CN104702114B - 一种开关电容接入的高频链双向直流变压器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电容接入的高频链双向直流变压器，属于电力技术领域；主要由n台相同的直流变换器单元在一个端口串联和另一个端口并联组成，n为任意正整数；每台直流变换单元均由十一个半导体开关、二个直流电容、一个高频电感、一个高频变压器组成；n台直流变换单元中的k台为冗余工作状态，正常情况下，只将n‑k台直流变换单元的高压侧串联连接到高压直流侧、低压侧并联到低压直流侧；当任意一台直流变换单元的内部出现损坏或故障时，将任一台冗余的直流变换单元投入运行；当高压直流侧或低压直流侧发生短路故障时，将所有直流变换单元的半导体开关均关断，同时保持电容电压。本发明减小系统环流，简化故障处理和冗余技术，提高可靠性。

Description

一种开关电容接入的高频链双向直流变压器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及到固态变压器，特别涉及一种开关电容接入的高频链双向直流变压器。

背景技术

在直流电网中，由于全控型电压源换流器(VSC)技术的成熟，柔性直流输电技术发展迅速。相比传统的直流输电技术，柔性直流输电不需借助交流电网换相，不存在换相失败的问题，可以为无源系统供电；采用脉冲宽度调制(PWM)技术，电压和电流谐波含量较少，可以减少或省略滤波环节，占地变小；另外，全控型VSC控制灵活，可以快速独立的控制有功和无功功率，并且潮流可以在正、反两个方向上调节。因此，柔性直流输电技术在风电场接入、孤立负荷供电、非同步电网联网等方面具有很大的应用前景。尤其是多端柔性直流输电的发展，为直流组网提供了有效的技术途径，并且也激励着柔性直流技术向配电侧延伸。

而为了实现直流电网中不同区域或不同电压等级直流输、配电网的组网，以及各种不同直流电压等级的负荷、储能系统和分布式发电的接入，直流能量的变换将不可避免。但是直流电网中难以像交流变压器那样通过磁耦合的方式实现电压变换，因此必须基于电力电子技术通过直流变压器实现直流电压的变换和功率的双向传递。

在低压小容量领域，DC/DC变换器已经得到比较广泛的应用，对于高频隔离型DC/DC变换器(IBDC)也有较多的文献进行探讨。这些类型的DC/DC变换器可以用于低压直流微电网中直流负荷、储能、分布式电源等的接入，却无法作为高压直流(HVDC)配网和低压直流(LVDC)微电网间的能量变换环节。

借鉴DC/DC变换器的多重化技术思路，文献《用于柔性直流配电的高频链直流变压器》探讨了基于双主动全桥(DAB)的多重化直流变压器方案，如图1所示。该多重化直流变压器主要由n个完全相同的DAB变换器组成，每个DAB变换器由两个全桥(H1和H2)、一个高频电感(L)、一个高频变压器(T)、两个直流电容(C1、C2)构成。n个DAB在高压端串联以接入高压直流侧，在低压端并联以接入低压直流侧，从而使高压直流侧电压等级提高n倍，使低压直流侧电流等级提高n倍。此类方案通过采用高频隔离的DAB为基本单元，直流变压器不仅实现了高低压等级的变换，还实现了高低压直流母线的电气隔离以及功率的双向流动。尽管如此，在直流电网的系统级应用时，由于直流电容均为集中布置，直流母线发生故障时，会导致直流电容迅速放电，产生较大的过电流；并且故障清除后，需要对直流电容重新充电，使直流系统的动态恢复过程变慢。另外，DAB变换器发生故障后，无法设置冗余单元运行，否则会造成直流电容短路，这也使得子单元发生故障后，直流变压器便要停止运行，降低系统可靠性。

除此之外，由于DAB中高频变压器两端的电压均为两电平高频方波。在能量传输过程中，当两端直流电压与变压器变比不匹配时存在很大的环流，进而导致很大的电流应力、较低的效率，这也是目前限制DAB大规模应用的技术瓶颈。而基于双主动全桥(DAB)的多重化直流变压器方案在进行系统级直流组网时，由于直流母线电压会存在波动，使得各子单元两端直流电压与变压器变比不匹配，降低直流变压器的运行效率。

