串联而成；二极管阀组D1的阳极与二极管阀组D4的阴极相连，二极管阀组D3的阳极与二极管阀组D6的阴极相连，二极管阀组D5的阳极与二极管阀组D2的阴极相连，且二极管阀组D1和二极管阀组D4、二极管阀组D3和二极管阀组D6以及二极管阀组D5和二极管阀组D2的连接点构成整流桥交流输入端子，并与三相变压器的二次侧端子分别相连；二极管阀组D1、二极管阀组D3和二极管阀组D5的阴极和高压直流端口的正极相连，二极管阀组D2、二极管阀组D4和二极管阀组D6的阳极和高压直流端口的负极相连。本发明中，所述变换器的另一个特点是有源桥臂在中压直流侧或者串联在交流侧，仅需承担中压直流电压或用于功率和电压调节的小电压。
该组直流变换器的不同特征在于：三相逆变桥中晶闸管阀组、有源桥臂以及电抗器的连接方式不同，具体如下：
1型直流变换器结构：
如图2所示，所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、晶闸管阀组Ta、晶闸管阀组Tb、晶闸管阀组Tc、电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc构成，其中：
所述晶闸管阀组Ta的阳极与电抗器La的一端相连，晶闸管阀组Ta的阴极与有源桥臂SLa的正极相连；
所述晶闸管阀组Tb的阳极与电抗器Lb的一端相连，晶闸管阀组Tb的阴极与有源桥臂SLb的正极相连；
所述晶闸管阀组Tc的阳极与电抗器Lc的一端相连，晶闸管阀组Tc的阴极与有源桥臂SLc的正极相连；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的另一端与中压直流的正极相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc的负极与中压直流的负极相连；
所述晶闸管阀组与有源桥臂的连接点构成逆变桥交流输出端子；
所述变换器有源桥臂SLa、变换器有源桥臂SLb和变换器有源桥臂SLc与晶闸管阀组Ta、晶闸管阀组Tb和晶闸管阀组Tc以及电抗器La、电抗器Lb电抗器和Lc位置可互换。
2型直流变换器结构：
如图3所示，所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T6构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连；
所述晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连；
所述晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连；
所述晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T5的阳极和中压直流端口的正极相连；
所述晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T4和晶闸管阀组T6的阴极和中压直流端口的负极相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc的负极构成逆变桥交流输出端子；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc采用全桥子模块级联而成，亦可置于三相变压器的二次侧。
3型直流变换器结构：
如图4所示，所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T6构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阳极与有源桥臂SLa1的负极相连，晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连，晶闸管阀组T4的阴极与有源桥臂SLa2的正极相连；
所述晶闸管阀组T3的阳极与有源桥臂SLb1的负极相连，晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连，晶闸管阀组T6的阴极与有源桥臂SLb2的正极相连；
所述晶闸管阀组T5的阳极与有源桥臂SLc1的负极相连，晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连，晶闸管阀组T2的阴极与有源桥臂SLc2的正极相连；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1和有源桥臂SLc1的正极与中压直流端口的正极相连；
所述有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2和有源桥臂SLc2的负极与中压直流端口的负极相连；
所述晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点构成逆变桥交流输出端子。
4型直流变换器结构：
如图5所示，所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5、晶闸管阀组T6、电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc以及中压直流输入电容C i1、中压直流输入电容C i2构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连；
所述晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连；
所述晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连；
所述晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T5的阳极和中压直流输入电容C i1的正极均与中压直流端口的正极相连；
所述晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T6的阴极和中压直流输入电容C i2的负极均与中压直流端口的负极相连；
所述中压直流输入电容C i1的负极与中压直流输入电容C i2的正极相连形成中点O；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的一端与中点O相连，电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc的另一端分别与有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的负极相连；
所述有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀T4、晶闸管阀T3和晶闸管阀T6、晶闸管阀T5和晶闸管阀T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀T4、晶闸管阀T3和晶闸管阀T6、晶闸管阀T5和晶闸管阀T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的负极构成逆变桥交流输出端子；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3和有源桥臂SLc3采用全桥子模块级联而成，有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc亦可置于三相变压器的二次侧。
5型直流变换器结构：
如图6所示，所述直流变换器的三相逆变桥由有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5、晶闸管阀组T6、电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc以及中压直流输入电容C i1、中压直流输入电容C i2构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阳极与有源桥臂SLa1的负极相连，晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连，晶闸管阀组T4的阴极与有源桥臂SLa2的正极相连；
