CN104283436A - 一种基于变压器耦合的组合式mmc型直流变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变压器耦合的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，包括个数均相同的高压侧模块化多电平换流器、隔离变压器和低压侧模块化多电平换流器；各高压侧模块化多电平换流器串联连接，每个高压侧模块化多电平换流器的直流侧均并联有电容；低压侧模块化多电平换流器采用串联方式连接时，所述低压侧模块化多电平换流器的直流侧均并联有电容，并联方式连接时，则不需要并联电容；每个高压侧模块化多电平换流器通过隔离变压器与相应低压侧模块化多电平换流器连接。本发明可以实现高性能的高压大功率直流电压等级变换，提高直流变压器的电压等级、传输能力、结构上的灵活性和功能上的可扩展性，还可以降低控制策略的难度。

Description

一种基于变压器耦合的组合式MMC型直流变压器

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种基于变压器耦合的组合式模块化多电平换流器型直流变压器。

背景技术

随着直流电网概念的提出，对新一代电网的构想已有阶段性的成果。现在国内外已经有不少高压直流输电线路投入实际运行，所以直流电网具有巨大的推广前景。直流变压器是构建直流电网的关键设备，一般直流电网涉及的电压等级较高、功率较大，因此，研究并开发可应用于高压大功率场合的直流变压器具有重要意义。

目前，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)已经在高压直流输电系统中得到了较好的应用。模块化多电平换流器与传统两电平、三电平拓扑不同，其桥臂避免了开关器件的直接串联，不存在器件均压等问题，采用一般市售的开关器件即可；通过改变子模块个数即可适应不同电压和功率等级的要求；其交流输出为多电平阶梯波，大大减小了谐波含量，可以不用或使用较小的滤波器；模块化结构便于冗余设计，提高了系统的可靠性。所以相对两电平、三电平VSC，模块化多电平换流器在高压大功率场合下具有明显的优势。

随着电压和容量等级的不断提高，模块化多电平换流器上下桥臂需要串联更多的子模块来适应更高的电压等级。同时，还需要使用具有更高过流能力的电力电子器件来满足容量的增大。多电平换流器子模块数量的增加，无疑加重了子模块间均压控制的难度，也对模块化多电平变换器可靠性和稳定性的运行造成了威胁。而电力电子器件过流能力的增大，对现有的制造工艺提出了更高的要求，也会极大的增加其造价。所以模块化多电平变换器的应用仍受到许多限制，有许多困难亟待解决。

将模块化多电平换流器的技术直接应用到直流变压器中，无疑为直流电网的发展带来了极大的便利。在专利文献CN103731035A中公开了一种基于模块化多电平换流器拓扑结构的DC-DC变换器，这种DC-DC变换器输入、输出侧直接采用了模块化多电平变换器结构，中间用隔离变压器进行连接，该结构能够应对较高的电压等级。但随着电网发展，电压和容量等级的不断提高，模块化多电平变换器的子模块数量也会不断增加，这将导致模块化多电平变换器的控制策略越来越复杂，子模块均压也会更困难，并对该DC-DC变换器的工作性能造成威胁。另一方面，诚如该专利文献中描述，通常高压大功率的直流变压器中会含有隔离变压器，而直流变压器的整体参数决定了隔离变压器的相关参数。因此，高电压大功率对隔离变压器也有很大的考量，对其额定容量、绝缘要求、绕组方式等有很高的要求，其造价和工艺相对更高。

发明内容

为了改善上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于变压器耦合的组合式MMC型直流变压器，以实现高性能的高压大功率直流电压等级变换，提高直流变压器的电压等级、传输能力，结构上的灵活性，功能上的可扩展性，并降低控制策略的难度。

本发明提供的一种基于变压器耦合的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述直流变压器包括高压侧模块化多电平换流器、隔离变压器和低压侧模块化多电平换流器；高压侧模块化多电平换流器、隔离变压器和低压侧模块化多电平换流器的个数均相同；

各所述高压侧模块化多电平换流器串联连接，每个所述高压侧模块化多电平换流器的直流侧均并联有电容；各所述低压侧模块化多电平换流器采用串联方式连接时，每个所述低压侧模块化多电平换流器的直流侧均并联有电容，多个所述低压侧模块化多电平换流器采用并联方式连接时，每个所述低压侧模块化多电平换流器的直流侧不需要并联电容；每个所述高压侧模块化多电平换流器通过隔离变压器与相应低压侧模块化多电平换流器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的直流变压器两侧采用以模块化多电平换流器为基本单元的组合式结构，能根据实际应用场合灵活变换结构，通过改变本发明所提出直流变压器的高压侧模块化多电平换流器和低压侧模块化多电平换流器数量，以及低压侧模块化多电平换流器串联或者并联的连接方式，便能够方便的扩展电压等级和容量等级，提高直流变压器的适应性和可扩展性强。