发明内容

本发明的目的是为解决上述的技术问题，提出一种开关电容接入的高频链双向直流变压器及其控制方法，本发明不仅减小系统环流，并且简化故障处理和冗余技术，提高可靠性。

本发明采取的技术方案如下：

一种开关电容接入的高频链双向直流变压器，其特征在于：该双向直流变压器主要由n台相同的直流变换器单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn组成，n为任意正整数；第一台直流变换器单元SCDAB1的高压侧第一连接端子T1通过直流辅助电感L1与高压直流侧的正极相连；第m台直流变换器单元SCDABm的高压侧第二连接端子T2与第m+1台直流变换器单元SCDABm+1的高压侧第一连接端子T1相连，1≤m<n；第n台直流变换器单元SCDABn的高压侧第二连接端子T2与高压直流侧的负极相连；n台直流变换器单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn的低压侧连接端子T3均与低压直流侧的正极相连；n台直流变换器单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn的低压侧连接端子T4均与低压直流侧的负极相连。

本发明的双向直流变压器中直流变换单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn均由十一个半导体开关S1～S11、二个直流电容C1、C2、一个高频电感L2、一个高频变压器T组成；第一半导体开关S1的发射极与第二半导体开关S2的集电极连接在第一连接端子T1；第二、第四和第六半导体开关S2、S4和S6的发射极与第一直流电容C1的负极连接在第二连接端子T2；第一、第三和第五半导体开关S1、S3、S5的集电极与第一直流电容C1的正极连接在第一公共连接点P1；第三半导体开关S3的发射极与第四半导体开关S4的集电极连接在第二公共连接点P2；第五半导体开关S5的发射极与第六半导体开关S6的集电极连接在第三公共连接点P3；第七、第九半导体开关S7、S9的发射极与第十一半导体开关S11的集电极连接在第三连接端子T3；第八、第十半导体开关S8、S10的集电极与第二直流电容C2的负极连接在第四连接端子T4；第七半导体开关S7的发射极与第八半导体开关S8的集电极连接在第四公共连接点P4；第九半导体开关S9的发射极与第十半导体开关S10的集电极连接在第五公共连接点P5；第十一半导体开关S11的集电极与第二直流电容C2的正极相连；第二、第三公共连接点P2、P3与高频电感L2以及高频变压器T的高压侧绕组串联连接；第四、第五公共连接点P4、P5与高频变压器T的低压侧绕组串联连接。

所述的一种开关电容接入的高频链双向直流变压器的控制方法，其特征在于所述的控制方法为：

a)所述的开关电容接入的高频链双向直流变压器中，n台直流变换单元中的k台为冗余工作状态，且0≤k<n；

b)正常情况下，n-k台直流变换单元的高压侧串联连接到高压直流侧，低压侧并联到低压直流侧，即直流变换单元的第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11为导通状态，而第二半导体开关S2为关断状态；同时，其余的k台直流变换单元的高压侧与直流变压器的高压直流侧断开，低压侧与低压直流侧断开，即直流变换单元的第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11为关断状态，而第二半导体开关S2为导通状态；

c)当任意一台直流变换单元的内部出现损坏或故障时，将其第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11关断，第二半导体开关S2导通，使得发生损坏或故障的直流变换单元旁路；同时，将一台冗余的直流变换单元的第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11导通，第二半导体开关S2关断，使其投入运行，保证系统始终具有n-k台直流变换单元运行；

d)当开关电容接入的高频链双向直流变压器的高压直流侧或低压直流侧发生短路故障时，将所有直流变换单元的半导体开关均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1)直流母线故障时，封锁脉冲即可，不会产生过电流，直流电容不会放电，便于故障后系统的快速恢复。

2)某一台直流变换单元发生故障后，可以快速旁路故障单元，投入冗余单元保证正常运行，提高直流变压器的可靠性。

3)串联侧开关电容接口可以通过调节开关管的状态调节DAB子单元直流端电压，保证DAB子单元始终工作在匹配状态下，减小环流。

附图说明

图1是基于双主动全桥(DAB)的多重化直流变压器的拓扑结构图。

图2是本发明的开关电容接入的高频链双向直流变压器的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合本发明的技术方案和附图进一步叙述本发明的具体实施例。

