CN102611319B - 非对称双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非对称双向直流变换器，在变压器原边，第一开关管（Q₁）和第三开关管（Q₃）串联后组成的第一逆变桥臂正向并联在第一电源（V₁）正负输出端；第二开关管（Q₂）和第四开关管（Q₄）串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源（V₁）正负输出端，第一滤波电容（C₁）的两端分别接在第一电源（V₁）正负输出端，变压器原边绕组两端分别接在第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的中点；在变压器副边，由二极管组成桥式整流电路，第五开关管（Q₅）和第五二极管（D₅）串联后并在第二二极管（D₂）两端，第六开关管（Q₆）和第六二极管（D₆）串联后并在第四二极管（D₄）两端，第二滤波电容（C₂）的两端分别接在第二电源（V₂）正负输出端。特别适用于海上风力发电场合。

Description

非对称双向直流变换器

技术领域

本发明涉及一类双向直流变换器，属于电力电子变换器技术领域，主要应用于新能源发电场合。

背景技术

海上风力发电因具有不占用陆上土地、风速高、风能资源丰富等特点而受到世界各国的普遍重视，目前绝大部分海上风电场采用的是交流发电系统，采用直流发电系统结构的海上风电场技术越来越受到关注，如图1所示。直流发电系统有如下一些优点：1）利用高压高频直流升压变换器替代工频升压变压器，可大大减小发电系统中电力电子装置的重量和体积，降低对海上基础建设的要求，减少前期投资成本；2）采用中压直流母线可降低风电场内部联接电缆费用；3）采用中压直流母线的风电场在控制上更加容易方便。

目前，直流发电系统结构中的兆瓦级直流变换器一般都是采用单向变换器，如全桥变换器等。然而，针对海上风电场的特殊场合，与交流发电系统结构不同的是，如果在直流发电系统结构中采用单向变换器，则当风机启动或者风速低于切入风速时，系统无法向风机提供传感器、测量设备以及制动控制装置等所需的能量，中压直流母线电压也无法建立。此时可以考虑在风机内部安装储能装置，如蓄电池等，也可以外加辅助电源，从HVDC电缆引电向风机供电。安装储能装置将增加成本以及系统的重量与体积，而外加辅助电源则相当于额外增加了一套单向降压变换器系统，同样会增加整个系统的成本。于是有学者提出采用双向变换器的方案，通过双向变换器向风机提供启动或者风速低于切入风速时所需的能量，而当风机正常发电时，又通过双向变换器将电能向外传输。双向变换器的应用，可以大幅减小系统的体积重量，降低成本。然而，风机在启动或者风速低于切入风速时所需的能量与正常工作时发出的能量相比很小，而已有的双向变换器一般都是与蓄电池等储能设备一起使用，双向变换器两个方向传输的能量基本相等，因此已有的双向变换器在直流系统海上风电这一特殊场合显得不太合适，“性价比”不高。因此有必要研究非对称双向变换器，即该双向变换器向两个方向传递的能量差异较大，如图2所示。

发明内容

技术问题： 本发明针对背景技术中的能量非对称双向传输的技术要求，提出四种适用于高压大功率变换场合的非对称双向直流变换器。

技术方案：本发明的非对称双向直流变换器，在变压器原边，第一开关管和第三开关管串联后组成的第一逆变桥臂正向并联在第一电源正负输出端；第二开关管和第四开关管串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源正负输出端，第一滤波电容的两端分别接在第一电源正负输出端，变压器原边绕组两端分别接在第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的中点； 

在变压器副边，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管组成桥式整流电路，单刀双掷开关的b端口与桥式整流电路的正输出端相连，a端口与滤波电感的一端相连，c端口与变压器副边绕组的中点相连，滤波电感的另一端与第二电源的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源的负输出端相连，第五开关管和第五二极管串联后并在第二二极管两端，第六开关管和第六二极管串联后并在第四二极管两端，第二滤波电容的两端分别接在第二电源正负输出端。

