超導儲能用雙向三電平軟開關dc/dc及其電壓側脈寬控制方法
2024-03-07 02:48:15 1
專利名稱：超導儲能用雙向三電平軟開關dc/dc及其電壓側脈寬控制方法
技術領域：
本發明涉及一種超導儲能用的直流變換器及其控制方法，特別涉及一種超導儲能用雙向三電平軟開關DC/DC及其控制方法。
背景技術：
近年來，隨著超導材料技術的發展，超導材料在電力領域的運用越來越得到人們的關注與重視，世界各國紛紛開展超導電力技術的研究。其中超導儲能技術由於能實現脈衝能量調節、電力系統穩定控制等多方面的功能而倍受人們的關注，成為目前唯一商業化的超導電力技術。超導儲能技術一般分為電壓源型和電流源型兩種類型，其中電壓源型和電流源型相比，技術更為成熟，從而成為超導儲能系統的主流選擇。在電壓源型超導儲能裝置中，需要用DC/DC對超導磁體進行充放電。目前常用的DC/DC技術要麼是需要充放電設備各一套，如美國專利US005159261「採用充電和放電DC/DC的超導儲能穩定裝置」；要麼採用一套裝置同時實現充放電的功能，如美國專利US005661646「採用不同相角的多重化DC/DC斬波器」和美國專利US004695932「超導儲能電路」。這些專利雖然採用的拓撲結構不一樣，但是都沒有解決兩個關鍵的問題1、開關管的軟開關問題。這些DC/DC都是通過硬開關來實現超導磁體的充放電，開關管開關應力大，損耗大，不僅大大縮短了開關管的壽命，而且降低了系統的工作效率。2、直流電壓端電壓低，且只有一個直流端電壓接口，無法與先進的多電平電壓源逆變器相連。附
圖1為美國專利US004695932「超導儲能電路」的拓撲結構圖，其中10為用於超導磁體充放電的DC/DC斬波器。它通過開關管17a和17b的硬開關來實現對超導磁體的充放電，開關管的應力大，損耗也大；同時，它只有一個直流端電壓接口，如圖中所示的電容9兩端所提供的直流電壓接口，為了減小諧波，它只能通過採用多重化的形式的電壓源換流器與高壓電力系統相連。而多重化的電壓源換流器需要使用多個體積龐大，價格昂貴的工頻變壓器。不僅大大增大了系統的體積，還大大增加了系統的成本。工頻變壓器的體積和成本都佔到整個系統的40％以上。
發明內容
為了克服已有技術的不足，本發明提供了一種可以實現能量雙向流動的三電平DC/DC，它能靈活地工作在二電平和三電平狀態，從而減少電感電流的紋波，而且還能實現電流單元全部開關管的零電流開關，電壓單元全部開關管的零電壓開關，提高了工作的效率。並且，通過採用變壓器降壓，使得電流單元可以採用電壓容量低而電流容量大的開關器件，提高了電流單元的通流能力，從而有效地提高了超導磁體的儲能量。由於它的電壓側有兩個獨立的直流電壓埠，所以可以和三電平的逆變器直接相連，而三電平逆變器技術已經非常成熟，能夠廣泛適應於中高壓電力系統，從而避免了使用多個工頻變壓器與高壓電力系統相連，極大地降低了成本和體積。
本發明的拓撲結構由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。電壓單元為帶中點箝位二極體的兩個三電平半橋組成，三電平半橋的最上端和最下端的開關管並聯電容，中間兩個開關管不並聯電容。或者也可以在所有的開關管上都並聯電容。其中上下兩個開關管的電容值遠大於中間兩個開關管電容值10倍以上。電容的取值可視軟開關的需要而定。兩個三電平半橋的中點和箝位二極體的中點都與兩個分壓電容器的中點相連。電流單元的結構根據變壓器單元而定。若為普通變壓器，副邊為全橋形式的電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為全波形式的電流源逆變器。為了提高功率密度，變壓器可用高頻變壓器。
本發明的控制方法通過控制原邊逆變器輸出的脈寬控制能量傳輸的大小，而通過控制副邊電流源換流器換相的位置來控制充放電，若在原邊逆變器輸出脈寬的前沿換相，則變換器充電，若在後沿換相則變換器放電。它可以工作在二電平和三電平模式，副邊電流紋波小，可大大減小濾波電路的大小和超導磁體的交流損耗。同時，通過控制變壓器原邊三電平橋臂輸出的正負向電壓脈寬的相對大小，還可以解決三電平橋臂中點電壓不平衡的問題。
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
圖1為現有技術美國專利US004695932的原理圖。
圖2為本發明的一個典型的拓撲結構原理圖。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為開關管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為電流只能單相流動的開關或者是雙向流動的開關與二極體相串聯的組合，L超導磁體。
圖3為本發明的實施例1。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。
圖4為本發明的實施例2。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。
