模块化多电平中低压直流变压器关键技术研究

摘要

新能源的大规模利用、网侧负荷结构的变化以及电力电子换流技术的快速发展，使得直流电网的优势日益凸显。目前，产学界已对直流电网的稳定性、故障保护、网络拓扑结构等问题展开研究，并已报道了诸多直流电网的试点工程。为了实现不同电网之间的高效互联以及电能的智能管理，直流变压器的研究在国内外得到广泛关注，并成为电工技术研究的热点之一，因此本文围绕着中低压直流变压器应用中的若干关键问题开展了深入研究和探讨。
　　相比于硅基IGBT，碳化硅MOSFET开关损耗低，速度快，应用在直流变压器中，可将隔离频率推高到声频范围以上，大幅度降低噪音，并提高变流器性能。为了利用碳化硅MOSFET的寄生二极管作电路中的续流二极管，以降低成本和器件封装难度，本文从关断电压、关断电流、电流变化率和结温四个方面系统地评估了其寄生二极管的反向恢复特性，并跟碳化硅肖特基二极管和硅基p-i-n二极管进行了对比分析。
　　针对直流变压器的应用，产学界已开展了诸多研究。受限于功率半导体器件的电压等级，目前直流变压器的解决方案中常采用多个高频变压器实现不同电网间的电气隔离和电压匹配，造成变压器加工成本高、整机体积大等问题，影响了直流变压器的工程应用前景。针对上述不足，本文针对中低压直流变压器应用提出了一种隔离型能量双向流动的模块化多电平DC/DC电路结构，实现了中压直流和低压直流间的转换。该结构中压侧采用模块化级联的方式构成高压换流阀，克服了功率半导体器件耐压不足的问题，而后借助一个双绕组的高频变压器实现电气隔离和电压转换。模块化的结构有利于批量生产和成本控制，同时电压调制自由度高，控制灵活。单个变压器容量大，结构简单，有利于降低变压器体积和加工成本。为了实现输出功率的连续调节和级联模块的电压均衡，本文提出了一种双移相的控制策略。通过原副边电压的移相控制实现输出功率的调节，有效利用了变压器漏感能量，同时实现了器件的软开关，降低了开关损耗。通过级联模块输出电压间的移相控制保证了各模块之间的电压均衡，控制简单，并且在不增加开关频率的情况下，各模块电压实现快速均衡。本文设计制作了基于碳化硅器件的实验样机，对所提出的电路结构和控制策略进行了验证分析。
　　在双移相控制下，为了简化各模块间的电压均衡控制，变流器的电压增益须小于一个临界值，压缩了变流器的优化空间。为了克服该电压增益受限的问题，同时具有双移相控制的诸多优点，本文提出了一种占空比控制的均压策略。变流器的输出功率仍通过变压器原副边电压的移相角控制，但级联模块输出电压的占空比不再恒定在50％，而是进行了占空比调制，以此来调节模块电容的充放电状态，实现各模块间的电压均衡。该控制策略下，变流器的电压增益不再受限，各模块电压同样实现了快速均衡。
　　本文在单相结构的基础上提出了多相结构模块化多电平DC/DC电路拓扑，并重点分析了三相结构的模块化多电平DC/DC变流器，同时跟单相结构进行了对比分析。多相结构模块化多电平DC/DC变流器中，器件电流应力低、输出滤波器体积小、循环功率小、dv/dt显著降低，拓展了所提变流器的功率等级和应用范围。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 直流变压器的研究背景和意义

1．1．1 直流变压器在直流微电网并网中的应用

1．1．2 直流变压器在直流配电网中的应用

1．2 直流变压器的研究现状及关键技术

1．2．1 基于ISOP结构的直流变压器研究

1．2．2 基于超高压器件的直流变压器研究

1．2．3 基于模块化多电平换流阀的直流变压器研究

1．3 本文的选题意义及主要研究内容

第二章 碳化硅MOSFET寄生二极管特性研究

2．1 引言

2．2 开关过程分析

2．3 双脉冲测试平台

2．4 SiC MOSEFT寄生二极管反向恢复特性分析

2．4．1 关断电压对SiC MOSEFT寄生二极管的影响

2．4．2 关断电流对SiC MOSEFT寄生二极管的影响

2．4．3 电流变化率对SiC MOSEFT寄生二极管的影响

2．4．4 器件结温对SiC MOSEFT寄生二极管的影响

2．5 SiC MOSEFT寄生二极管特性比较

2．5．1 跟SiC肖特基二极管比较分析

2．5．2 跟硅p-i-n二极管比较分析

2．6 本章小结

第三章 单相结构模块化多电平DC／DC变流器研究

3．1 引言

3．2 单相结构模块化多电平DC／DC变流器电路拓扑

3．3 双移相控制的模块化多电平DC／DC交流器研究

3．3．1 工作原理

3．3．2 级联模块电压均衡控制

3．3．3 双移相控制对模块电容的影响

3．3．4 功率器件软开关特性分析

3．3．5 器件电流分析

3．3．6 磁元件设计

3．3．7 仿真验证

3．3．8 实验验证

3．4 占空比控制实现均压的模块化多电平DC／DC变流器研究

3．4．1 电压调制及工作原理

3．4．2 电压均衡控制

3．4．3 仿真验证

3．4．4 实验验证

3．5 本章小结

第四章 多相结构模块化多电平DC／DC交流器研究

4．1 引言

4．2 拓扑结构及工作原理

4．2．1 拓扑结构

4．2．2 工作原理

4．3 模块电压均衡控制

4．4 仿真验证

4．5 实验验证

4．6 三相结构跟单相结构对比分析

4．6．1 器件电流应力

4．6．2 模块电容

4．6．3 输出滤波电容

4．6．4 循环功率

4．6．5 变压器绕组两端dv／dt

4．6．6 三相结构跟单相结构对比小结

4．7 多电平电压调制讨论

4．8 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 课题展望

参考文献

攻读博士学位期间研究成果