CN104167725B - 一种适用于高压大容量直流电网的dc/dc变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器，包括第一交流电源、第二交流电源、第一交流电压转换模块、第二交流电压转换模块、高压阀组单元、低压阀组单元、第一平波电抗器和第二平波电抗器；第一交流电源和第二交流电源分别通过第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块连接到高压阀组单元和低压阀组单元，高压阀组单元和低压阀组单元串联，所述高压阀组的高压端和低压阀组的低压端分别通过第一平波电抗器和第二平坡电抗器连接高压直流电网和接地极线路。本发明提供本发明提供一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器，采用双阀组结构，可以应用于未来直流电网和多电压等级多端直流系统的直流电压变换需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器，具体涉及一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器。
背景技术
目前大容量高压直流输电(简称HVDC)技术已经十分成熟，大量的HVDC工程已经投运，这些直流工程有可能未来是直流电网(网状直流系统)或者多端直流系统(具有3个及以上输入和输出端的直流系统)的一部分。未来直流电网针对不同的输电和配电需求会有不同的直流电压等级，但是适用于HVDC的大容量DC/DC变压器目前还处于研究阶段，尚无可用的产品。
目前适用于低压小功率的DC/DC变压器主要有两种实现方法，(1)直流直接变直流，例如通过直流斩波电路实现直流电压变换，(2)先将直流变换为交流，再将交流变为直流。两种实现方式都不依赖于交流系统。
(1)直流斩波变压器工作原理
直流斩波电路原理如图1所示，假设电路输出端的滤波电容器足够大，以保证输出电压恒定，电感L的值也很大。
1)当控制开关VT导通时，电源E向串联在回路中的电感L充电储能，电感电压UL左正右负；而负载电压Uo上正下负，此时在电阻R于电感L之间的续流二极管VD被反偏，VD截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流基本为恒定值I1。另外，VD截止时C向负载R放电，由于正常工作C已经被充电，且C容量很大，所以负载电压基本保持为一恒定值。假设VT的导通时间为ton，则此阶段电感L上的储能可以表示为E*I1*ton；
2)在控制开关VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，续流二极管VD转为正偏，储能电感L与电源E叠加共同向电容C充电，向负载R提供能量。如果VT的关断时间为toff，则此段时间内电感L释放的能量可以表示为((Uo-E)*I1*toff。
一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等：
EI1ton＝(Uo-E)I1toff
即
其中T＝ton+toff为一个周期时间。通过控制toff即可实现直流电压的变换。
(2)直流-交流-直流变压器工作原理
该类型直流变压器工作原理是先将直流电变为交流电，然后再将交流电变为直流电，首先将直流电通过逆变器变成交流电，该交流电通过交流变压器的变压和隔离后在整流站重新变换成直流电，通过调节整流站和逆变站触发脉冲来控制输出直流电压大小。理论上该电路设计可以实现高压大容量的直流电压变换。
基于斩波方式的DC/DC变压器一般用于低压小容量系统中，不适用于高压大容量直流输电，更没有适用于直流电网电压变换需求的相关设计或产品。
基于直流-交流-直流的直流变压方式相当于同时建设了整流站和逆变站，而且需要引入大量的交流变压器，建设成本高，并且目前没有适用于高压大容量直流电网的相关设计或产品。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供本发明提供一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器，采用双阀组结构，可以应用于未来直流电网和多电压等级多端直流系统。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器，所述变压器包括第一交流电源、第二交流电源、第一交流电压转换模块、第二交流电压转换模块、高压阀组单元、低压阀组单元、第一平波电抗器和第二平波电抗器；第一交流电源和第二交流电源分别通过第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块连接到高压阀组单元和低压阀组单元，高压阀组单元和低压阀组单元串联，所述高压阀组的高压端和低压阀组的低压端分别通过第一平波电抗器和第二平坡电抗器连接高压直流电网和接地极线路。
所述第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块均采用交流变压器或交流电抗器。
所述高压阀组单元的低压端和低压阀组单元的高压端连接，并同时接入低压直流电网。
所述高压阀组单元和低压阀组单元均采用半控器件或全控器件，所述半控器件为晶闸管，所述全控器件为IGBT、IGCT、GTO等电力电子器件。
所述变压器还包括第一滤波电容器和第二滤波电容器。
所述第一平波电抗器连接高压直流电网的一端同时连接第一滤波电容器，所述第一滤波电容器的另一端接地。
所述第二平波电抗器连接接地极线路同时连接第二滤波电容器，所述第二滤波电容器的另一端接地。
