CN103427653A - 一种高压直流-直流变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高压直流-直流变换装置，包括级联式模块化变流器，中低频正弦波三相变压器和输入并联模块化变流器；级联式模块化变流器包括三个桥臂，第一桥臂的上下半桥臂各含有一电容器组，第二、三桥臂的上半桥臂包括依次串联的至少2个正向的功率模块和1只电抗器，下半桥臂包括依次串联的1只电抗器和至少2个正向的功率模块；中低频正弦波三相变压器的输入端分别连接三个桥臂的接点；输入并联模块化变流器包括一个模块化变流器子模块或至少两个相互并联的模块化变流器子模块，且每个模块化变流器子模块的输入端均连接中低频正弦波三相变压器的输出端。此装置可实现高、低直流电压间的电压变换及功率传递，具有传输容量大、效率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压直流-直流电能转换、传输的装置，特别涉及一种高压直流-直流变换装置。
背景技术
高压直流输电（HVDC）具有输送功率容量大、损耗小、输送距离远、稳定性好等特点，具有广阔的应用前景。为了适应将来将高压直流输电直接应用于用电设备，需要具有和交流隔离变压器功能类似的直流变压装置，将高压直流电转换成隔离的满足用电设备要求的低压直流电。
由于单个功率半导体器件的耐压值通常是有限的，所以单个功率半导体器件无法直接应用于高电压场合。为了实现低压功率器件能够应用在高电压场合，通常采用以下几种方法：1)多电平技术；2)多个功率半导体器件串联技术；3)多个功率模块串联技术。
文献“Dragan Jovcic.‘Bidirectional,High-Power DC Transformer’.IEEETransactions on Power Delivery,Vol.24,No.4,pp:2276-2283,October2009”采用晶闸管串联技术、谐振技术实现了大功率的直流变换与传输。但是，高压侧和低压侧没有电气隔离，高压侧和低压侧晶闸管阀组均承受高压侧电压，增加了设备成本。另外，LC谐振电路在工作过程中产生较大无功容量，增加了设备容量和线路损耗，降低了变换效率。
中国专利申请201010117551.8涉及了一种高压直流-直流电力电子变压器，该直流变压器由级联式模块化变流器、一个双绕组中频或高频变压器和一个全控型H桥构成。通过级联式模块化变流器产生多电平的中频或高频方波电压，双绕组中频或高频变压器实现直流-直流的电压变换和功率传递，全控型H桥将中频或高频变压器的副边方波电压转换成直流电压。
中国专利申请200810024744.1涉及了一种基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器，采用多个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块输入串联输出并联的拓扑结构。利用输入串联输出并联结构和变压器副边箝位作用，自动实现每个模块输入侧均压。
中国专利申请201010117551.8和200810024744.1中均采用了中频或者高频方波变压器进行电气隔离、电压变换和功率传递。但是，目前可用的中频或高频方波变压器功率容量很难达到上百千瓦以上，一定程度上限制了此类直流变压器的应用。
基于以上分析，本发明人对目前高压直流-直流变换装置的高压侧开关器件存在的问题进行深入研究，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高压直流-直流变换装置，其可实现高、低直流电压间的电压变换及功率传递，具有传输容量大、效率高的特点。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种高压直流-直流变换装置，包括级联式模块化变流器，中低频正弦波三相变压器和输入并联模块化变流器；
所述级联式模块化变流器包括三个桥臂，第一桥臂的上、下半桥臂各含有一电容器组，二者相接于接点；第二、三桥臂的结构相同，均包括上、下半桥臂，所述上半桥臂包括由首至尾依次串联的至少2个正向的功率模块和1只电抗器，所述下半桥臂包括由首至尾依次串联的1只电抗器和至少2个正向的功率模块，且前述2只电抗器相接于接点；三个桥臂的首端共同连接高压端正极，而尾端共同连接高压端负极；
所述中低频正弦波三相变压器的输入端分别连接级联式模块化变流器中三个桥臂的接点；
所述输入并联模块化变流器包括至少一个模块化变流器子模块，且每个模块化变流器子模块的输入端均连接中低频正弦波三相变压器的输出端。