圖5為本發明的實施例3。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、P10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極體，L為超導磁體。
圖6為本發明的實施例4。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極體，L為超導磁體。
圖7為在二電平模式下的充電時序圖。
圖8為在三電平模式下的充電時序圖。
圖9為在二電平模式下的放電時序圖。
圖10為在三電平模式下的放電時序圖。
圖11為電流單元半控型開關與全控型開關觸發脈衝對比圖。
圖12為在充電模式下分壓電容電壓不平衡控制原理圖。
圖13為在放電模式下分壓電容電壓不平衡控制原理圖。
具體實施例方式
圖2為本發明的一個典型的拓撲結構原理圖。它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。其電壓單元由兩個三電平橋臂組成。開關管Q1-Q4和鉗位二極體D9、D10組成其中一個三電平橋臂。開關管Q1-Q4頭尾相連，開關管Q1反並聯二極體D1，並與電容器C1並聯，開關管Q4反並聯二極體D4，並與電容器C4並聯。開關管Q2反並聯二極體D2，開關管Q3反並聯二極體D3。開關管Q1、Q2的中點與鉗位二極體D9的陰極相連，開關管Q3、Q4的中點與鉗位二極體D10的陽極相連。D9的陽極與D10的陰極相連，其中點與分壓電容Cd1、Cd2的中點相連。開關管Q5-Q8和鉗位二極體D11、D12組成其中另一個三電平橋臂。開關管Q5-Q8頭尾相連，開關管Q5反並聯二極體D5，並與電容器C5並聯，開關管Q8反並聯二極體D8，並與電容器C8並聯。開關管Q6反並聯二極體D6，開關管Q7反並聯二極體D7。開關管Q5、Q6的中點與鉗位二極體D11的陰極相連，開關管Q7、Q8的中點與鉗位二極體D12的陽極相連。D11的陽極與D12的陰極相連，其中點與分壓電容Cd1、Cd2的中點相連。兩個三電平橋臂與兩個串聯分壓電容Cd1、Cd2並聯。兩個三電平橋臂的中點A、B與變壓器原邊繞組的兩端相連。變壓器單元為副邊帶中間抽頭的變壓器。其電流單元為由開關T1、T2組成的電流源換流器。T1、T2的一端與變壓器副邊的兩端相連，另一端相互連接，並與超導磁體L的一端相連，超導磁體L的另一端與變壓器的中間抽頭相連。其中三電平橋臂中間兩個開關管[Q2]、[Q3]、[Q6]、[Q7]也可以並聯電容器[C2]、[C3]、[C6]、[C7]，其電容值遠小於上下兩個開關管[Q1]、[Q4]、[Q5]、[Q8]的並聯電容[C1]、[C4]、[C5]、[C8]十倍以上。
圖3為本發明的實施例1。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。其連接方式與圖2完全相同，只是用相應的實際開關代替理想開關。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖4為本發明的實施例2。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。其電壓單元的連接方式與圖2完全相同。其變壓器單元為普通變壓器，變壓器的原邊與三電平橋臂的兩個中點相連，變壓器的副邊與電流單元的交流電流端相連。其電流單元為由晶閘管T1-T4組成的電流源換流器。T1的陽極與T3的陰極相連，構成其中一個橋臂，T2的陽極與T4的陰極相連，構成其中另一個橋臂，兩個橋臂相互並聯，並與超導磁體L並聯。兩個橋臂的中點與變壓器副邊的兩端相連。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖5為本發明的實施例3。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極體，L為超導磁體。其連接方式與圖3完全相同。它用IGBT與二極體相互連接作為一個整體，來代替圖3中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極體可為MDN 600C20。
圖6為本發明的實施例4。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極體，C1、C4、C5、C8為相應開關管上的並聯電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極體，L為超導磁體。其連接方式與圖4完全相同。它用IGBT與二極體相互連接作為一個整體，來代替圖4中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極體可為MDN 600C20。
本發明的具體工作原理和過程如下
本發明可工作在充電和放電兩種狀態。充電和放電都可工作在二電平和三電平兩種模式。
