CN103441676A - 一种模块化的高压直流-直流变换装置 - Google Patents

一种模块化的高压直流-直流变换装置 Download PDF

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方太勋
石巍
王宇
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Abstract

本发明公开一种模块化的高压直流-直流变换装置,包括至少2个结构相同的直流-直流变换模块,所有直流-直流变换模块的输入端顺序正向串联后连接于高压侧的正极与负极之间,输出端根据低压侧电压等级要求进行串联、并联或串并联混合后连接于低压侧的正极与负极之间;各直流-直流变换模块均包括高压侧变流器模块、中低频正弦波变压器和低压侧变流器模块,所述的高压侧变流器模块的输出端与中低频正弦波变压器的输入绕组相连接,而中低频正弦波变压器的输出绕组与低压侧变流器模块的输入端相连接。此装置可解决高压侧开关器件的耐压和均压问题,提高直流-直流变换装置的传输容量,在高压输入大功率场合具有一定的应用前景。

Description

一种模块化的高压直流-直流变换装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高压直流-直流电能转换、传输的装置,特别涉及一种模块化的高压直流-直流变换装置。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004]文献“Dragan Jovcic.‘Bidirectional, High-Power DC Transformer,.IEEETransactions on Power Delivery, Vol.24,N0.4,pp: 2276-2283,0ctober2009” 米用晶闸管串联技术、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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
发明内容
[0008] 本发明的目的,在于提供一种模块化的高压直流-直流变换装置,其可解决高压侧开关器件的耐压和均压问题,提高直流-直流变换装置的传输容量,在高压输入大功率场合具有一定的应用前景
[0009] 为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
[0010] 一种模块化的高压直流-直流变换装置,包括至少2个结构相同的直流-直流变换模块,所有直流-直流变换模块的输入端顺序正向串联后连接于高压侧的正极与负极之间,输出端根据低压侧电压等级要求进行串联、并联或串并联混合后连接于低压侧的正极与负极之间;
[0011 ] 各直流-直流变换模块均包括高压侧变流器模块、中低频正弦波变压器和低压侧变流器模块,所述的高压侧变流器模块的输出端与中低频正弦波变压器的输入绕组相连接,而中低频正弦波变压器的输出绕组与低压侧变流器模块的输入端相连接。
[0012] 上述中低频正弦波变压器采用中低频正弦波单相变压器或中低频正弦波三相变压器。
[0013] 上述变流器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。
[0014] 上述中低频正弦波变压器采用中低频正弦波单相变压器,变流器模块的拓扑结构采用两电平单相半桥LC滤波拓扑、两电平单相半桥LCL滤波拓扑、两电平单相全桥LC滤波拓扑、两电平单相全桥LCL滤波拓扑、三电平单相中点箝位半桥LC滤波拓扑,三电平单相中点箝位半桥LCL滤波拓扑、三电平单相飞跨电容半桥LC滤波拓扑或三电平单相飞跨电容半桥LCL滤波拓扑。
[0015] 上述中低频正弦波变压器采用中低频正弦波三相变压器,变流器模块的拓扑结构采用两电平三相全桥LC滤波拓扑、两电平三相全桥LCL滤波拓扑、三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑或三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑。
[0016] 上述变流器模块中,无源滤波模块中的电容器组采用Y型连接或Λ型连接。
[0017] 上述直流-直流变换模块中,高压侧变流器模块与低压侧变流器模块的结构相同或不同。
[0018] 采用上述方案后,本发明利用现有的功率模块串联技术和中低频正弦波变压器,很好地解决了目前高压直流-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:
[0019] (I)采用模块串联技术可以灵活地拓展变压器的电压等级;
[0020] (2)采用中低频正弦波变压器结构可以实现高压侧和低压侧的电气隔离、电压变换和功率双向传递,同时中低频正弦波变压器的功率容量可以达到MW级以上。
附图说明
[0021] 图1是本发明的整体结构图;
[0022] 图2是本发明中变流器模块采用两电平单相半桥LC滤波拓扑结构图;
[0023] 图3是本发明中变流器模块采用两电平单相半桥LCL滤波拓扑结构图;
[0024] 图4是本发明中变流器模块采用两电平单相全桥LC滤波拓扑结构图;
[0025] 图5是本发明中变流器模块采用两电平单相全桥LCL滤波拓扑结构图;
[0026]图6是本发明中变流器模块采用三电平单相中点箝位半桥LC滤波拓扑结构图;
[0027]图7是本发明中变流器模块采用三电平单相中点箝位半桥LCL滤波拓扑结构图;
[0028] 图8是本发明中变流器模块采用三电平单相飞跨电容半桥LC滤波拓扑结构图;[0029] 图9是本发明中变流器模块采用三电平单相飞跨电容半桥LCL滤波拓扑结构图;
[0030] 图10是本发明中变流器模块采用两电平三相全桥LC滤波拓扑结构图;
[0031 ] 其中,无源滤波模块中的电容器组Ctj采用Y型连接;
[0032] 图11是本发明中变流器模块采用两电平三相全桥LCL滤波拓扑结构图;
[0033] 其中,无源滤波模块中的电容器组Ctj采用Y型连接;
[0034] 图12是本发明中变流器模块采用两电平三相全桥LC滤波拓扑结构图;
[0035] 其中,无源滤波模块中的电容器组Ctj采用Λ型连接;
[0036] 图13是本发明中变流器模块采用两电平三相全桥LCL滤波拓扑结构图;
[0037] 其中,无源滤波模块中的电容器组Ctj采用Λ型连接;
[0038] 图14是本发明中变流器模块采用三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑结构图;
[0039] 其中,无源滤波模块中的电容器组Ctj采用Y型连接;