2、本发明提供的直流变压器高压侧和低压侧每个模块化多电平换流器通过隔离变压器连接，所述隔离变压器间相互独立，从而降低了单台隔离变压器的耐压等级和额定容量。在应用于大功率系统时，能有效降低对隔离变压器的工艺要求和成本。同时，当低压侧模块化多电平换流器采用并联方式连接时，能够降低隔离变压器的变比，提高隔离变压器的工作效率，并能有效对变换器的输入输出侧进行电气隔离。

3、本发明提供的直流变压器与传统的模块化多电平换流器型直流变压器相比，用多个含有较少子模块的模块化多电平换流器代替一个含有大量子模块的模块化多电平换流器。在控制策略上看，能有效降低控制模块化多电平换流器的难度。

4、本发明提供的直流变压器不仅能提供模块化多电平换流器内部子模块的冗余，而且还能提供对模块化多电平换流器和隔离变压器的冗余保护，能够大大提高直流变压器运行的可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的基于单相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器拓扑图(低压侧采用串联方式)；

图2是本发明提供的基于单相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器拓扑图(低压侧采用并联方式)；

图3是本发明提供的基于三相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器拓扑图(低压侧采用串联方式)；

图4是本发明提供的基于三相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器拓扑图(低压侧采用并联方式)；

图5是本发明提供的基于多相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器拓扑图(低压侧采用串联方式)；

图6是本发明提供的基于多相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器拓扑图(低压侧采用并联方式)。

具体实施方式

本发明将模块化多电平换流器的优点应用到直流变压器中，提出一种基于变压器耦合的组合式模块化多电平换流器型直流变压器。在保留模块化多电平换流器自身优点的前提下，通过对模块化多电平换流器进行串并联连接，实现直流变压器的直流变换功能，提高直流变压器的电压和容量等级；另一方面，利用提出的组合式结构，有效降低隔离变压器的单台额定容量以及变比大小，提高隔离变压器的效率，降低隔离变压器的工艺要求。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，提供了一种基于单相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器，所述直流变压器包括高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k，隔离变压器T₁、T₂、……、T_k，以及低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k；本实例中隔离变压器T₁、T₂、……、T_k为单相变压器。所述高压侧模块化多电平换流器个数、所述单相变压器个数和所述低压侧模块化多电平换流器个数均相同，k为正整数，根据实际高低压侧的电压等级和容量大小来合理选择k的值，表示高压侧模块化多电平换流器、单相变压器和低压侧模块化多电平换流器的个数；所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器均为两桥臂结构，并通过单相变压器连接。

高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k和低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k均包括多电平换流器子模块。所述子模块可使用半桥结构或全桥结构。高压侧中，每个桥臂由多电平换流器子模块SM₁、SM₂、……、SM_n串联组成，低压侧中，每个桥臂由多电平换流器子模块SM₁、SM₂、……、SM_m串联组成，所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器的子模块数量可不相同，即n和m可以不等，即根据电压等级来合理安排其数量。

本发明中，多电平换流器子模块可以是各种模块化的多电平换流器件或单元。

所述高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k采用串联方式连接，所述高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k的直流侧分别与电容C₁、C₂、……、C_k并联；所述电容C₁、C₂、……和C_k均相同，根据高压侧电压等级来合理选择它们的电容大小和额定工作电压等参数。

所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k既可采用串联方式连接，也可采用并联方式连接，根据实际系统容量和模块化多电平换流器最大载流量来确定采用串联或者并联方式进行连接。当所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k采用串联方式连接时，所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k的直流侧分别与电容C₁’、C₂’、……、C_k’并联；所述电容C₁’、C₂’、……和C_k’均相同，根据低压侧电压等级来合理选择它们的电容大小和额定工作电压等参数。

在上述结构中，如果所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k采用并联方式连接，所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k直流侧不需要并联电容，其结构如图2所示。

所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率和低压侧模块化多电平换流器的交流侧输入频率可以是工频、中频或高频。

所述单相变压器的工作频率可以是工频、中频或高频，与所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率相匹配。

如图3所示，提供了一种基于三相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器，所述直流变压器包括高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k，隔离变压器T₁、T₂、……、T_k，以及低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k；本实例中隔离变压器T₁、T₂、……、T_k为三相变压器。所述高压侧模块化多电平换流器个数、所述三相变压器个数和所述低压侧模块化多电平换流器个数均相同，k为正整数，根据实际高低压侧的电压等级和容量大小来合理选择k的值，表示高压侧模块化多电平换流器、三相变压器和低压侧模块化多电平换流器的个数；所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器均为三桥臂结构，并通过三相变压器连接。

高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k和低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k均包括多电平换流器子模块。所述子模块可使用半桥结构或全桥结构。高压侧中，每个桥臂由多电平换流器子模块SM₁、SM₂、……、SM_n组成，低压侧中，每个桥臂由多电平换流器子模块SM₁、SM₂、……、SM_m组成，所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器的子模块数量可不相同，即n和m可以不等，即根据电压等级来合理安排其数量。