所述第二平波电抗器通过接地极线路接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的适用于高压大容量直流电网或者直流多端系统的DC/DC变压器，填补了当前的国际空白，为未来多电压等级直流电网或者多端直流系统的发展提供了技术储备。该发明依托现已成熟的特高压直流输电技术，引入交流系统，通过电力电子器件构建整流或者逆变器的方式实现直流电网电压变换，而整流和逆变器技术已经有了大量的工程应用，所以本发明所提方案实现大容量直流电压变换不存在技术障碍，并且投资成本相对于直流-交流-直流的实现方式显著减小。
附图说明
图1是现有技术中直流斩波电路原理图；
图2是本发明实施例中适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器结构图；
图3是本发明实施例中高压直流电网电压示意图；
图4是本发明实施例中低压直流电网电压示意图；
图5是本发明实施例中直流变压器高压端电流示意图；
图6是本发明实施例中直流变压器低压端电流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2，本发明提供一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器，所述变压器包括第一交流电源、第二交流电源、第一交流电压转换模块、第二交流电压转换模块、高压阀组单元、低压阀组单元、第一平波电抗器和第二平波电抗器；第一交流电源和第二交流电源分别通过第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块连接到高压阀组单元和低压阀组单元，高压阀组单元和低压阀组单元串联，所述高压阀组的高压端和低压阀组的低压端分别通过第一平波电抗器和第二平坡电抗器连接高压直流电网和接地极线路。
所述高压阀组单元的低压端和低压阀组单元的高压端连接，并同时接入低压直流电网。
(1)第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块均采用交流变压器；
所述高压阀组单元和低压阀组单元均采用半控器件，所述半控器件为晶闸管；
(2)第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块均采用交流电抗器；
所述高压阀组单元和低压阀组单元均采用全控器件，所述全控器件为IGBT、IGCT、GTO等电力电子器件。
所述变压器还包括第一滤波电容器和第二滤波电容器。
所述第一平波电抗器连接高压直流电网的一端同时连接第一滤波电容器，所述第一滤波电容器的另一端接地。
所述第二平波电抗器连接接地极线路同时连接第二滤波电容器，所述第二滤波电容器的另一端接地。
所述第二平波电抗器通过接地极线路接地。
该发明依托现已成熟的特高压直流输电技术，引入交流系统，通过电力电子器件整流或者逆变的方式实现直流电压变换。
DC/DC变压器功率可以在允许范围内自由调节以适应直流电网功率传输需求，下面以双阀组DC/DC变压器为例给出仿真算例，算例中直流电网在稳态运行状态下，人工改变直流变压器低压阀组的电流指令，电网经过暂态扰动后过渡到一个新的稳态运行状态，计算结果如图3-6所示(波形从上到下分别是：DC/DC变压器高压端电压波形，低压端电压波形，高压端电流波形，低压端电流波形；算例中高压直流电网电压等级800kV，低压直流电网电压等级400kV)。仿真算例中DC/DC变压器两侧直流电压分别是800kV和400kV，T1时刻DC/DC变压器高压端对地直流电压800kV，运行电流500A，功率200MW；低压端400kV、1000A、400MW。T2时刻改变DC/DC变压器低压端的电流指令到1300A，两侧直流电压经历短暂的扰动后恢复800kV和400kV运行，高压端直流电流维持500A不变，低压端直流电流增加到1300A。
基于斩波方式的DC/DC变压器一般用于电压小容量系统中，不适用于大容量高压直流输电，更没有适用于直流电网电压变换需求的相关设计或产品。基于直流-交流-直流的直流变压方式相当于同时建设了整流站和逆变站，而且需要引入大量的交流变压器，建设成本较高，并且目前没有适用于高压大容量直流电网的产品。
本发明提出的适用于高压大容量直流电网或者直流多端系统的DC/DC变压器依托现已成熟的特高压直流输电技术，引入交流系统，通过电力电子器件构建整流或者逆变器的方式实现直流电网电压变换，而整流和逆变器技术已经有了大量的工程应用，所以本发明所提方案实现大容量直流电压变换不存在技术障碍，并且投资成本相对于直流-交流-直流的实现方式显著减小。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种适用于高压大容量直流电网的DC/DC变压器，其特征在于：所述变压器包括第一交流电源、第二交流电源、第一交流电压转换模块、第二交流电压转换模块、高压阀组单元、低压阀组单元、第一平波电抗器和第二平波电抗器；第一交流电源和第二交流电源分别通过第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块连接到高压阀组单元和低压阀组单元，高压阀组单元和低压阀组单元串联，所述高压阀组的高压端和低压阀组的低压端分别通过第一平波电抗器和第二平坡电抗器连接高压直流电网和接地极线路；
所述第一交流电压转换模块和第二交流电压转换模块均采用交流变压器或交流电抗器；
所述高压阀组单元的低压端和低压阀组单元的高压端连接，并同时接入低压直流电网；
所述高压阀组单元和低压阀组单元均采用半控器件或全控器件，所述半控器件为晶闸管，所述全控器件为IGBT、IGCT或GTO电力电子器件；
所述变压器还包括第一滤波电容器和第二滤波电容器；
所述第一平波电抗器连接高压直流电网的一端同时连接第一滤波电容器，所述第一滤波电容器的另一端接地；
所述第二平波电抗器连接接地极线路同时连接第二滤波电容器，所述第二滤波电容器的另一端接地；
所述第二平波电抗器通过接地极线路接地。
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