本发明的开关电容接入的高频链双向直流变压器的拓扑结构如图2所示。该双向直流变压器主要由n台相同的直流变换器单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn组成，n为任意正整数；第一台直流变换器单元SCDAB1的高压侧第一连接端子T1通过直流辅助电感L1与高压直流侧的正极相连；第m台直流变换器单元SCDABm的高压侧第二连接端子T2与第m+1台直流变换器单元SCDABm+1的高压侧第一连接端子T1相连，1≤m<n；第n台直流变换器单元SCDABn的高压侧第二连接端子T2与高压直流侧的负极相连；n台直流变换器单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn的低压侧连接端子T3均与低压直流侧的正极相连；n台直流变换器单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn的低压侧连接端子T4均与低压直流侧的负极相连。

本发明的双向直流变压器中直流变换单元SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn均由十一个半导体开关S1～S11、二个直流电容C1、C2、一个高频电感L2、一个高频变压器T组成；第一半导体开关S1的发射极与第二半导体开关S2的集电极连接在第一连接端子T1；第二、第四和第六半导体开关S2、S4和S6的发射极与第一直流电容C1的负极连接在第二连接端子T2；第一、第三和第五半导体开关S1、S3、S5的集电极与第一直流电容C1的正极连接在第一公共连接点P1；第三半导体开关S3的发射极与第四半导体开关S4的集电极连接在第二公共连接点P2；第五半导体开关S5的发射极与第六半导体开关S6的集电极连接在第三公共连接点P3；第七、第九半导体开关S7、S9的发射极与第十一半导体开关S11的集电极连接在第三连接端子T3；第八、第十半导体开关S8、S10的集电极与第二直流电容C2的负极连接在第四连接端子T4；第七半导体开关S7的发射极与第八半导体开关S8的集电极连接在第四公共连接点P4；第九半导体开关S9的发射极与第十半导体开关S10的集电极连接在第五公共连接点P5；第十一半导体开关S11的集电极与第二直流电容C2的正极相连；第二、第三公共连接点P2、P3与高频电感L2以及高频变压器T的高压侧绕组串联连接；第四、第五公共连接点P4、P5与高频变压器T的低压侧绕组串联连接。

本发明的双向直流变压器中直流变换单元的半导体开关可以选择MOSFET、IGBT等全开关器件，直流电容可以选择电解电容，高频电感和高频变压器可以采用铁氧体或者纳米晶软磁材料制作，上述器件及制作均属于本领域的公知常规技术。

本发明的开关电容接入的高频链双向直流变压器的控制方法为：

a)所述的开关电容接入的高频链双向直流变压器中，n台直流变换单元中的k台为冗余工作状态，且0≤k<n；

b)正常情况下，n-k台直流变换单元的高压侧串联连接到高压直流侧，低压侧并联到低压直流侧，即直流变换单元的第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11为导通状态，而第二半导体开关S2为关断状态；同时，其余的k台直流变换单元的高压侧与直流变压器的高压直流侧断开，低压侧与低压直流侧断开，即直流变换单元的第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11为关断状态，而第二半导体开关S2为导通状态；

c)当任意一台直流变换单元的内部出现损坏或故障时，将其第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11关断，第二半导体开关S2导通，使得发生损坏或故障的直流变换单元旁路；同时，将一台冗余的直流变换单元的第一半导体开关S1、第十一半导体开关S11导通，第二半导体开关S2关断，使其投入运行，保证系统始终具有n-k台直流变换单元运行；

d)当开关电容接入的高频链双向直流变压器的高压直流侧或低压直流侧发生短路故障时，将所有直流变换单元的半导体开关均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压。

上述方法中冗余单元数量k可以根据实际情况进行选择，k越大，系统可靠性越高，但是系统成本也增加。

本发明的系统实施例中双向直流变压器的高压直流侧接入20kV直流电压，低压直流侧接入400V直流电压；每个双向直流变压器由30台相同的直流变换器单元组成，即n＝30；30台直流变换单元中的5台为冗余工作状态，即k＝5；则30台直流变换单元中高压侧额定电压为20kV/25＝800V，低压侧额定电压为400V，可以设置每个直流变换器单元中直流辅助电感L1为2mH，半导体开关S3～S10的开关频率为20kHz、高频电感L2为0.1mH、高频变压器T变比为800V：400V，二个直流电容C1、C2均为3300uF，则：

(1)正常情况下，25台直流变换单元的第一、第十一半导体开关S1、S11为导通状态，而第二半导体开关S2为关断状态(即直流变换单元的高压侧串联连接到高压直流侧，低压侧并联到低压直流侧)；同时，其余的5台直流变换单元的第一、第十一半导体开关S1、S11为关断状态，而第二半导体开关S2为导通状态(即5台直流变换单元的高压侧未被串联到高压直流侧，低压侧未被并联到低压直流侧)；

