CN102185480A - 一种双向隔离直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向隔离直流变换器，该变换器连接到直流系统中，变换器由至少一个的转换模块连接组成；转换模块包括两个功率模块即DC/AC模块和AC/DC模块；DC/AC模块和AC/DC模块的交流侧由变压器T连接；DC/AC模块和AC/DC模块的直流侧均并联电容器C1和C2；DC/AC模块的直流侧串联起来构成直流高压侧；AC/DC模块的直流侧串联或并联起来构成直流低压侧；本发明提供的双向隔离直流变换器实现直-交-直的电力变换，可应用于需要进行直流变换的系统中；该变换器正向可完成从直流高压到直流低压的转换过程，反向可完成从直流低压到直流高压的转换过程，实现了能量的双向流动。

Description

一种双向隔离直流变换器
技术领域
本发明涉及一种电力电子领域的直流变换器，具体讲涉及一种双向隔离直流变换器。
背景技术
交流系统中，功率模块包括H全桥，三相桥式，功率模块串并联技术日益成熟。链式变换器普遍采用功率模块交流侧串联的方式提高耐压等级，目前链式变换器已经广泛应用于高压变频、无功补偿领域；而功率模块并联多重化技术则广泛应用于需要大容量变流器的各种场合，如机车传动、有源滤波领域。
DC-DC变换器是将一种直流电变换为另一种形式直流电的技术，主要对电压、电流实现变换。通常DC-DC变换器都是单向工作的，主要原因是其功率开关均为单向，所以能量只能单向流动。然而在许多应用场合，DC-DC变换器需要双向流动的。基于双向DC-DC变换器的拓扑，其又分为非隔离型和隔离型拓扑结构，对于非隔离型的DC-DC变换器，虽然可以满足不同功率等级的应用需求，且满足低压、大电流的应用，但是电压转换比小，而隔离型的DC-DC变换器可以实现所需的电压大变比。而隔离型的DC-DC变换器分为双反激拓扑、双推挽拓扑、双半桥拓扑和双全桥拓扑。
一直以来，直流输电的发展与换流技术(特别是高电压、大功率换流设备)的发展有密切的关系。但是近年来，除了有电力电子技术的进步推动外，由于大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保护、故障、可靠性等多种问题也越发显得重要，因此多种新技术的综合应用使得直流输电技术有了新进展。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向隔离直流变换器，这种双向隔离直流变换器实现直-交-直的电力变换，可应用于需要进行直流变换的系统中；双向隔离直流变换器正向可完成从直流高压到直流低压的转换过程，反向可完成从直流低压到直流高压的转换过程，实现了能量的双向流动。
本发明的目的采用下述技术方案予以实现：
一种双向隔离直流变换器，其改进之处在于，所述变换器连接到直流系统中，所述变换器由至少一个的转换模块连接组成；所述转换模块包括两个功率模块即DC/AC模块和AC/DC模块；所述DC/AC模块和AC/DC模块的交流侧由变压器T连接；所述DC/AC模块和AC/DC模块的直流侧分别并联电容器C1和C2；所述DC/AC模块的直流侧串联起来构成直流高压侧；所述AC/DC模块的直流侧串联或并联起来构成直流低压侧。
本发明提供的一种优选的技术方案是：所述功率模块为H桥形式的电路或用于整流或逆变的变换器形式的电路。
本发明提供的第二优选的技术方案是：所述H桥的桥臂包括依次并联的可关断器件、二极管和电容；所述可关断器件为IGBT、IGCT、GTO或功率MOSFET的全控电力电子器件。
本发明提供的第三优选的技术方案是：所述变压器T两边的功率模块为对称或不对称的结构形式。
本发明提供的第四优选的技术方案是：所述AC/DC模块的直流侧串联、并联或串并联结合构成直流低压侧。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的双向隔离直流变换器能量可从左侧流向右侧，也可从右侧流向左侧，能量在变换器上单向流动或双向流动；可实现升压、降压变换；
2、本发明提供的双向隔离直流变换器通过直流侧的串、并联组合，实现高电压、大电容；
3、本发明提供的双向隔离直流变换器交流侧的变压器有故障隔离功能，当变换器的一侧发生短路或接地故障，故障范围不会扩大到另一侧；
4、本发明提供的双向隔离直流变换器可用于风电、太阳能光伏直流接入场合；也可用于直流微网应用场合；
5、本发明提供的双向隔离直流变换器的功率模块设有过压保护，可以及时保护功率模块本身和储能电容，防止故障；
6、本发明提供的双向隔离直流变换器需采用适用性均流/均压控制策略处理并联拓扑均流问题和串联拓扑均压问题。
附图说明
图1是双向隔离直流变换器的总原理图；
图2是双向隔离直流变换器的工作原理图；
图3是双向隔离直流变换器H桥举例拓扑图；
图4是双向隔离直流变换器级联结构拓扑图；
图5是双向隔离直流变换器H桥级联结构低压侧并联结构图；
图6是双向隔离直流变换器H桥级联结构低压侧串联结构图；
图7是本发明提供的两侧模块对称的具体实施例为10kV直流系统连接到1kV直流系统拓扑图；
图8是本发明提供的两侧模块不对称的具体实施例为35kV直流系统连接到10kV直流系统拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