所述晶闸管阀组T3的阳极与有源桥臂SLb1的负极相连，晶闸管阀组T3的的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连，晶闸管阀组T6的阴极与有源桥臂SLb2的正极相连；
所述晶闸管阀组T5的阳极与有源桥臂SLc1的负极相连，晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T的2阳极相连，晶闸管阀组T2的阴极与有源桥臂SLc2的正极相连；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1的正极和中压直流输入电容C i1的正极均与中压直流端口的正极相连；
所述有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2的负极和中压直流输入电容C i2的负极均与中压直流端口的负极相连；
所述中压直流输入电容C i1的负极与中压直流输入电容C i2的正极相连形成中点O；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的一端与中点O相连，电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc的另一端分别与有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的负极相连；
所述有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连，且构成逆变桥交流输出端子；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3均采用全桥子模块级联而成。
本发明公开的1型直流变换器~5型直流变换器的特点在于有源桥臂具有宽输出电压范围与灵活的电流控制能力，可主动实现电压调控和电流波形跟踪，并为晶闸管、二极管阀组提供零电压零电流的开通条件与反压关断条件；晶闸管、二极管阀组能在极低的电压、电流应力下开通与可靠的反压下关断。
本发明公开的1型直流变换器~5型直流变换器的另一个特点在于有源桥臂仅在中压直流侧或串联在交流侧，子模块数目少且主要在晶闸管换流的暂态过程中承担一定功率，子模块电容容量较小，并可协调控制三相电流波形交错，合成平滑的输入输出电流，无需在直流侧安装滤波器。
本发明公开的1型直流变换器~5型直流变换器的一种控制方法如图7所示，具体步骤如下：
步骤1：采用功率或者直流电压闭环控制，生成变压器电流幅值参考；
步骤2：采用有源桥臂能量平衡控制调节晶闸管阀组电流幅值，进而改变有源桥臂充放电电流大小使得有源桥臂子模块电容电压平均值等于电容电压参考值；
步骤3：将生成的变压器电流幅值与变压器电流基准波形相乘得到变压器电流参考，将晶闸管电流幅值与晶闸管换流基准波形相乘得到换流电流修正量；
步骤4：将变压器电流参考和换流电流修正量叠加得到有源桥臂电流参考，经桥臂电流反馈控制生成桥臂电压参考信号；
步骤5：由电流控制得到的桥臂电压参考信号将结合换流时序、PWM调制与子模块电容电压均衡控制，最终获得有源桥臂各子模块的IGBT驱动信号以及晶闸管阀组的触发信号。

Claims (7)

1.一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述高升压比直流变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：
所述三相变压器的一次绕组端子构成三相变压器的一次侧端子且与三相逆变桥的交流输出端子相连，三相变压器的二次绕组端子构成三相变压器的二次侧端子；
所述二极管不控整流桥由二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6组成；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6由二极管串联而成；
所述二极管阀组D1的阳极与二极管阀组D4的阴极相连，二极管阀组D3的阳极与二极管阀组D6的阴极相连，二极管阀组D5的阳极与二极管阀组D2的阴极相连，且二极管阀组D1和二极管阀组D4、二极管阀组D3和二极管阀组D6以及二极管阀组D5和二极管阀组D2的连接点构成整流桥交流输入端子，并与三相变压器的二次侧端子分别相连；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D3和二极管阀组D5的阴极和高压直流端口的正极相连，二极管阀组D2、二极管阀组D4和二极管阀组D6的阳极和高压直流端口的负极相连；
所述三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T6构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连；
所述晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连；
所述晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连；
所述晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T5的阳极和中压直流端口的正极相连；
所述晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T4和晶闸管阀组T6的阴极和中压直流端口的负极相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc的负极构成逆变桥交流输出端子。
2.根据权利要求1所述的用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb和有源桥臂SLc采用全桥子模块级联而成。
3.一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述高升压比直流变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：
所述三相变压器的一次绕组端子构成三相变压器的一次侧端子且与三相逆变桥的交流输出端子相连，三相变压器的二次绕组端子构成三相变压器的二次侧端子；
所述二极管不控整流桥由二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6组成；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6由二极管串联而成；
所述二极管阀组D1的阳极与二极管阀组D4的阴极相连，二极管阀组D3的阳极与二极管阀组D6的阴极相连，二极管阀组D5的阳极与二极管阀组D2的阴极相连，且二极管阀组D1和二极管阀组D4、二极管阀组D3和二极管阀组D6以及二极管阀组D5和二极管阀组D2的连接点构成整流桥交流输入端子，并与三相变压器的二次侧端子分别相连；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D3和二极管阀组D5的阴极和高压直流端口的正极相连，二极管阀组D2、二极管阀组D4和二极管阀组D6的阳极和高压直流端口的负极相连；
所述三相逆变桥由有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T6构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阳极与有源桥臂SLa1的负极相连，晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连，晶闸管阀组T4的阴极与有源桥臂SLa2的正极相连；
所述晶闸管阀组T3的阳极与有源桥臂SLb1的负极相连，晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连，晶闸管阀组T6的阴极与有源桥臂SLb2的正极相连；
所述晶闸管阀组T5的阳极与有源桥臂SLc1的负极相连，晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连，晶闸管阀组T2的阴极与有源桥臂SLc2的正极相连；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1和有源桥臂SLc1的正极与中压直流端口的正极相连；