在2電平模式中，本發明變換器在一個開關周期共有16種開關模態，分別對應於[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]，[t14，t15]，[t15，t16]，如圖7所示。其中[t0，t8]為前半周期，[t8，t16]為後半周期。下面結合圖2(設其中電流單元的開關器件為晶閘管等半控型開關)，詳細描述其工作過程，其中UA0為第一個三電平橋臂的輸出端A對兩個分壓電容器中點0的電壓，UB0為第二個三電平橋臂的輸出端B對兩個分壓電容器中點0的電壓。UAB為兩個橋臂輸出端的電壓。IP為流過變壓器原邊的電流。另設變壓器的變比為n(Np/Ns)，Uo為副邊可控整流電路的輸出電壓。
開關模態1(對應於[t0，t1]其中Cs2，Cs3，Cs6，Cs7分別為開關管Q2、Q3、Q6、Q7的寄生電容，其值遠小於並聯電容的值)。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3關斷，由於有Cs3，所以是零電壓關斷。關斷後，電流IP給Cs3充電，C1放電，充放電結束後，C1上的電壓為零。IP的流向為0-D11-Q6-B-A-D2-D1。
開關模態2(對應於[t1，t2])。t1時刻，開通Q1，同時給T1施加觸發脈衝，由於C1上的電壓為零，所以是零電壓開通。給T1施加觸發脈衝後，由於T1兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T1開通，由於變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態3(對應於[t2，t3])。t2時刻，Q1關斷，由於Q1兩端有電容C1，所以是零電壓關斷。Q1關斷後，IP給C1充電，Cs3放電，充放電過程結束後，C1兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs3兩端的電壓接近於零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關模態4(對應於[t3，t4)。t3時刻，開通Q3，由於Cs3兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
開關模態5(對應於[t4，t5])。t4時刻，Q7關斷，IP給Cs7充電，給C5放電，充放電過程結束後，C5兩端的電壓為零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-D6-D5。
開關模態6(對應於[t5，t6)。t5時刻Q5開通，並給T2觸發信號。由於C5上的電壓為零，所以是零電壓開通。給T2施加觸發脈衝後，由於T2兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T2開通，由於變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態7(對應於[t6，t7])。t6時刻Q5關斷IP給C5充電，Cs7放電，充放電過程結束後，C5上的電壓等於分壓電容Cd1上的電壓，Cs7上的電壓接近於零。IP的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關模態8(對應於[t7，t8])，t7時刻Q7開通，由於Cs7上的電壓接近於零，所以是零電壓開通。
以上為兩電平模式下，超導磁體充電的上半周期的開關過程，從開關過程可以看出，它實現了完全的軟開關，下半周的開關過程與上半周相似，這裡不再贅述。
在3電平模式中，本發明變換器在一個開關周期共有24種開關模態，分別對應於[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]，[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]、[t18，t19]、[t19，t20]、[t20，t21]、[t21，t22]、[t22，t23]、[t23，t24]，如圖8所示。其中[t0，t12]為前半周期，[t12，t24]為後半周期。下面結合圖2，詳細描述其工作過程。
開關模態1(對應於[t0，t1])。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3、Q6關斷，電流IP給Cs3、Cs6充電，C1、C8放電，充放電結束後，IP的流向為D8-D7-B-A-D2-D1。由於IP流經Q1、Q2的反並聯二級管回到電源正端，Q1上的電壓為零，同理Q8上的電壓也為零。
開關模態2(對應於[t1，t2])。t1時刻，開通Q1、Q8，同時給T1施加觸發脈衝，由於Q1、Q8上的電壓為零，並且有電容C1、C8，所以是零電壓開通。給T1施加觸發脈衝後，由於T1兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T1開通，由於變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態3(對應於[t2，t3])。t3時刻Q8關斷，IP給C8充電，Cs6放電，充放電過程結束後，Cs6兩端的電壓接近於零，C8兩端的電壓為分壓電容Cd2兩端的電壓，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關模態4(對應於[t3，t4])。t3時刻，Q6開通，由於Cs6兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。IP的流向與開關模態3相同。
