CN105337495A - 一种具有故障电流阻断能力的高压dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括混合式模块化多电平换流单元和中频变压器或高频变压器；每个所述混合式模块化多电平换流单元通过所述中频变压器或高频变压器彼此连接。所述混合式模块化多电平技术的换流单元采用多桥臂结构和多相输出，其中每个桥臂由X个组件1、Y个组件2和一个桥臂电抗器串联组成。它可以实现故障电流阻断能力，并且使得非故障部分能继续正常运行；相比基于全桥式模块化多电平换流器的DC/DC变换器，它所用的半导体器件数量少、器件损耗小；因此该DC/DC变换器特别适用于直流互联，从而构建多电压等级的直流电网。

Description

一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器

技术领域：

本发明涉及一种高压DC/DC变换器，更具体涉及一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器。

背景技术：

目前，直流输电技术已经成为解决大规模电能的远距离输送、新能源的并网及消纳、区域交流互联电网的安全稳定性提高等问题的最有效技术手段之一。随着直流输电技术的不断发展，未来实现直流线路之间的互联，从而形成多电压等级的混合直流骨干电网是必然的趋势。而DC/DC变换器作为直流电网中必不可少的关键设备，它能够实现不同电压等级的直流线路之间的互联，因此大力促进DC/DC变换器的研制进程成为关键。

模块化多电平换流技术以其独特的技术优势，如模块化设计、效率高、扩展性好、输出电压谐波含量少等，正逐渐广泛的应用于直流输电领域。目前已有专利和文献提出采用半桥式模块化多电平换流器和中/高频变压器来构建DC/DC变换器，这种类型的DC/DC变换器虽然具备潮流方向双向可控、直流电压变换、快速功率调节、以及电气隔离等功能，但是它在阻断故障电流时需要同时闭锁变压器两边的模块化多电平换流器，从而影响直流电网非故障部分的正常运行。此外，也有专利和文献提出采用全桥式模块化多电平换流器和中/高频变压器来构建DC/DC变换器，这种类型的DC/DC变换器在具备上述功能的同时，还具有阻断故障电流且使得非故障部分能正常运行的能力，但是它需要使用的半导体器件数量多、器件损耗大。

本发明提出的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，可以解决上述问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述DC/DC变换器使得非故障部分能继续正常运行。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括混合式模块化多电平换流单元和中频变压器或高频变压器；每个所述混合式模块化多电平换流单元通过所述中频变压器或高频变压器彼此连接。

本发明提供的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述DC/DC变换器设有至少两个混合式模块化多电平换流单元；所述混合式模块化多电平换流单元包括至少两个并联的桥臂单元和输出端；所述桥臂单元包括两个串联的桥臂；所述输出端设置在所述两个串联的桥臂间。

本发明提供的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述桥臂包括至少两个串联的子模块；所述子模块与电抗器串联；所述子模块包括串联的组件1和组件2。

本发明提供的另一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述组件1包括并联的IGBT支路1、IGBT支路2和电容支路；所述IGBT支路1包括两个串联的IGBT模块；所述IGBT支路2包括串联的IGBT模块和二极管；所述电容支路包括电容。

本发明提供的再一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述IGBT模块包括IGBT管和与所述IGBT管反并联的二极管；所述子模块的输入端设置在所述IGBT支路1的两个串联的IGBT模块中间。

本发明提供的又一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述组件2包括并联的IGBT支路3和电容支路；所述IGBT支路3包括两个串联的IGBT模块；所述电容支路包括电容。

本发明提供的又一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，所述IGBT模块包括IGBT管和与所述IGBT管反并联的二极管；所述子模块的输出端设置在所述IGBT支路3的两个串联的IGBT模块中间。

本发明提供的又一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，设每个组件的电容电压为V_c，所述组件1不输出负电压-V_c，则所述桥臂的最大输出电压范围在(0,(X+Y)V_c)之间，直流电压和交流相电压峰值分别通过下式确定：

V_dc＝(X+Y)V_c

$v_{\mathrm{an}\_\mathrm{peak}}=\frac{(X+Y)V_c}{2}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}$

其中，X为组件1个数，Y为组件2个数。

本发明提供的又一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，当电网发生故障，设调制比为1，则交流母线的最大线电压峰值为：