在变压器原边，第二开关管和第四开关管串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源正负输出端，第一滤波电容分为相串联的原方第一滤波电容和原方第二滤波电容，相串联后的两端分别接在第一电源正负输出端，变压器原边绕组两端分别接在原方第一滤波电容与原方第二滤波电容的中点以及第二逆变桥臂的中点。

在变压器原边，变压器原边绕组的同相端与第一逆变桥臂之间连接一个由谐振电感和谐振电容串联组成的谐振电路；

在变压器副边，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管组成桥式整流电路，第二滤波电容分为相串联的副方第一滤波电容、副方第二滤波电容，单刀开关的一端口与桥式整流电路中第三二极管、第四二极管的中点相连，单刀开关的另一端口接相串联的副方第一滤波电容、副方第二滤波电容的中点，桥式整流电路的负输出端与第二电源的负输出端相连，桥式整流电路的正输出端与第二电源的正输出端相连；第五开关管和第五二极管串联后并接在第二二极管两端，第七二极管、第七开关管串联后并接在第一二极管的两端。 

在变压器原边，第二开关管和第四开关管串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源正负输出端，第一滤波电容分为相串联的原方第一滤波电容和原方第二滤波电容，相串联后的两端分别接在第一电源正负输出端，变压器原边绕组的同相端通过一个由谐振电感和谐振电容串联组成的谐振电路接在原方第一滤波电容与原方第二滤波电容的中点，变压器原边绕组的异相端接第二逆变桥臂的中点。

当变压器原边的开关管处于开关工作状态时，变压器副边的开关管一直处于关断状态；而当变压器副边的开关管处于开关工作状态时，变压器原边的开关管可以处于开关工作状态时，也可以一直处于关断状态。

有益效果：本发明的非对称双向直流变换器适用于能量非对称双向传输场合，在此场合中，与传统的双向直流变换器相比，本发明的非对称双向直流变换器可以节约成本，且控制简单。

附图说明

图1是基于直流系统的海上风力发电结构示意图；

图2是本发明的非对称双向直流变换器电路结构框图；

图3是本发明的电流型推挽全桥非对称双向直流变换器的电路示意图；

图4是本发明的电流型推挽并桥非对称双向直流变换器的电路示意图；

图5是本发明的电压型谐振全桥非对称双向直流变换器的电路示意图；

图6是本发明的电压型谐振全桥非对称双向直流变换器的电路示意图。

具体实施方式

图3、4、5、6为本发明的四种非对称双向直流变换器。

本发明的电流型推挽全桥非对称双向直流变换器电路示意图如图3所示。包括：第一电源V₁的正输出端连接第一滤波电容C₁的一端，第一电源V₁的负输出端连接第一滤波电容C₁的另一端，第二电源V₂的正输出端连接第二滤波电容C₂的一端，第二电源V₂的负输出端连接第二滤波电容C₂的另一端，由第一开关管Q ₁和第三开关管Q ₃串联后组成的第一逆变桥臂正向并联在第一电源V₁正负输出端；由第二开关管Q ₂和第四开关管Q ₄串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源V₁正负输出端，变压器原边绕组两端分别接在第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的中点，第一二极管D ₁、第二二极管D ₂、第三二极管D ₃、第四二极管D ₄组成桥式整流电路，单刀双掷开关S1的b端口与桥式整流电路的正输出端相连，a端口与滤波电感L的一端相连，c端口与变压器副边绕组的中点相连，滤波电感L的另一端与第二电源V₂的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源V₂的负输出端相连，第五开关管Q ₅和第五二极管D ₅串联后并在第二二极管D ₂两端，第六开关管Q ₆和第六二极管D ₆串联后并在第四二极管D ₄两端。