图1是双向隔离直流变换器的总原理图，变换器由至少一个的转换模块连接组成；转换模块包括两个功率模块即DC/AC模块和AC/DC模块；DC/AC模块和AC/DC模块的交流侧由变压器T连接；DC/AC模块和AC/DC模块的直流侧分别并联电容器C1和C2；DC/AC模块的直流侧串联起来构成直流高压侧；AC/DC模块的直流侧串联或并联起来构成直流低压侧。
图2是双向隔离直流变换器的工作原理图，如图2(a)所示，是双向隔离直流变换器的工作原理拓扑图，变压器T一次侧电压用Vab表示；变压器T的二次侧电压用Vcd表示；变压器一次侧的到二次侧的电流用IL表示；如图2(b)所示，是电压Vab、Vcd和电流IL的波形图，其能量流动方向为高压侧向低压侧流动；本原理图同样适用于能量从低压侧向高压侧流动。
图3是双向隔离直流变换器H桥举例拓扑图，功率模块为H桥形式的电路；H桥的桥臂包括依次并联的可关断器件、二极管和电容；可关断器件为IGBT、IGCT、GTO或功率MOSFET的全控电力电子器件；变压器T两边的功率模块为对称或不对称的结构形式。
图4是双向隔离直流变换器级联结构拓扑图；本发明提供的双向隔离DC-DC变换器基本原理，是通过全桥H桥变流器，交流侧通过变压器连接，实现隔离作用，直流侧各自接入两端直流系统，实现两个直流系统的连接。
图5是本发明具体实施例低压侧功率模块并联的拓扑结构图；受绝缘门极双极性晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、门极关断晶闸管GTO和功率MOSFET管全控电力电子器件通流的限制，为了实现向大功率应用，采用在直流低压侧串联与并联结合的拓扑结构，总电流等于所有并联变换器电流之和，通过增加并联模块数量，可以实现大功率变换器。
图6是本发明具体实施例低压侧功率模块串联的拓扑结构图；受绝缘门极双极性晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、门极关断晶闸管GTO和功率MOSFET管全控电力电子器件(可关断器件)耐压的限制，为了实现向高电压应用，采用功率模块在直流高压侧串联的拓扑结构，总电压等于所有变流器直流电压之和，通过增加串联功率模块数量，可以实现对直流电压等级的普遍适用性。
如图5和6所示，左侧N(2到33)个功率模块，通过功率模块直流侧串联，构成直流高压侧，高压侧电压等于每个模块直流电压之和；如图5和6所示，右侧N(2到33)个功率模块，通过功率模块直流侧串联或并联连接构成直流低压侧，低压侧电压与模块串联数量电压之和相等。
灵活运用串、并联功率模块的个数，合理选择可关断器件的耐压和通流能力，可设计出针对不同应用场合的直流变换器。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
图7是本发明提供的两侧模块对称的具体实施例为10kV直流系统连接到1kV直流系统拓扑图；为10kV直流系统连接到1kV直流系统上，每个H桥臂的全控电力电子器件采用1700V/800A的IGBT；
右侧直流低压侧功率模块全部并联，每个H桥均可达到1kV耐压，因此电流可达400A乘以10，约4000A；
左侧直流高压侧为了实现直接连接到10kV直流系统，需要10个H桥采用串联方式，这样每个H桥均压1kV，高压侧电流400A；
这样的系统，可应用于两套直流系统互联，传递功率可达4MW。
上述方案，可以应用在永磁直驱风机风力发电直流接入电网系统中：
如陆上风电：高压侧电压：10kV，低压侧电压：1000V～1100V(电流1200A～5000A)，功率：1.2MW～5MW。双向功率变换。工作过程：高压→低压：充电；低压→高压：发电。
实施例2
图8是本发明提供的两侧模块不对称的具体实施例为35kV直流系统连接到10kV直流系统拓扑图；综合考虑直流变换器的功能及保护，左侧每个H桥臂的全控电力电子器件采用6500V/400A的IGBT；右侧每个H桥臂的全控电力电子器件采用1700V/800A的IGBT；
左侧直流侧功率模块由于系统电压较高，需要采用10个H桥串联方式，这样每个H桥均压3.5kV，左侧系统电流100A；
右侧直流侧功率模块全部串联，每个H桥均可达到1kV耐压，由于功率守恒，其右侧电流可达到350A；
这样的系统，可应用于两套直流微网系统互联，传递功率可达3.5MW。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (5)

1.一种双向隔离直流变换器，其特征在于，所述变换器连接到直流系统中，所述变换器由至少一个的转换模块连接组成；所述转换模块包括两个功率模块即DC/AC模块和AC/DC模块；所述DC/AC模块和AC/DC模块的交流侧由变压器T连接；所述DC/AC模块和AC/DC模块的直流侧分别并联电容器C1和C2；所述DC/AC模块的直流侧串联起来构成直流高压侧；所述AC/DC模块的直流侧串联或并联起来构成直流低压侧。
2.如权利要求1所述的双向隔离直流变换器，其特征在于，所述功率模块为H桥形式的电路或用于整流或逆变的变换器形式的电路。
3.如权利要求2所述的双向隔离直流变换器，其特征在于，所述H桥的桥臂包括依次并联的可关断器件、二极管和电容；所述可关断器件为IGBT、IGCT、GTO或功率MOSFET的全控电力电子器件。
4.如权利要求1-3任一所述的双向隔离直流变换器，其特征在于，所述变压器T两边的功率模块为对称或不对称的结构形式。
5.如权利要求1所述的双向隔离直流变换器，其特征在于，所述AC/DC模块的直流侧串联、并联或串并联结合构成直流低压侧。
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