開關模態5(對應於[t4，t5])。t4時刻，Q1關斷，由於有C1所以是零電壓關斷，C1關斷後，IP給C1充電，Cs3放電，充放電過程結束後，C1兩端的電壓等於分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs3兩端的電壓接近於零。IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關模態6(對應於[t5，t6])。t5時刻，Q3開通，由於Cs3上的電壓接近於零，所以是零電壓開通。IP的流向不變。
開關模態7(對應於[t6，t7])。t6時刻，Q2、Q7關斷，由於有Cs2、Cs7，所以是零電壓關斷。IP給Cs2、Cs7充電，C4、C5放電，充放電過程結束後，Cs2、Cs7兩端的電壓分別等於分壓電容Cd2、Cd1兩端的電壓，C4、C5兩端的電壓等於零。IP的流向為D4-D3-A-B-D6-D5。
開關模態8(對應於[t7，t8])。t7時刻，Q4、Q5開通，同時給T2施加觸發脈衝，因為Q4、Q5上的電壓為零，且有C4、C5，所以是零電壓開通。給T2施加觸發脈衝後，由於T2兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T2開通，由於變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-Q4。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態9(對應於[t8，t9])。t8時刻，Q4關斷，由於有C4所以是零電壓關斷。IP給C4充電，Cs2放電，充放電過程結束後，C4兩端的電壓等於Cd2兩端的電壓，Cs2兩端的電壓接近於零。IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關模態10(對應於[t9，t10])。t9時刻，Q2開通，由於Cs2兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。IP的流向不變。
開關模態11(對應於[t10，t11])。t10時刻，Q5關斷，由於有C5，所以是零電壓關斷，IP給C5充電，Cs7放電。充放電過程結束後C5兩端的電壓等於分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs7兩端的電壓接近於零。Ip的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關模態12(對應於[t11，t12])。t11時刻，Q7開通，由於Cs7兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。
以上為三電平模式下超導磁體充電的上半周期的開關過程，從開關過程可以看出，它實現了完全的軟開關，下半周的開關過程與上半周相似，這裡不再贅述。
放電也可以工作在2L和3L模式，下面分別對這兩種模式進行詳細描述。
在2電平模式中，本發明變換器在一個開關周期共有20種開關模態，分別對應於[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]，[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]、[t18，t19]、[t19，t20]，如圖9所示，其中[t0，t10]為上半周期，[t10，t20]為下半周期，下面結合圖2，詳細描述其工作過程。
開關模態1(對應於[t0，t1])。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3關斷，電流IP給Cs3充電，C1放電，充放電結束後，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-D2-D1。由於IP流經Q1、Q2的反並聯二級管回到電源正端，C1上的電壓為零，此時Uo上的電壓為負，超導磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導磁體放電。
開關模態2(對應於[t1，t2])。t1時刻，開通Q1，由於C1上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓仍為負，超導磁體繼續放電。