所述有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2和有源桥臂SLc2的负极与中压直流端口的负极相连；
所述晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点构成逆变桥交流输出端子。
4.一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述高升压比直流变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：
所述三相变压器的一次绕组端子构成三相变压器的一次侧端子且与三相逆变桥的交流输出端子相连，三相变压器的二次绕组端子构成三相变压器的二次侧端子；
所述二极管不控整流桥由二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6组成；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6由二极管串联而成；
所述二极管阀组D1的阳极与二极管阀组D4的阴极相连，二极管阀组D3的阳极与二极管阀组D6的阴极相连，二极管阀组D5的阳极与二极管阀组D2的阴极相连，且二极管阀组D1和二极管阀组D4、二极管阀组D3和二极管阀组D6以及二极管阀组D5和二极管阀组D2的连接点构成整流桥交流输入端子，并与三相变压器的二次侧端子分别相连；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D3和二极管阀组D5的阴极和高压直流端口的正极相连，二极管阀组D2、二极管阀组D4和二极管阀组D6的阳极和高压直流端口的负极相连；
所述三相逆变桥由有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5、晶闸管阀组T6、电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc以及中压直流输入电容C i1、中压直流输入电容C i2构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连；
所述晶闸管阀组T3的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连；
所述晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T2的阳极相连；
所述晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T5的阳极和中压直流输入电容C i1的正极均与中压直流端口的正极相连；
所述晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T6的阴极和中压直流输入电容C i2的负极均与中压直流端口的负极相连；
所述中压直流输入电容C i1的负极与中压直流输入电容C i2的正极相连形成中点O；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的一端与中点O相连，电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc的另一端分别与有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的负极相连；
所述有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连；
所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc的负极构成逆变桥交流输出端子。
5.根据权利要求4所述的用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述有源桥臂SLa、有源桥臂SLb、有源桥臂SLc、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3和有源桥臂SLc3采用全桥子模块级联而成。
6.一种用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述高升压比直流变换器由三相逆变桥、三相变压器和二极管不控整流桥级联而成，其中：
所述三相变压器的一次绕组端子构成三相变压器的一次侧端子且与三相逆变桥的交流输出端子相连，三相变压器的二次绕组端子构成三相变压器的二次侧端子；
所述二极管不控整流桥由二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6组成；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D2、二极管阀组D3、二极管阀组D4、二极管阀组D5、二极管阀组D6由二极管串联而成；
所述二极管阀组D1的阳极与二极管阀组D4的阴极相连，二极管阀组D3的阳极与二极管阀组D6的阴极相连，二极管阀组D5的阳极与二极管阀组D2的阴极相连，且二极管阀组D1和二极管阀组D4、二极管阀组D3和二极管阀组D6以及二极管阀组D5和二极管阀组D2的连接点构成整流桥交流输入端子，并与三相变压器的二次侧端子分别相连；
所述二极管阀组D1、二极管阀组D3和二极管阀组D5的阴极和高压直流端口的正极相连，二极管阀组D2、二极管阀组D4和二极管阀组D6的阳极和高压直流端口的负极相连；
所述三相逆变桥由有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3、晶闸管阀组T1、晶闸管阀组T2、晶闸管阀组T3、晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T5、晶闸管阀组T6、电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc以及中压直流输入电容C i1、中压直流输入电容C i2构成，其中：
所述晶闸管阀组T1的阳极与有源桥臂SLa1的负极相连，晶闸管阀组T1的阴极与晶闸管阀组T4的阳极相连，晶闸管阀组T4的阴极与有源桥臂SLa2的正极相连；
所述晶闸管阀组T3的阳极与有源桥臂SLb1的负极相连，晶闸管阀组T3的的阴极与晶闸管阀组T6的阳极相连，晶闸管阀组T6的阴极与有源桥臂SLb2的正极相连；
所述晶闸管阀组T5的阳极与有源桥臂SLc1的负极相连，晶闸管阀组T5的阴极与晶闸管阀组T的2阳极相连，晶闸管阀组T2的阴极与有源桥臂SLc2的正极相连；
所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1的正极和中压直流输入电容C i1的正极均与中压直流端口的正极相连；
所述有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2的负极和中压直流输入电容C i2的负极均与中压直流端口的负极相连；
所述中压直流输入电容C i1的负极与中压直流输入电容C i2的正极相连形成中点O；
所述电抗器La、电抗器Lb和电抗器Lc的一端与中点O相连，电抗器La、电抗器Lb、电抗器Lc的另一端分别与有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的负极相连；
所述有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3的正极分别与晶闸管阀组T1和晶闸管阀组T4、晶闸管阀组T3和晶闸管阀组T6、晶闸管阀组T5和晶闸管阀组T2的连接点相连，且构成逆变桥交流输出端子。
7.根据权利要求6所述的用于大规模海上风电直流送出的高升压比直流变换器，其特征在于所述有源桥臂SLa1、有源桥臂SLb1、有源桥臂SLc1、有源桥臂SLa2、有源桥臂SLb2、有源桥臂SLc2、有源桥臂SLa3、有源桥臂SLb3、有源桥臂SLc3均采用全桥子模块级联而成。
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