本发明的电流型推挽半桥非对称双向直流变换器电路示意图如图4所示。包括：第一滤波电容C_{1_1}和第二滤波电容C_{1_2}相串联后并联在第一电源V₁的正负输出端，由第一开关管Q ₂和第二开关管Q ₄串联后组成的逆变桥臂正向并联在第一电源V₁正负输出端；变压器原边绕组的一端与第一滤波电容C_{1_1}和第二滤波电容C_{1_2}的串联点相连，变压器原边绕组的另一端与逆变桥臂的中点相连，第二电源V₂的正输出端连接第三滤波电容C₂的一端，第二电源V₂的负输出端连接第三滤波电容C₂的另一端，第一二极管D ₁、第二二极管D ₂、第三二极管D ₃、第四二极管D ₄组成桥式整流电路，单刀双掷开关S1的b端口与桥式整流电路的正输出端相连，a端口与滤波电感L的一端相连，c端口与变压器副边绕组的中点相连，滤波电感L的另一端与第二电源V₂的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源V₂的负输出端相连，第五开关管Q ₅和第五二极管D ₅串联后并在第二二极管D ₂两端，第六开关管Q ₆和第六二极管D ₆串联后并在第四二极管D ₄两端。

本发明的电压型谐振全桥非对称双向直流变换器电路示意图如图5所示。包括：第一电源V₁的正输出端连接第一滤波电容C₁的一端，第一电源V₁的负输出端连接第一滤波电容C₁的另一端，由第一开关管Q ₁和第三开关管Q ₃串联后组成的第一逆变桥臂正向并联在第一电源V₁正负输出端；由第二开关管Q ₂和第四开关管Q ₄串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源V₁正负输出端，第一逆变桥臂的中点与谐振电感Lr的一端相连，谐振电感Lr的另一端与谐振电容Cr的一端相连，谐振电容Cr的另一端与变压器原边绕组的一端相连，变压器原边绕组的另一端与第二逆变桥臂中点相连，第二滤波电容C_{2_1}和第三滤波电容C_{2_2}相串联后并联在第二电源V₂的正负输出端，第一二极管D ₁、第二二极管D ₂、第三二极管D ₃、第四二极管D ₄组成桥式整流电路，桥式整流电路的正输出端与第二电源V₂的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源V₂的负输出端相连，变压器副边绕组一端与第一二极管D ₁和第二二极管D ₂的连结点相连，变压器副边绕组另一端与第三二极管D ₃和第四二极管D ₄的连结点相连，开关S₂的一端与第三二极管D ₃和第四二极管D ₄的连结点相连，开关S₂的另一端与第二滤波电容C_{2_1}和第三滤波电容C_{2_2}的连结点相连，第五开关管Q ₅和第五二极管D ₅串联后并在第二二极管D ₂两端，第七开关管Q ₇和第七二极管D ₇串联后并在第一二极管D ₁两端。

本发明的电压型谐振半桥非对称双向直流变换器电路示意图如图6所示。包括：第一滤波电容C_{1_1}和第二滤波电容C_{1_2}相串联后并联在第一电源V₁的正负输出端，第三滤波电容C_{2_2}和第四滤波电容C_{2_2}相串联后并联在第二电源V₂的正负输出端，由第二开关管Q ₂和第四开关管Q ₄串联后组成的逆变桥臂正向并联在第一电源V₁正负输出端；第一滤波电容C_{1_1}和第二滤波电容C_{1_2}的连结点与谐振电感Lr的一端相连，谐振电感Lr的另一端与谐振电容Cr的一端相连，谐振电容Cr的另一端与变压器原边绕组的一端相连，变压器原边绕组的另一端与逆变桥臂中点相连，第一二极管D ₁、第二二极管D ₂、第三二极管D ₃、第四二极管D ₄组成桥式整流电路，桥式整流电路的正输出端与第二电源V₂的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源V₂的负输出端相连，变压器副边绕组一端与第一二极管D ₁和第二二极管D ₂的连结点相连，变压器副边绕组另一端与第三二极管D ₃和第四二极管D ₄的连结点相连，单刀开关S₂的一端与第三二极管D ₃和第四二极管D ₄的连结点相连，开关S₂的另一端与第三滤波电容C_{2_1}和第四滤波电容C_{2_2}的连结点相连，第五开关管Q ₅和第五二极管D ₅串联后并在第二二极管D ₂两端，第七开关管Q ₇和第七二极管D ₇串联后并在第一二极管D ₁两端。

