CN104852583A - 一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器 - Google Patents

一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器 Download PDF

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本发明公开了一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,属于电力技术领域;由依次相连的低压直流变换级、高频隔离变换级和高压直流变换级组成;低压直流变换级包括m个相同的全桥变换器,高频隔离变换级包括m个相同的高频隔离变压器和一个串联电感,高压直流变换级采用1个模块化多电平变换器;低压直流变换级中的m个全桥变换器的直流侧并联引出低压直流端,m个全桥变换器的交流侧与高频隔离变换级中m个高频隔离变压器的原边分别相连,高频隔离变压器的副边依次串联后与串联电感串联,并与高压直流变换级中模块化多电平变换器的交流端连接,模块化多电平变换器的直流侧引出高压直流端。本发明可以并且提高功率密度、效率和可靠性。

Description

一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器
技术领域
[0001] 本发明属于电力技术领域,涉及到固态变压器,特别涉及一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 而为了实现直流配电网中中压直流配电母线与低压直流微电网母线或各种不同直流电压等级的负荷、储能系统和分布式发电的连接,直流能量的变换将不可避免。但是直流配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。
[0004] 在电力电子领域,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,却由于电压等级和容量的限制,无法作为中压直流配网和低压直流微电网间的能量变换环节。
[0005] 专利《一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器》(专利号为201410361071.4)以模块化多电平变换器为基本单元提出了一种模块化多电平直流变压器方案。该方案中,模块化多电平变换器的2个桥臂均由上下两个子桥臂和两个桥臂电感组成,每个上下子桥臂均由η个相同的子模块串联组成;一个桥臂电感串联在上子桥臂下端和桥臂中点之间,一个桥臂电感串联在下子桥臂上端和桥臂中点之间,η为任意正整数。该方案中,电压等级可以通过增减电平变换器模块单元串联数量进行灵活调节,并且可以提供冗余模块提高系统可靠性,但是由于模块化多电平变换器主要用于高压领域,该方案在用于中低压直流配电领域时,低压侧的容量无法通过增减子模块串联数量进行提高。
[0006] 专利《一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器》(专利号:201310470359.0)以高频隔离的双主动全桥变换器为基本单元提出了一种多重化直流变压器方案。该方案中,双主动全桥变换器在高压直流端串联以提高电压等级、在低压直流端并联以提高电流等级,因而避免了开关器件的直接串联,但是双主动全桥变换器中高频隔离变压器两端的电压均为两电平高频方波,在实际工作过程中,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,阻碍其大规模应用。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为解决上述的技术问题,提出一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,不仅实现中低压直流功率的双向流动和电气隔离,并且提高系统效率和可靠性。
[0008] 本发明采取的技术方案如下:
[0009] 一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,其特征在于,该系统主要由低压直流变换级、高频隔离变换级和高压直流变换级组成;低压直流变换级包括m个相同的全桥变换器,m为任意正整数;高频隔离变换级包括m个相同的高频隔离变压器和一个串联电感;高压直流变换级采用I个模块化多电平变换器;低压直流变换级中的m个全桥变换器的直流侧并联引出低压直流端,m个全桥变换器的交流侧与高频隔离变换级中m个高频隔离变压器的原边分别相连,高频隔离变压器的副边依次串联后与串联电感串联组成高压高频交流端,高压高频交流端与高压直流变换级中模块化多电平变换器的交流端连接,模块化多电平变换器的直流侧引出高压直流端。
[0010] 所述的全桥变换器、高频隔离变压器和模块化多电平变换器不仅可以是单相结构,还可以是三相结构。
[0011] 所述的高频隔离变压器的工作频率均大于50Hz。
[0012] 所述的串联电感的电感量大于等于零。
[0013] 采用上述技术方案,本发明的有益效果在于:
[0014] I)本发明的直流变压器可以作为中压直流配电网和低压直流微电网或储能、分布式电源之间的接口系统,实现中低压直流环节的电压匹配,并且实现功率的双向流动和电气隔呙。
[0015] 2)本发明的直流变压器采用高频隔离变换方案,可以有效缩小变流器体积,提高功率密度。
[0016] 3)本发明的直流变压器采用多电平变换方案,可以有效减小高频环节的谐波含量、减小环流、提高效率。
[0017] 4)本发明方案在高压直流端故障时,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。
[0018] 5)本发明中的模块化多电平变换器中子模块发生故障后,可以快速旁路故障模块,投入冗余单元保证正常运行,提高直流变压器的可靠性。
附图说明
[0019] 图1是本发明的高频链多电平直流变压器的拓扑结构图。
[0020] 图2是高频链多电平直流变压器中模块化多电平变换器的子模块拓扑结构图。
[0021] 图3是高频链多电平直流变压器的三相拓扑结构图。
