CN103427657B - 一种高压直流-直流变换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高压直流-直流变换设备，包括级联式模块化变流器、双绕组中低频正弦波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两个结构相同的桥臂，上、下半桥臂均包括至少2个正向的半桥拓扑功率模块和1只电抗器；双绕组中低频正弦波变压器包括相互耦合的一个高压原边绕组和一个低压副边绕组，所述高压原边绕组的两根引线分别连接两个桥臂的两个接点；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，且每个子模块的输入端均连接低压副边绕组。此结构可解决现有设备高压侧开关器件耐压、均压及传输容量不足方面的问题，对加速高压直流-直流变换设备的实用化和市场化进程具有重要意义。

Description

一种高压直流-直流变换设备
技术领域
本发明涉及一种高压直流-直流电能转换、传输的设备，特别涉及一种高压直流-直流变换设备。
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设备，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“DraganJovcic.‘Bidirectional,High-PowerDCTransformer’.IEEETransactionsonPowerDelivery,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。
基于前述分析，目前高压直流-直流变换设备的高压侧开关器件存在着耐压、均压、传输容量不足的问题，有待改进。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高压直流-直流变换设备，其可解决现有设备高压侧开关器件耐压、均压及传输容量不足方面的问题，对加速高压直流-直流变换设备的实用化和市场化进程具有重要意义。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种高压直流-直流变换设备，包括级联式模块化变流器、双绕组中低频正弦波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两个结构相同的桥臂，所述上半桥臂包括由首至尾依次串联的至少2个正向的半桥拓扑功率模块和1只电抗器，所述下半桥臂包括由首至尾依次串联的一只电抗器和至少2个正向的半桥拓扑功率模块，且前述2只电抗器相接于接点；两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；
所述双绕组中低频正弦波变压器包括相互耦合的一个高压原边绕组和一个低压副边绕组，所述高压原边绕组的两根引线分别连接级联式模块化变流器中两个桥臂的两个接点；
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双绕组中低频正弦波变压器的低压副边绕组。
上述半桥拓扑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半桥拓扑功率模块的正极，而第二可关断器件的负极作为半桥拓扑功率模块的负极。
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半桥拓扑、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，本发明采用模块串联技术和双绕组中低频正弦波变压器，从而很好地解决现有设备高压侧开关器件耐压、均压及传输容量不足方面的问题；采用模块串联技术可以灵活地拓展高压直流-直流变换设备的电压等级，采用双绕组中低频正弦波变压器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，同时中低频正弦波双绕组变压器的功率容量可以达到MW级以上。
附图说明
图1是本发明的主电路整体结构图；
图2是本发明中子模块采用两电平半桥LC滤波拓扑结构图；
图3是本发明中子模块采用两电平半桥LCL滤波拓扑结构图；
图4是本发明中子模块采用两电平全桥LC滤波拓扑结构图；
图5是本发明中子模块采用两电平全桥LCL滤波拓扑结构图；
图6是本发明中子模块采用三电平中点箝位半桥LC滤波拓扑结构图；
图7是本发明中子模块采用三电平中点箝位半桥LCL滤波拓扑结构图；
图8是本发明中子模块采用三电平飞跨电容半桥LC滤波拓扑结构图；
图9是本发明中子模块采用三电平飞跨电容半桥LCL滤波拓扑结构图；
图10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11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-直流变换设备，包括级联式模块化变流器1、双绕组中低频正弦波变压器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包含有两个结构相同的桥臂，每个桥臂的上、下半桥臂各包括M（M为自然数，且M≥2）个半桥拓扑功率模块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，且上、下半桥臂的2只电抗器相接于接点；两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，所述半桥拓扑功率模块SM包括两只带有反并联二极管的可关断器件Tx1、Tx2和一只电容Cx1，具体的连接方式是：可关断器件Tx1、Tx2正向串联连接，再与电容Cx1并联，所述可关断器件Tx1、Tx2的连接点作为SM的正极，而Tx2的负极作为SM的负极。
所述双绕组中低频正弦波变压器2包括相互耦合的一个高压原边绕组和一个低压副边绕组，所述高压原边绕组的两根引线分别连接级联式模块化变流器1中两个桥臂的两个接点，而低压副边绕组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包括至少一个模块化变流器子模块，且每个子模块的输入端均连接双绕组中低频正弦波变压器2的低压副边绕组。
输入并联模块化变流器3中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，其中功率变换模块可以由两电平半桥拓扑或者全桥拓扑、多电平半桥拓扑或者全桥拓扑组成；无源滤波模块可以由LC滤波电路或LCL滤波电路组成。较为典型的模块化变流器拓扑结构有两电平半桥LC滤波拓扑（如图2）、两电平半桥LCL滤波拓扑（如图3）、两电平全桥LC滤波拓扑（如图4）、两电平全桥LCL滤波拓扑（如图5）、三电平中点箝位半桥LC滤波拓扑（如图6），三电平中点箝位半桥LCL滤波拓扑（如图7）、三电平飞跨电容半桥LC滤波拓扑（如图8），三电平飞跨电容半桥LCL滤波拓扑（如图9）；前述图2至图9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；所述的双绕组中低频正弦波变压器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,则每个桥臂的上、下半桥臂半桥拓扑功率模块箝位电容上的电压为Udc/M，即：上、下半桥臂的半桥拓扑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，半桥拓扑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≤Ucx≤Udc/2+h，其中h为滞环带。
为了清楚地分析高压直流-直流变换设备的工作原理，现对高压直流-直流变换设备的高压侧级联式模块化变流器进行分析，高压侧直流母线电压为Udc，第一条桥臂的接点电压为Udc/2,第二条桥臂的上半桥臂输出电压为Ua1、下半桥臂输出电压为Ua2，两桥臂输出电压为Uac,则有下列关系式成立：
Ua1+Ua2=Udc（1.1）
Ua1-Udc/2=Uac(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，从而可以得出半桥功率模块上、下半桥臂的参考电压值，高压直流-直流变换设备的高压侧级联式模块化变流器的等效控制方法如图10所示。
按照前面的方法可以实现两个桥臂的接点A、B输出电压相位相同，即：UA与UA相位相同，如图11所示，从而可以得到变压器输入端电压UAB和桥臂电压UA、UB同相位，可以降低级联式模块化变流器1的无功功率，提高整机效率。
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 (3)

1.一种高压直流-直流变换设备，其特征在于：包括级联式模块化变流器、双绕组中低频正弦波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两个结构相同的桥臂，上半桥臂包括由首至尾依次串联的至少2个正向的半桥拓扑功率模块和1只电抗器，下半桥臂包括由首至尾依次串联的一只电抗器和至少2个正向的半桥拓扑功率模块，且前述2只电抗器相接于接点；两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；
所述双绕组中低频正弦波变压器包括相互耦合的一个高压原边绕组和一个低压副边绕组，所述高压原边绕组的两根引线分别连接级联式模块化变流器中两个桥臂的两个接点；
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双绕组中低频正弦波变压器的低压副边绕组，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半桥拓扑、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。
2.如权利要求1所述的一种高压直流-直流变换设备，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所述的一种高压直流-直流变换设备，其特征在于：所述半桥拓扑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半桥拓扑功率模块的正极，而第二可关断器件的负极作为半桥拓扑功率模块的负极。
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A new simple control approach of M2LC for AC railway applications;Zadeh, M.B. et al.;《Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), 2013 4th 》;20130214;第407-415页 *

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