上述四种本发明的非对称双向直流变换器，当变压器原边的开关管处于开关工作状态时，变压器副边的开关管一直处于关断状态；而当变压器副边的开关管处于开关工作状态时，变压器原边的开关管可以处于开关工作状态时，也可以一直处于关断状态。

以图3为例，当能量由第一电源V₁向第二电源V₂传输时，开关管Q ₅和开关管Q ₆一直处于关断状态，单刀双掷开关S ₁的a端口与b端口相连结，c端口悬空，则图3为传统的全桥变换器；当能量由第二电源V₂向第一电源V₁传输时，开关管Q ₁、开关管Q ₂、开关管Q ₃、开关管Q ₄一直处于关断状态，单刀双掷开关S ₁的a端口与c端口相连结，b端口悬空，利用开关管Q ₁、开关管Q ₂、开关管Q ₃、开关管Q ₄的内在体二极管，则图3为传统的电流型推挽变换器；由于P₂能量要远低于P₁，则开关管Q ₅和开关管Q ₆可以选用电流定额很小的器件，与传统的双向直流变换器相比，本发明的双向直流变换器应用于能量非对称传输时，可以节约成本，且控制简单。

Claims (4)

1.一种非对称双向直流变换器，其特征在于，在变压器原边，第一开关管(Q₁)和第三开关管(Q₃)串联后组成的第一逆变桥臂正向并联在第一电源(V₁)正负输出端；第二开关管(Q₂)和第四开关管(Q₄)串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源(V₁)正负输出端，第一滤波电容(C₁)的两端分别接在第一电源(V₁)正负输出端，变压器原边绕组两端分别接在第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的中点；

在变压器副边，桥式整流电路的两个输入端分别接变压器副边的正、负电压输出端，第一二极管(D₁)的负极与第三二极管(D₃)的负极相连接作为桥式整流电路的正输出端，第二二极管(D₂)与第四二极管(D₄)的正极相连接作为桥式整流电路的负输出端，第二二极管(D₂)负极接第一二极管(D₁)的正极，第四二极管(D₄)的负极接第三二极管(D₃)的正极，组成桥式整流电路；单刀双掷开关(S₁)的常开端口b与桥式整流电路的正输出端相连，活动端口a与滤波电感(L)的一端相连，常闭端口c与变压器副边绕组的中点相连，滤波电感(L)的另一端与第二电源(V₂)的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源(V₂)的负输出端相连，第五开关管(Q₅)和第五二极管(D₅)串联后并在第二二极管(D₂)两端，第六开关管(Q₆)和第六二极管(D₆)串联后并在第四二极管(D₄)两端，第二滤波电容(C₂)的两端分别接在第二电源(V₂)正负输出端。

2.一种非对称双向直流变换器，其特征在于，在变压器原边，第二开关管(Q₂)和第四开关管(Q₄)串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源(V₁)正负输出端，第一滤波电容分为相串联的原方第一滤波电容(C_1-1)和原方第二滤波电容(C_1-2)，相串联后的两端分别接在第一电源(V₁)正负输出端，变压器原边绕组两端分别接在原方第一滤波电容(C_1-1)与原方第二滤波电容(C_1-2)的中点以及第二逆变桥臂的中点；

在变压器副边，桥式整流电路的两个输入端分别接变压器副边的正、负电压输出端，第一二极管(D₁)的负极与第三二极管(D₃)的负极相连接作为桥式整流电路的正输出端，第二二极管(D₂)与第四二极管(D₄)的正极相连接作为桥式整流电路的负输出端，第二二极管(D₂)负极接第一二极管(D₁)的正极，第四二极管(D₄)的负极接第三二极管(D₃)的正极，组成桥式整流电路；单刀双掷开关(S₁)的常开端口b与桥式整流电路的正输出端相连，活动端口a与滤波电感(L)的一端相连，常闭端口c与变压器副边绕组的中点相连，滤波电感(L)的另一端与第二电源(V₂)的正输出端相连，桥式整流电路的负输出端与第二电源(V₂)的负输出端相连，第五开关管(Q₅)和第五二极管(D₅)串联后并在第二二极管(D₂)两端，第六开关管(Q₆)和第六二极管(D₆)串联后并在第四二极管(D₄)两端，第二滤波电容(C₂)的两端分别接在第二电源(V₂)正负输出端。