[0022] 图4是高频链多电平直流变压器中串联电感L两端的高频链电压和电流波形。
[0023] 图5(a)是高频链多电平直流变压器中高压直流端的电压和电流波形;
[0024] 图5(b)是高频链多电平直流变压器中低压直流端的电压和电流波形。
具体实施方式
[0025] 下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
[0026] 本发明的用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器的拓扑结构如图1所示。该高频链多电平直流变压器主要由依次相连的低压直流变换级、高频隔离变换级和高压直流变换级组成;该低压直流变换级包括m个相同的全桥变换器(Hl、H2、…Hm),m为任意正整数;该高频隔离变换级包括m个相同的高频隔离变压器(T1、T2、…Tm)和一个串联电感(L);该高压直流变换级采用I个模块化多电平变换器(MC),其中,低压直流变换级中的m个全桥变换器(H1、H2、…Hm)的直流侧并联引出低压直流端,m个全桥变换器(Hl、H2、…Hm)的交流侧与高频隔离变换级中m个高频隔离变压器(T1、T2、…Tm)的原边分别相连,高频隔离变压器(Τ1、Τ2、…Tm)的副边依次串联后与串联电感(L)串联组成高压高频交流端,高压高频交流端与高压直流变换级中模块化多电平变换器(MC)的交流端连接,模块化多电平变换器(MC)的直流侧引出高压直流端。
[0027] 本发明各元件的具体实施方式分别说明如下:
[0028] 所述模块化多电平变换器(MC)的2个桥臂均由上下两个子桥臂组成,一个桥臂电感Lcp串联在上子桥臂下端和桥臂中点之间,一个桥臂电感Lcp串联在下子桥臂上端和桥臂中点之间,η为任意正整数;每个上下子桥臂均由η个相同的子模块(sub)串联组成,子模块sub的结构如图2所示。
[0029] 所述的高频隔离变压器(Tl、Τ2、…Tm)的工作频率均大于50Hz,可采用硅钢、铁氧体和纳米金等材料制作。
[0030] 所述的串联电感(L)的电感量大于等于零,可以采用硅钢、铁氧体和纳米金等材料制作。
[0031] 全桥变换器中的开关器件可以选用IGBT和MOSFET等常用的全开关器件。
[0032] 所述高频隔离变换级的全桥变换器(Η1、Η2、...Ηπι)、高频隔离变换级的高频隔离变压器(Τ1、Τ2、...Τπι)和模块化多电平变换器(MC)不仅可以是单相结构,还可以是图3所示的三相结构。主要由依次相连的低压直流变换级、高频隔离变换级和高压直流变换级组成;该低压直流变换级包括m个相同的三相全桥变换器(H1、H2、…Hm),m为任意正整数;该高频隔离变换级包括m个相同的三相高频隔离变压器(Tl、T2、…Tm)和三个串联电感(L1、L2、L3);该高压直流变换级采用I个三相模块化多电平变换器(MC),其中,低压直流变换级中的m个三相全桥变换器(H1、H2、…Hm)的直流侧并联引出低压直流端,m个三相全桥变换器(H1、H2、…Hm)的交流侧与高频隔离变换级中m个三相高频隔离变压器(T1、T2、…Tm)的原边分别相连,三相高频隔离变压器(Τ1、Τ2、…Tm)的副边依次串联后与三个串联电感(L1、L2、L3)串联组成高压高频交流端,高压高频交流端与高压直流变换级中三相模块化多电平变换器(MC)的交流端连接,三相模块化多电平变换器(MC)的直流侧引出高压直流端。所述模块化多电平变换器(MC)的3个桥臂均由上下两个子桥臂组成,每个上下子桥臂均由η个相同的子模块(sub)串联组成,每个桥臂电感Lcp串联在上子桥臂下端和桥臂中点之间,η为任意正整数
[0033] 实施例
[0034] 本发明的系统实施例中低压直流变换级包括三个相同的单相全桥变换器,开关频率10kHz,直流电容470uF ;高频隔离变换级包括三个相同的单相高频隔离变压器,工作频率10kHz,变比240/240,串联电感0.2mH ;高压直流变换级中模块化多电平变换器的每个上下桥臂均包括三个相同的子模块,开关频率10kHz,电容900uF,上下桥臂电感OmH。直流变压器高压端电压720V,低压端电压240V。
[0035] 本实施例的效果:
[0036] 如图4所示是本实施例的高频链多电平直流变压器中串联电感L两端的高频链电压和电流波形。从图中可以看出,串联电感两端电压均为4电平波,电流具有较好的正弦性。
[0037] 如图5(a)所示是本实施例的高频链多电平直流变压器中高压直流端的电压和电流波形,图5(b)所示是直流变压器中低压直流端的电压和电流波形。从图中可以看出,高低压端电压分别稳定在720V和240V,直流变压器的电压和电流变换均工作正常。

Claims (4)

1.一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,其特征在于,该系统主要由依次相连的低压直流变换级、高频隔离变换级和高压直流变换级组成;低压直流变换级包括m个相同的全桥变换器,m为任意正整数;高频隔离变换级包括m个相同的高频隔离变压器和一个串联电感;高压直流变换级采用I个模块化多电平变换器;其中,低压直流变换级中的m个全桥变换器的直流侧并联引出低压直流端,m个全桥变换器的交流侧与高频隔离变换级中m个高频隔离变压器的原边分别相连,高频隔离变压器的副边依次串联后与串联电感串联组成高压高频交流端,高压高频交流端与高压直流变换级中模块化多电平变换器的交流端连接,模块化多电平变换器的直流侧引出高压直流端。
2.如权利要求1所述一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,其特征在于,所述的全桥变换器、高频隔离变压器和模块化多电平变换器为单相结构或三相结构。
3.如权利要求1所述一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,其特征在于,所述的高频隔离变压器的工作频率均大于50Hz。
4.如权利要求1所述一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器,其特征在于,所述的串联电感的电感量大于等于零。
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