開關模態3(對應於[t2，t3])。t2時刻，給T1觸發信號，由於T1兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T1開通，由於變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態4(對應於[t3，t4])。t3時刻，Q1關斷，由於Q1兩端有電容C1，所以是零電壓關斷。Q1關斷後，IP給C1充電，Cs3放電，充放電過程結束後，C1兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs3兩端的電壓接近於零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關模態5(對應於[t4，t5])。t4時刻，開通Q3，由於Cs3兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
開關模態6(對應於[t5，t6])。t5時刻，Q7關斷，IP給Cs7充電，給C5放電，充放電過程結束後，Cs7兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，C5兩端的電壓為零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-D6-D5，此時Uo上的電壓為負，超導磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導磁體放電。
開關模態7(對應於[t6，t7])。t6時刻，開通Q5，由於C5兩端的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。Uo上的電壓仍為負，超導磁體繼續放電。
開關模態8(對應於[t7，t8])。t7時刻，給T2觸發信號，由於T2兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T2開通，由於變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態9(對應於[t8，t9])。t8時刻，Q5關斷，由於Q5兩端有電容C5，所以是零電壓關斷。Q5關斷後，IP給C5充電，Cs7放電，充放電過程結束後，C5兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs7兩端的電壓接近於零，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關模態10(對應於[t9，t10])。t9時刻，開通Q7，由於Cs7兩端的電壓接近零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
以上為2電平模式下超導磁體放電的上半周期的開關過程，從開關過程可以看出，它實現了完全的軟開關，下半周的開關過程與上半周相似，這裡不再贅述。
在三電平模式中，本發明變換器在一個開關周期共有28種開關模態，分別對應於[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]，[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]、[t18，t19]、[t19，t20]、[t20，t21]、[t21，t22]、[t22，t23]、[t23，t24]、[t24，t25]、[t25，t26]、[t26，t27]、[t27，t28]，如圖10所示。其中[t0，t14]為前半周期，[t14，t28]為後半周期。下面結合圖2，詳細描述其工作過程。
開關模態1(對應於[t0，t1])。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3關斷，電流IP給Cs3充電，C1放電，充放電結束後，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-D2-D1。由於IP流經Q1、Q2的反並聯二級管回到電源正端，C1上的電壓為零，此時Uo上的電壓為負，超導磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導磁體放電。
開關模態2(對應於[t1，t2])。t1時刻，開通Q1，由於C1上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓仍為負，超導磁體繼續放電。
開關模態3(對應於[t2，t3])。t2時刻，關斷Q6，由於Q6上有寄生電容Cs6，所以是零電壓關斷，IP給Cs6充電，C8放電，充放電過程結束後，Cs6上的電壓等於分壓電容Cd2上的電壓，C8上的電壓等於零，IP的流向為D8-D7-B-A-D2-D1，若兩個分壓電容上的電壓平衡，Uo上的電壓為開關模態2時的兩倍，超導磁體放電的速度加快。
開關模態4(對應於[t3，t4])。t3時刻，開通Q8，由於C8上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓與上個開關模態相同，超導磁體繼續放電。