3.一种非对称双向直流变换器，其特征在于，在变压器原边，变压器原边绕组的同相端与第一逆变桥臂之间连接一个由谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联组成的谐振电路；

在变压器原边，第一开关管(Q₁)和第三开关管(Q₃)串联后组成的第一逆变桥臂正向并联在第一电源(V₁)正负输出端；第二开关管(Q₂)和第四开关管(Q₄)串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源(V₁)正负输出端，第一滤波电容(C₁)的两端分别接在第一电源(V₁)正负输出端，变压器原边绕组的同相端通过一个由谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联组成的谐振电路接在原方第一开关管(Q₁)和第三开关管(Q₃)的连接点；变压器原边绕组的异相端接原方第二开关管(Q₂)和第四开关管(Q₄)的连接点；

在变压器副边，桥式整流电路的两个输入端分别接变压器副边的两个电压输出端，第一二极管(D₁)的负极与第三二极管(D₃)的负极相连接作为桥式整流电路的正输出端，第二二极管(D₂)与第四二极管(D₄)的正极相连接作为桥式整流电路的负输出端，第二二极管(D₂)负极接第一二极管(D₁)的正极，第四二极管(D₄)的负极接第三二极管(D₃)的正极，组成桥式整流电路；第二滤波电容为相串联的副方第一滤波电容(C_2-1)、副方第二滤波电容(C_2-2)，第二滤波电容的两端接第二电源(V₂)的两端，单刀开关(S₂)的一端口与桥式整流电路中第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)的中点相连，单刀开关(S₂)的另一端口接相串联的副方第一滤波电容(C_2-1)、副方第二滤波电容(C_2-2)的中点，桥式整流电路的负输出端与第二电源(V₂)的负输出端相连，桥式整流电路的正输出端与第二电源(V₂)的正输出端相连；第五开关管(Q₅)和第五二极管(D₅)串联后并接在第二二极管(D₂)两端，第七二极管(D₇)、第七开关管(Q₇)串联后并接在第一二极管(D₁)的两端。

4.一种非对称双向直流变换器，其特征在于，在变压器原边，第二开关管(Q₂)和第四开关管(Q₄)串联后组成的第二逆变桥臂同样正向并联在第一电源(V₁)正负输出端，第一滤波电容分为相串联的原方第一滤波电容(C_1-1)和原方第二滤波电容(C_1-2)，相串联后的两端分别接在第一电源(V₁)正负输出端，变压器原边绕组的同相端通过一个由谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)串联组成的谐振电路接在原方第一滤波电容(C_1-1)与原方第二滤波电容(C_1-2)的中点，变压器原边绕组的异相端接第二逆变桥臂的中点；

在变压器副边，桥式整流电路的两个输入端分别接变压器副边的两个电压输出端，第一二极管(D₁)的负极与第三二极管(D₃)的负极相连接作为桥式整流电路的正输出端，第二二极管(D₂)与第四二极管(D₄)的正极相连接作为桥式整流电路的负输出端，第二二极管(D₂)负极接第一二极管(D₁)的正极，第四二极管(D₄)的负极接第三二极管(D₃)的正极，组成桥式整流电路；第二滤波电容为相串联的副方第一滤波电容(C_2-1)、副方第二滤波电容(C_2-2)，第二滤波电容的两端接第二电源(V₂)的两端，单刀开关(S₂)的一端口与桥式整流电路中第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)的中点相连，单刀开关(S₂)的另一端口接相串联的副方第一滤波电容(C_2-1)、副方第二滤波电容(C_2-2)的中点，桥式整流电路的负输出端与第二电源(V₂)的负输出端相连，桥式整流电路的正输出端与第二电源(V₂)的正输出端相连；第五开关管(Q₅)和第五二极管(D₅)串联后并接在第二二极管(D₂)两端，第七二极管(D₇)、第七开关管(Q₇)串联后并接在第一二极管(D₁)的两端。