(2)当任意一台直流变换单元的内部出现损坏或故障时，将该台直流变换单元的第一、第十一半导体开关S1、S11关断，第二半导体开关S2导通，使得发生损坏或故障的直流变换单元旁路；同时，将任意一台冗余的直流变换单元的第一、第十一半导体开关S1、S11导通，第二半导体开关S2关断，使其投入运行，保证系统始终具有25台直流变换单元运行；

(3)当开关电容接入的高频链双向直流变压器的高压直流侧或低压直流侧发生短路故障时，将所有直流变换单元的半导体开关均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压。

Claims (2)

1.一种开关电容接入的高频链双向直流变压器，其特征在于：该高频链双向直流变压器主要由n台相同的直流变换器单元(SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn)组成，n为任意正整数；第一台直流变换器单元(SCDAB1)的高压侧第一连接端子(T1)通过直流辅助电感(L1)与高压直流侧的正极相连；第m台直流变换器单元(SCDABm)的高压侧第二连接端子(T2)与第m+1台直流变换器单元(SCDABm+1)的高压侧第一连接端子(T1)相连，1≤m<n；第n台直流变换器单元(SCDABn)的高压侧第二连接端子(T2)与高压直流侧的负极相连；n台直流变换器单元(SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn)的低压侧连接端子(T3)均与低压直流侧的正极相连；n台直流变换器单元(SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn)的低压侧连接端子(T4)均与低压直流侧的负极相连；

所述的直流变换单元(SCDAB1、SCDAB2、…SCDABn)均由十一个半导体开关(S1～S11)、二个直流电容(C1、C2)、一个高频电感(L2)、一个高频变压器(T)组成；第一半导体开关(S1)的发射极与第二半导体开关(S2)的集电极连接在第一连接端子(T1)；第二、第四和第六半导体开关(S2、S4和S6)的发射极与第一直流电容(C1)的负极连接在第二连接端子(T2)；第一、第三和第五半导体开关(S1、S3、S5)的集电极与第一直流电容(C1)的正极连接在第一公共连接点(P1)；第三半导体开关(S3)的发射极与第四半导体开关(S4)的集电极连接在第二公共连接点(P2)；第五半导体开关(S5)的发射极与第六半导体开关(S6)的集电极连接在第三公共连接点(P3)；第七、第九半导体开关(S7、S9)的发射极与第十一半导体开关(S11)的集电极连接在第三连接端子(T3)；第八、第十半导体开关(S8、S10)的集电极与第二直流电容(C2)的负极连接在第四连接端子(T4)；第七半导体开关(S7)的发射极与第八半导体开关(S8)的集电极连接在第四公共连接点(P4)；第九半导体开关(S9)的发射极与第十半导体开关(S10)的集电极连接在第五公共连接点(P5)；第十一半导体开关(S11)的集电极与第二直流电容(C2)的正极相连；第二、第三公共连接点(P2、P3)与高频电感(L2)以及高频变压器(T)的高压侧绕组串联连接；第四、第五公共连接点(P4、P5)与高频变压器(T)的低压侧绕组串联连接。

2.一种如权利要求1所述的开关电容接入的高频链双向直流变压器的控制方法，其特征在于，所述的控制方法为：

a)所述的开关电容接入的高频链双向直流变压器中，n台直流变换单元中的k台为冗余工作状态，且0≤k<n；

b)正常情况下，n-k台直流变换单元的第一、第十一半导体开关(S1、S11)为导通状态，而第二半导体开关(S2)为关断状态；同时，其余的k台直流变换单元的第一、第十一半导体开关(S1、S11)为关断状态，而第二半导体开关(S2)为导通状态；

c)当任意一台直流变换单元的内部出现损坏或故障时，将该台直流变换单元的第一、第十一半导体开关(S1、S11)关断，第二半导体开关(S2)导通，使得发生损坏或故障的直流变换单元旁路；同时，将任一台冗余的直流变换单元的第一、第十一半导体开关(S1、S11)导通，第二半导体开关(S2)关断，使其投入运行，保证系统始终具有n-k台直流变换单元运行；

d)当开关电容接入的高频链双向直流变压器的高压直流侧或低压直流侧发生短路故障时，将所有直流变换单元的半导体开关均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压。