CN102739056A - 一种适用于高压场合的非对称双向直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种适用于高压场合的非对称双向直流变换器，当能量由第一电源（V1）向第二电源（V2）传输时，单刀双掷开关（S）的a端口与b端口相连结，第一辅助开关（Qs 1）和第二辅助开关（Qs 2）都处于关断状态，其中辅助开关由一个二极管和一个开关管串联组成，则电路可看成由两个单有源桥式直流变换器原边并联、副边串联组成，适用于输出电压较高的场合。而当能量由第二电源（V2）向第一电源（V1）传输时，单刀双掷开关（S）的a端口与c端口相连结，第一辅助开关（Qs 1）和第二辅助开关（Qs 2）都处于开关状态，原边的八个开关管（Q 1～Q 8）都处于关断状态，则电路可看成一个半桥式直流变换器，特别适用于能量需要非对称双向传输的高压场合，如海上风力发电等。

Description

一种适用于高压场合的非对称双向直流变换器
技术领域
本发明涉及一种适用于高压场合的双向直流变换器，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，提出一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，在第一变压器原边，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，第一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，第一电感为第一变压器的漏感或者额外串联的电感；在第二变压器原边，第五开关管和第七开关管串联后组成的第三逆变桥臂正向并联在第一电源正负输出端；第六开关管和第八开关管串联后组成的第四逆变桥臂同样正向并联在第一电源正负输出端，第二变压器原边绕组两端分别接在第三逆变桥臂和第四逆变桥臂的中点，第二电感为第二变压器的漏感或者额外串联的电感；在第二变压器副边，第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管组成桥式整流电路，第三滤波电容的两端分别接在整流电路的正负输出端；在第一变压器副边，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负极相连，c端口与第三二极管的负极相连，a端口与第六二极管的负极相连，第二滤波电容的两个端口分别接在丙个整流电路的正输出端，第二滤波电容和第三滤波电容串联后的两端分别接在第二电源正负输出端；第一辅助开关并联在第二二极管两端，第二辅助开关一端与第四二极管的正极相连，另一端与第八二极管的正极相连。
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功能框图；
图3是本发明的适用于高压场合的非对称双向直流变换器的电路示意图；
图4是本发明的第一电源V1向第二电源V2传输能量时的电路示意图；
图5是本发明的第二电源V2向第一电源V1传输能量时的电路示意图。
具体实施方式
图3为本发明的非对称双向直流变换器。
本发明的非对称双向直流变换器电路示意图如图3所示。包括： 在第一变压器Tr1原边，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；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，第一滤波电容C1的两端分别接在第一电源V1正负输出端，第一变压器Tr1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，第一电感L1为第一变压器Tr1的漏感或者额外串联的电感；在第二变压器Tr2原边，第五开关管Q 5和第七开关管Q 7串联后组成的第三逆变桥臂正向并联在第一电源V1正负输出端；第六开关管Q 6和第八开关管Q 8串联后组成的第四逆变桥臂同样正向并联在第一电源V1正负输出端，第二变压器Tr2原边绕组两端分别接在第三逆变桥臂和第四逆变桥臂的中点，第二电感L2为第二变压器Tr2的漏感或者额外串联的电感；在第二变压器Tr2副边，第五二极管D 5、第六二极管D 6、第七二极管D 7、第八二极管D 8组成桥式整流电路，第三滤波电容C3的两端分别接在整流电路的正负输出端；在第一变压器Tr1副边，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S的b端口与桥式整流电路的负极相连，c端口与第三二极管D 3的负极相连，a端口与第六二极管D 6的负极相连，第二滤波电容C2的两个端口分别接在丙个整流电路的正输出端，第二滤波电容C2和第三滤波电容C3串联后的两端分别接在第二电源V2正负输出端；第一辅助开关Qs 1并联在第二二极管D 2两端，第二辅助开关Qs 2一端与第四二极管D 4的正极相连，另一端与第八二极管D 8的正极相连。
当能量由第一电源V1向第二电源V2传输时，单刀双掷开关S的a端口与b端口相连结，第一辅助开关Qs 1和第二辅助开关Qs 2都处于关断状态，c端口悬空，则图3为可看成由两个单有源桥式直流变换器原边并联、副边串联组成，如图4所示；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、开关管Q 5、开关管Q 6、开关管Q 7、开关管Q 8一直处于关断状态，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为半桥式直流变换器，如图5所示；由于P2能量要远低于P1，则两个辅助开关管Qs 1和开关管Qs 2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 (1)

1.一种适用于高压场合的非对称双向直流变换器，其特征在于，在第一变压器（Tr1）原边，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；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，第一滤波电容（C1）的两端分别接在第一电源（V1）正负输出端，第一变压器（Tr1）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，第一电感（L1）为第一变压器（Tr1）的漏感或者额外串联的电感；在第二变压器（Tr2）原边，第五开关管（Q 5）和第七开关管（Q 7）串联后组成的第三逆变桥臂正向并联在第一电源（V1）正负输出端；第六开关管（Q 6）和第八开关管（Q 8）串联后组成的第四逆变桥臂同样正向并联在第一电源（V1）正负输出端，第二变压器（Tr2）原边绕组两端分别接在第三逆变桥臂和第四逆变桥臂的中点，第二电感（L2）为第二变压器（Tr2）的漏感或者额外串联的电感；在第二变压器（Tr2）副边，第五二极管（D 5）、第六二极管（D 6）、第七二极管（D 7）、第八二极管（D 8）组成桥式整流电路，第三滤波电容（C3）的两端分别接在整流电路的正负输出端；在第一变压器（Tr1）副边，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（S）的b端口与桥式整流电路的负极相连，c端口与第三二极管（D 3）的负极相连，a端口与第六二极管（D 6）的负极相连，第二滤波电容（C2）的两个端口分别接在丙个整流电路的正输出端，第二滤波电容（C2）和第三滤波电容（C3）串联后的两端分别接在第二电源（V2）正负输出端；第一辅助开关（Qs 1）并联在第二二极管（D 2）两端，第二辅助开关（Qs 2）一端与第四二极管（D 4）的正极相连，另一端与第八二极管（D 8）的正极相连。
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