[0040] 图15是本发明中变流器模块采用三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑结构图;
[0041 ] 其中,无源滤波模块中的电容器组C0采用Y型连接;
[0042] 图16是本发明中变流器模块采用三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑结构图;
[0043] 其中,无源滤波模块中的电容器组Ctj采用Λ型连接;
[0044] 图17是本发明中变流器模块采用三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑结构图;
[0045] 其中,无源滤波模块中的电容器组C0采用Λ型连接。
具体实施方式
[0046] 以下将结合附图及具体实施例,对本发明的技术方案进行详细说明。
[0047] 如图1所示,本发明提供一种模块化的高压直流-直流变换装置,包括η (η为自然数,且η > 2)个基于中低频正弦波变压器的直流-直流变换模块,每个直流-直流变换模块均具有输入端和输出端,η个直流-直流变换模块的输入端顺序正向串联后,形成的输入串的正极连接高压侧的正极P端,该输入串的负极连接高压侧的负极N端;而该η个直流-直流变换模块的输出端根据低压侧电压等级要求采用串联、并联或串并联混合联接的连接关系,然后连接在低压侧的正极P端和负极η端之间。
[0048] 构成本发明的η个直流-直流变换模块结构相同,每个直流-直流变换模块均包括高压侧变流器模块SM、中低频正弦波变压器和低压侧变流器模块SM,高压侧变流器模块的输出端连接中低频正弦波变压器的输入绕组,而中低频正弦波变压器的输出绕组连接低压侧变流器模块的输入端;工作时,高压侧变流器模块将输入的直流电压整形成中低频正弦波电压,再由中低频正弦波变压器进行中低频送能、电压变换和电气隔离,所述中低频频率范围为30Hz〜500Hz ;所述低压侧变流器模块将前述中低频正弦波电压还原成直流电压,进行输出。
[0049] 所述各直流-直流变换模块的中低频正弦波变压器可以采用中低频正弦波单相变压器或中低频正弦波三相变压器。
[0050] 所述高压侧变流器模块和低压侧变流器模块均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米用两电平半桥拓扑、两电平全桥拓扑、多电平半桥拓扑或多电平全桥拓扑。
[0051] 当传输功率较低时,一般选用中低频正弦波单相变压器进行功率传输,该应用下较为典型的变流器模块SM的拓扑结构有两电平单相半桥LC滤波拓扑(如图2)、两电平单相半桥LCL滤波拓扑(如图3)、两电平单相全桥LC滤波拓扑(如图4)、两电平单相全桥LCL滤波拓扑(如图5 )、三电平单相中点箝位半桥LC滤波拓扑(如图6 ),三电平单相中点箝位半桥LCL滤波拓扑(如图7)、三电平单相飞跨电容半桥LC滤波拓扑(如图8)及三电平单相飞跨电容半桥LCL滤波拓扑(如图9);前述图2至图9中的左侧连接直流端,右侧连接交流端。
[0052] 当传输功率较高时,一般选用中低频正弦波三相变压器进行功率传输,该应用下较为典型的变流器模块SM的拓扑结构有两电平三相全桥LC滤波拓扑(如图10及图12)、两电平三相全桥LCL滤波拓扑(如图11及图13)、三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑(如图14及图16)及三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑(如图15及图17);前述图10至图17中的左侧连接直流端,右侧连接交流端。
[0053] 需要指出的是,在本发明中,所有直流-直流变换模块中的高压侧变流器模块均采用相同的结构,所有的低压侧变流器模块采用相同的结构,但高、低压侧变流器模块的结构可以相同或不同;例如,当高压侧变流器模块采用两电平三相全桥LCL滤波拓扑结构时,低压侧变流器模块可以采用相同的拓扑结构,也可采用其它的拓扑结构,如两电平三相全桥LC滤波拓扑结构。
[0054] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:包括至少2个结构相同的直流-直流变换模块,所有直流-直流变换模块的输入端顺序正向串联后连接于高压侧的正极与负极之间,输出端根据低压侧电压等级要求进行串联、并联或串并联混合后连接于低压侧的正极与负极之间; 各直流-直流变换模块均包括高压侧变流器模块、中低频正弦波变压器和低压侧变流器模块,所述的高压侧变流器模块的输出端与中低频正弦波变压器的输入绕组相连接,而中低频正弦波变压器的输出绕组与低压侧变流器模块的输入端相连接。
2.如权利要求1所述的一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:所述中低频正弦波变压器采用中低频正弦波单相变压器或中低频正弦波三相变压器。
3.如权利要求1或2所述的一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:所述变流器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3所述的一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:所述中低频正弦波变压器采用中低频正弦波单相变压器,变流器模块的拓扑结构采用两电平单相半桥LC滤波拓扑、两电平单相半桥LCL滤波拓扑、两电平单相全桥LC滤波拓扑、两电平单相全桥LCL滤波拓扑、三电平单相中点箝位半桥LC滤波拓扑,三电平单相中点箝位半桥LCL滤波拓扑、三电平单相飞跨电容半桥LC滤波拓扑或三电平单相飞跨电容半桥LCL滤波拓扑。
5.如权利要求3所述的一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:所述中低频正弦波变压器采用中低频正弦波三相变压器,变流器模块的拓扑结构采用两电平三相全桥LC滤波拓扑、两电平三相全桥LCL滤波拓扑、三电平三相中点箝位全桥LC滤波拓扑或三电平三相中点箝位全桥LCL滤波拓扑。
6.如权利要求5所述的一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:所述变流器模块中,无源滤波模块中的电容器组采用Y型连接或Λ型连接。
7.如权利要求3所述的一种模块化的高压直流-直流变换装置,其特征在于:所述直流-直流变换模块中,高压侧变流器模块与低压侧变流器模块的结构相同或不同。
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