上述功率模块包括两只带有反并联二极管的可关断器件和一只电容，第一、二可关断器件正向串联连接，再与电容并联，所述第一、二可关断器件的连接点作为功率模块的正极，而第二可关断器件的负极作为功率模块的负极。
上述中低频正弦波三相变压器包括3个高压输入绕组和3个低压输出绕组，采用Y/Y、Y/△、△/△或△/Y的连接方式。
上述输入并联模块化变流器包括至少两个模块化变流器子模块，且所有模块化变流器子模块的输出端采用顺序串联、相互并联或串并联混合的连接方式。
上述模块化变流器子模块包括顺序串联的无源滤波模块和功率变换模块，其中，功率变换模块采用两电平全桥拓扑、多电平半桥拓扑或多电平全桥拓扑，无源滤波模块采用LC滤波电路或LCL滤波电路。
采用上述方案后，本发明巧妙地利用现有的功率模块串联技术和中低频正弦波三相变压器，能够很好解决高压直流-直流变换装置的高压侧开关器件的耐压、均压问题和现有直流-直流变换装置传输容量不足的问题，对加速高压直流-直流变换装置的实用化和市场化进程具有重要意义；采用模块串联技术可以灵活地拓展变压器的电压等级；采用中低频正弦波三相变压器结构可以实现高压侧和低压侧的电气隔离、电压变换和功率传递，同时中低频正弦波三相变压器的功率容量可以达到MW级以上。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中级联式模块化变流器中功率模块的拓扑结构图；
图3是本发明中子模块采用两电平三相全桥LC滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用Y型连接；
图4是本发明中子模块采用两电平三相全桥LCL滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用Y型连接；
图5是本发明中子模块采用两电平三相全桥LC滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用△型连接；
图6是本发明中子模块采用两电平三相全桥LCL滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用△型连接；
图7是本发明中子模块采用三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用Y型连接；
图8是本发明中子模块采用三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用Y型连接；
图9是本发明中子模块采用三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用△型连接；
图10是本发明中子模块采用三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑结构图；
其中，无源滤波模块中的电容器组CO采用△型连接；
图11是级联式模块化变流器的等效控制方法示意图；
其中，（a）表示Uac的电压波形图，（b）表示Ua1的电压波形图，（c）表示Ua2的电压波形图；
图12是级联式模块化变流器的桥臂接点电压相位示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种高压直流-直流变换装置，包括级联式模块化变流器1、中低频正弦波三相变压器2和输入并联模块化变流器3，下面分别介绍。
所述级联式模块化变流器1包含三个桥臂，其中，第一桥臂的上、下半桥臂各含有一电容器组，图1中分别以C1、C2表示，上、下半桥臂相接于接点A；第二、三桥臂的结构相同，每个桥臂的上、下半桥臂各包含M（M为自然数，且M≥2）个功率模块SM和1只电抗器，所述上半桥臂由首至尾依次串联M个正向的SM和1只电抗器，而下半桥臂由首至尾依次串联1只电抗器和M个正向的SM，且两个桥臂的上、下半桥臂的2只电抗器分别相接于接点B、C；三个桥臂的首端共同连接高压端正极，而尾端共同连接高压端负极。在本实施例中，所述功率模块SM为半桥拓扑，如图2所示，包括两只带有反并联二极管的可关断器件T11、T12和电容C11，具体的连接方式是：可关断器件T11、T12正向串联连接，再与电容C11并联，所述可关断器件T11、T12的连接点作为SM的正极，而T12的负极作为SM的负极。
所述中低频正弦波三相变压器2包括3个高压原边绕组和3个低压副边绕组，其连接方式可采用Y/Y、Y/△、△/△或△/Y；所述中低频正弦波三相变压器2的输入端分别连接级联式模块化变流器1中三个桥臂的接点，而输出端与输入并联模块化变流器3的输入端连接。
所述输入并联模块化变流器3包括N（N为自然数，且N≥1）个模块化变流器子模块，且每个子模块的输入端与中低频正弦波三相变压器2的输出端连接。