開關模態5(對應於[t4，t5])。t4時刻，T1觸發信號，由於T1兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T1開通，由於變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態6(對應於[t5，t6])。t5時刻，Q1、Q8關斷，由於Q1、Q8兩端有電容C1、C8，所以是零電壓關斷。Q1、Q8關斷後，IP給C1、C8充電，Cs3、Cs6放電，充放電過程結束後，C1兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，C8兩端的電壓等於分壓電容Cd2兩端的電壓，Cs3、Cs6兩端的電壓接近於零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關模態7(對應於[t6，t7])。t6時刻，開通Q3、Q6，由於Cs3、Cs6兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
開關模態8(對應於[t7，t8])。t7時刻，Q7關斷，IP給Cs7充電，給C5放電，充放電過程結束後，Cs7兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，C5兩端的電壓為零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-D6-D5，此時Uo上的電壓為負，超導磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導磁體放電。
開關模態9(對應於[t8，t9])。t8時刻，開通Q5，由於C5兩端的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。Uo上的電壓仍為負，超導磁體繼續放電。
開關模態10(對應於[t9，t10])。t9時刻，關斷Q2，由於Q2上有寄生電容Cs2，所以是零電壓關斷，IP給Cs2充電，C4放電，充放電過程結束後，Cs2上的電壓等於分壓電容Cd2上的電壓，C4上的電壓等於零，IP的流向為D4-D3-A-B-D6-D5，若兩個分壓電容上的電壓平衡，Uo上的電壓為開關模態2時的兩倍，超導磁體放電的速度加快。
開關模態11(對應於[t10，t11])。t10時刻，開通Q4，由於C4上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓與上個開關模態相同，超導磁體繼續放電。
開關模態12(對應於[t11，t12])。t11時刻，給T2觸發信號，由於T2兩端承受正電壓，在觸發脈衝的作用下，T2開通，由於變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關斷，從而實現了零電流關斷。整個開關過程結束後，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-Q4。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。
開關模態13(對應於[t12，t13])。t12時刻，Q4、Q5關斷，由於Q4、Q5兩端有電容C4、C5，所以是零電壓關斷。Q4、Q5關斷後，IP給C4、C5充電，Cs2、Cs7放電，充放電過程結束後，C4、C5兩端的電壓分別為分壓電容Cd2、Cd1兩端的電壓，Cs2、Cs7兩端的電壓接近於零，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關模態14(對應於[t13，t14])。t13時刻，開通Q2、Q7，由於Cs2、Cs7兩端的電壓接近於零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
以上為三電平模式下超導磁體放電的上半周期的開關過程，從開關過程可以看出，它實現了完全的軟開關，下半周的開關過程與上半周相似，這裡不再贅述。
從整個充放電的過程可以看出，這種超導儲能用的雙向三電平DC/DC能夠完全實現軟開關，具有非常高的工作效率。
以上為電流單元採用半控型器件如晶閘管的工作原理。對於電流單元採用全控型開關與二極體串聯的形式，其控制方法幾乎完全相同，唯一不同的是電流單元的觸發脈衝，兩者脈衝對比如圖11所示。其中T1、T2為半控型開關的觸發脈衝，S1、S2為全控型開關的觸發脈衝。對於半控型開關，t0時刻，給T1觸發脈衝，此時加在T1上的電壓大於零，由於變壓器有漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1零電流開通，而加在T2上的電壓小於零，流過T2的電流逐漸減小，T2過零關斷，實現零電流關斷。對於全控型開關，t0時刻，給S1觸發脈衝，此時加在S1上的電壓大於零，由於變壓器有漏感，流過S1的電流逐漸增加，S1零電流開通，而加在S2上的電壓小於零，流過S2的電流逐漸減小到零，當S2減小到零後，t1時刻，關斷S2，從而實現零電流關斷。