所述高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k采用串联方式连接，所述高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k的直流侧分别与电容C₁、C₂、……、C_k并联；所述电容C₁、C₂、……和C_k均相同，根据高压侧电压等级来合理选择它们的电容大小和额定工作电压等参数。

所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k既可采用串联方式连接，也可采用并联方式连接，根据实际系统容量和模块化多电平换流器最大载流量来确定采用串联或者并联方式进行连接。当所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k采用串联方式连接时，所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k的直流侧分别与电容C₁’、C₂’、……、C_k’并联；所述电容C₁’、C₂’、……和C_k’均相同，根据低压侧电压等级来合理选择它们的电容大小和额定工作电压等参数。

在上述结构中，如果所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k采用并联方式连接，所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k直流侧不需要并联电容，其结构如图4所示。

所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率和低压侧模块化多电平换流器的交流侧输入频率可以是工频、中频或高频。

所述三相变压器的工作频率可以是工频、中频或高频，与所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率相匹配。

如图5所示，提供了一种基于多相变压器耦合的组合式MMC型直流变压器，所述直流变压器包括高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k，隔离变压器T₁、T₂、……、T_k，以及低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k；本实例中隔离变压器T₁、T₂、……、T_k为多相变压器。所述高压侧模块化多电平换流器个数、所述多相变压器个数和所述低压侧模块化多电平换流器个数均相同，k为正整数，根据实际高低压侧的电压等级和容量大小来合理选择k的值，表示高压侧模块化多电平换流器、多相变压器和低压侧模块化多电平换流器的个数；所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器均为多桥臂结构，并通过多相变压器连接；所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器的桥臂数与多相变压器的相数相同。

高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k和低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k均包括多电平换流器子模块。所述子模块可使用半桥结构或全桥结构。高压侧中，每个桥臂由多电平换流器子模块SM₁、SM₂、……、SM_n组成，低压侧中，每个桥臂由多电平换流器子模块SM₁、SM₂、……、SM_m组成，所述高压侧和低压侧模块化多电平换流器的子模块数量可不相同，即n和m可以不等，即根据电压等级来合理安排其数量。

所述高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k采用串联方式连接，所述高压侧模块化多电平换流器MMCh₁、MMCh₂、……、MMCh_k的直流侧分别与电容C₁、C₂、……、C_k并联；所述电容C₁、C₂、……和C_k均相同，根据高压侧电压等级来合理选择它们的电容大小和额定工作电压等参数。

所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k既可采用串联方式连接，也可采用并联方式连接，根据实际系统容量和模块化多电平换流器最大载流量来确定采用串联或者并联方式进行连接。当所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k采用串联方式连接时，所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k的直流侧分别与电容C₁’、C₂’、……、C_k’并联；所述电容C₁’、C₂’、……和C_k’均相同，根据低压侧电压等级来合理选择它们的电容大小和额定工作电压等参数。

在上述结构中，如果所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k采用并联方式连接，所述低压侧模块化多电平换流器MMCl₁、MMCl₂、……、MMCl_k直流侧不需要并联电容，其结构如图6所示。

所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率和低压侧模块化多电平换流器的交流侧输入频率可以是工频、中频或高频。

所述多相变压器的工作频率可以是工频、中频或高频，与所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率相匹配。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于变压器耦合的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述直流变压器包括高压侧模块化多电平换流器、隔离变压器和低压侧模块化多电平换流器；高压侧模块化多电平换流器、隔离变压器和低压侧模块化多电平换流器的个数均相同；

各所述高压侧模块化多电平换流器串联连接，每个所述高压侧模块化多电平换流器的直流侧均并联有电容；各所述低压侧模块化多电平换流器采用串联方式连接时，每个所述低压侧模块化多电平换流器的直流侧均并联有电容，多个所述低压侧模块化多电平换流器采用并联方式连接时，每个所述低压侧模块化多电平换流器的直流侧不需要并联电容；每个所述高压侧模块化多电平换流器通过隔离变压器与相应低压侧模块化多电平换流器连接。

2.根据权利要求1所述的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述高压侧和低压侧的模块化多电平换流器均包括多电平换流器子模块；所述高压侧模块化多电平换流器和低压侧模块化多电平换流器的子模块数量相同或不同。

3.根据权利要求1所述的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率和低压侧模块化多电平换流器的交流侧输入频率是工频、中频或高频。

4.根据权利要求1所述的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述隔离变压器的工作频率是工频、中频或高频，与所述高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率一致。

5.根据权利要求1至4中任一所述的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述隔离变压器为单相变压器、三相变压器或者多相变压器。

6.根据权利要求1至4中任一所述的组合式模块化多电平换流器型直流变压器，其特征在于，所述多电平换流器子模块为任一模块化的多电平换流器件或单元。