输入并联模块化变流器3中模块化变流器子模块的输出连接方式根据低压侧电压等级要求进行串联、并联或串并联混合；该子模块拓扑由无源滤波模块和功率变换模块顺序串联而成，其中，无源滤波模块可以采用LC滤波电路或LCL滤波电路，而功率变换模块可以采用两电平全桥拓扑、多电平半桥拓扑或多电平全桥拓扑。较为典型的模块化变流器子模块拓扑结构有两电平三相全桥LC滤波拓扑（如图3及图5）、两电平三相全桥LCL滤波拓扑（如图4及图6）、三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑（如图7及图9）及三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑（如图8及图10）；前述图3至图10的左侧连接直流端，右侧连接交流端。
本发明工作时，级联式模块化变流器1将直流电压整形成中低频正弦波电压；所述的中低频正弦波三相变压器2进行中低频送能、电压变换和电气隔离，且中低频频率范围为30Hz～500Hz；所述的输入并联模块化变流器3将前述中低频正弦波电压还原成直流电压。
本发明处于稳态工作时，高压侧直流母线电压为Udc,则级联式模块化变流器1中的第一桥臂的接点电压为Udc/2，第二、三桥臂的功率模块箝位电容上的电压为Udc/M，即：上下半桥臂的功率模块箝位电容电压之和都等于直流母线电压Udc，同时，由于离散控制算法的误差以及开关器件和磁芯元件的非线性特性，造成电容器组电压Uck和半桥功率模块箝位电容电压Ucx存在一定的波动，一般控制在Udc/2-H≤Uck≤Udc/2+H、Udc/2-h≤Ucx≤Udc/2+h，其中H、h为滞环带。
为了清楚地分析高压直流-直流变换装置的工作原理，现对高压直流-直流变压器的高压侧级联式模块化变流器中的第二、三桥臂中的一相进行分析，高压侧直流母线为Udc，上半桥臂输出电压为Ua1、下半桥臂输出电压为Ua2，桥臂接点输出电压为Uac,则有下列关系式成立
Ua1+Ua2=Udc （1.1）
N*Ucx=Udc (1.2)
根据KVL定律可知，还存在下列电压关系式
Ua1=Udc/2-Uac (1.3)
Ua2=Udc/2+Uac (1.4)
其中，Uac、Udc为已知量，所以Ua1和Ua2就可以通过（1.3）、（1.4）式计算得出，从而可以得出功率模块上下半桥臂的参考电压值，高压直流-直流变压器的高压侧级联式模块化变流器的等效控制方法如图11所示。
按照前面的方法可以实现第二、三桥臂的接点输出电压相位相差60°，即：UAC与UAB相位相差60°，如图12所示，从而可以得到变压器输入端电压UAO、UBO、UCO相互对称、相位相差120度。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (5)
1.一种高压直流-直流变换装置，其特征在于：包括级联式模块化变流器，中低频正弦波三相变压器和输入并联模块化变流器；
所述级联式模块化变流器包括三个桥臂，第一桥臂的上、下半桥臂各含有一电容器组，二者相接于接点；第二、三桥臂的结构相同，均包括上、下半桥臂，所述上半桥臂包括由首至尾依次串联的至少2个正向的功率模块和1只电抗器，所述下半桥臂包括由首至尾依次串联的1只电抗器和至少2个正向的功率模块，且前述2只电抗器相接于接点；三个桥臂的首端共同连接高压端正极，而尾端共同连接高压端负极；
所述中低频正弦波三相变压器的输入端分别连接级联式模块化变流器中三个桥臂的接点；
所述输入并联模块化变流器包括至少一个模块化变流器子模块，且每个模块化变流器子模块的输入端均连接中低频正弦波三相变压器的输出端。
2.如权利要求1所述的一种高压直流-直流变换装置，其特征在于：所述输入并联模块化变流器包括至少两个模块化变流器子模块，且所有模块化变流器子模块的输出端采用顺序串联、相互并联或串并联混合的连接方式。
3.如权利要求1或2所述的高压直流-直流变换装置，其特征在于：所述模块化变流器子模块包括顺序串联的无源滤波模块和功率变换模块，其中，功率变换模块采用两电平全桥拓扑、多电平半桥拓扑或多电平全桥拓扑，无源滤波模块采用LC滤波电路或LCL滤波电路。
4.如权利要求1所述的一种高压直流-直流变换装置，其特征在于：所述功率模块包括两只带有反并联二极管的可关断器件和一只电容，第一、二可关断器件正向串联连接，再与电容并联，所述第一、二可关断器件的连接点作为功率模块的正极，而第二可关断器件的负极作为功率模块的负极。
5.如权利要求1所述一种高压直流-直流变换装置，其特征在于：所述中低频正弦波三相变压器包括3个高压输入绕组和3个低压输出绕组，采用Y/Y、Y/△、△/△或△/Y的连接方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131204 |