中點不平衡問題是所以三電平DC/DC必須解決的問題，本發明也不例外。本發明提供一種通過改變兩個三電平橋臂中點輸出電壓正負脈寬的相對大小來控制中點不平衡的方法。設分壓電容Cd1上的電壓大於分壓電容Cd2的電壓。如圖12所示，在充電時，使正向脈寬大於負向脈寬，這樣流出分壓電容Cd1的電流Icd1大於流入的電流，Cd1的電壓Ucd1下降；而流入分壓電容Cd2的電流Icd2大於流出的電流，Cd2的電壓Ucd2上升，流出兩個分壓電容Cd1、Cd2中點電流Io的平均值小於零。Cd1和Cd2上的電壓趨於相等。如圖13所示，在放電時，由於原邊電流的流向相反，在放電時，使正向脈寬小於負向脈寬，這樣流入分壓電容Cd1的電流Icd1小於流入分壓電容Cd2的電流Icd2，Cd1的電壓Ucd1相對Cd2減小，流出兩個分壓電容Cd1、Cd2中點電流Io的平均值小於零。Cd1和Cd2上的電壓趨於相等。需要特別說明的是，中點不平衡的控制並不局限於縮短正向或負向脈寬，也可以通過增加脈寬的方式，總而言之，就是通過控制正負向電壓脈寬的相對大小來控制中點電壓的不平衡。通過這種方式，中點不平衡的問題就能得以解決。
權利要求
1.超導儲能用雙向三電平軟開關DC/DC，其特徵在於它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成；電壓單元由兩個三電平橋臂組成；開關管[Q1-Q4]和鉗位二極體[D9]、[D10]組成其中一個三電平橋臂；開關管[Q1-Q4]頭尾相連；開關管[Q1]反並聯二極體[D1]，並與電容器[C1]並聯，開關管[Q4]反並聯二極體[D4]、並與電容器[C4]並聯，開關管[Q2]反並聯二極體[D2]，開關管[Q3]反並聯二極體[D3]；開關管[Q1]、[Q2]的中點與鉗位二極體[D9]的陰極相連，開關管[Q3]、[Q4]的中點與鉗位二極體[D10]的陽極相連；[D9]的陽極與[D10]的陰極相連，其中點與分壓電容[Cd1]、[Cd2]的中點相連；開關管[Q5-Q8]和鉗位二極體[D11]、[D12]組成其中另一個三電平橋臂；開關管[Q5-Q8]頭尾相連，開關管[Q5]反並聯二極體[D5]，並與電容器[C5]並聯，開關管[Q8]反並聯二極體[D8]，並與電容器[C8]並聯，開關管[Q6]反並聯二極體[D6]、開關管[Q7]反並聯二極體[D7]；開關管[Q5]、[Q6]的中點與鉗位二極體[D11]的陰極相連，開關管[Q7]、[Q8]的中點與鉗位二極體[D12]的陽極相連；鉗位二極體[D11]的陽極與[D12]的陰極相連，其中點與分壓電容[Cd1]、[Cd2]的中點相連；兩個三電平橋臂與兩個串聯分壓電容[Cd1]、[Cd2]並聯；兩個三電平橋臂的中點A、B與變壓器原邊繞組的兩端相連；變壓器單元若為副邊帶中間抽頭的變壓器，其電流單元為由開關[T1]、[T2]組成的電流源換流器；開關[T1]、[T2]的一端與變壓器副邊的兩端相連，另一端相互連接，並與超導磁體[L]的一端相連，超導磁體[L]的另一端與變壓器的中間抽頭相連；其中三電平橋臂中間兩個開關管[Q2]、[Q3]、[Q6]、[Q7]也可以並聯電容器[C2]、[C3]、[C6]、[C7]，其電容值遠小於上下兩個開關管[Q1]、[Q4]、[Q5]、[Q8]的並聯電容[C1]、[C4]、[C5]、[C8]十倍以上。
2.應用於權利要求1所述的超導儲能用雙向三電平軟開關DC/DC電壓側脈寬控制方法，其特徵在於通過控制電壓單元逆變器輸出的電壓脈寬來控制能量傳輸的大小，而通過控制電流單元開關換相的位置來控制充放電，若在原邊逆變器輸出電壓脈寬的前沿換相，則變換器充電，若在後沿換相則變換器放電；通過控制三電平橋臂輸出正負向電壓脈寬的相對大小來控制中點電壓的不平衡。
全文摘要
一種超導儲能用雙向三電平軟開關DC/DC，包括電壓單元、變壓器單元和電流單元。電壓單元為帶中點箝位二極體的兩個三電平半橋，三電平半橋最上端和最下端的開關管並聯電容，中間兩個開關管不並聯電容，亦可在所有開關管上都並聯電容。兩個三電平半橋的中點和箝位二極體的中點都與兩個分壓電容器連線的中點相連。電流單元的結構決定於變壓器單元若為普通變壓器，副邊為全橋式電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為全波式電流源逆變器。本發明通過控制電壓單元輸出的脈寬控制能量傳輸的大小，通過控制副邊電流單元開關觸發的位置控制充放電，通過控制三電平橋臂輸出的正負向電壓脈寬的相對大小，解決三電平橋臂中點電壓不平衡問題。
文檔編號H02M3/335GK1845433SQ200610011908
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月16日 優先權日2006年5月16日
發明者郭文勇, 趙彩宏, 歐陽羿, 辛理夫, 李學斌 申請人:中國科學院電工研究所