$u_{\max }=\sqrt{3}{V}_{\mathrm{dc}}/2$

由于每个所述桥臂上有X个组件1，则关断所有IGBT管后，由所述组件1形成的桥臂电压为：

$u_{\mathrm{arm}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{(X+Y)}\×X.$

本发明提供的又一优选的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，当桥臂电压和交流线电压需满足以下关系式时，所述DC/DC变换器实现故障电流阻断能力；

u_max＜2u_arm

$,\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{\mathrm{dc}}<2\&times;\frac{V_{\mathrm{dc}}}{(X+Y)}\&times;X$

因此，所述组件1的个数X需满足以下关系式：

$X>\frac{\sqrt{3}}{4}(X+Y)\&ap;0.43(X+Y).$

所述混合式模块化多电平换流单元的交流侧输出频率均为500～2500Hz；所述中频变压器或高频变压器的工作频率为500～2500Hz。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果：

1、本发明可以用于不同电压等级的直流线路之间的互联，为构建多电压等级的直流电网提供了一种有效的技术手段；

2、本发明的变换器具有故障电流阻断能力，在快速隔离故障的同时，使得其余非故障部分能继续正常运行；

3、本发明的变换器可以实现潮流方向双向可控、直流电压变换、快速功率调节、以及电气隔离等功能；

4、本发明的变换器所采用的混合式多电平模块化换流单元，与传统的全桥式相比，不仅能够阻断故障电流，而且所用的半导体器件数量少、器件损耗小；

5、本发明的变换器为电网提高了更大的安全稳定性。

附图说明

图1为本发明的变换器结构示意图；

图2为本发明的基于混合式模块化多电平技术的换流单元电路图；

图3为组件1电路图；

图4为组件2电路图；

图5为图3和图4组成的换流单元的子模块电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-5所示，本例的发明一种用于直流互联的高压DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括混合式模块化多电平换流单元和中频变压器或高频变压器；每个所述混合式模块化多电平换流单元通过所述中频变压器或高频变压器彼此连接。

所述DC/DC变换器设有至少两个混合式模块化多电平换流单元；所述混合式模块化多电平换流单元采用多桥臂结构和多相输出，包括至少两个并联的桥臂单元和输出端；所述桥臂单元包括两个串联的桥臂；所述输出端设置在所述两个串联的桥臂间。

所述桥臂包括N个子模块；所述子模块与电抗器串联；所述子模块包括串联的组件1和组件2。使得变换器能够实现故障电流阻断、交直流变换等功能。

所述组件1包括并联的IGBT支路1、IGBT支路2和电容支路；所述IGBT支路1包括两个串联的IGBT模块；所述IGBT支路2包括串联的IGBT模块和二极管；所述电容支路包括电容。

所述IGBT模块包括IGBT管和与所述IGBT管反并联的二极管；所述子模块的输入端设置在所述IGBT支路1的两个串联的IGBT模块中间。

所述组件2包括并联的IGBT支路3和电容支路；所述IGBT支路3包括两个串联的IGBT模块；所述电容支路包括电容。

所述IGBT模块包括IGBT管和与所述IGBT管反并联的二极管；所述子模块的输出端设置在所述IGBT支路3的两个串联的IGBT模块中间。

设每个组件的电容电压为V_c，所述组件1不输出负电压-V_c，则所述桥臂的最大输出电压范围在(0,(X+Y)V_c)之间，直流电压和交流相电压峰值分别通过下式确定：

V_dc＝(X+Y)V_c

$v_{\mathrm{an}\_\mathrm{peak}}=\frac{(X+Y)V_c}{2}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}$

其中，X为组件1个数，Y为组件2个数。

当电网发生故障，设调制比为1，则交流母线的最大线电压峰值为：

$u_{\max }=\sqrt{3}{V}_{\mathrm{dc}}/2$

由于每个所述桥臂上有X个组件1，则关断所有IGBT管后，由所述组件1形成的桥臂电压为：

$u_{\mathrm{arm}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{(X+Y)}\&times;X.$

当桥臂电压和交流线电压需满足以下关系式时，所述DC/DC变换器实现故障电流阻断能力；

u_max＜2u_arm

$,\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{\mathrm{dc}}<2\&times;\frac{V_{\mathrm{dc}}}{(X+Y)}\&times;X$

因此，所述组件1的个数X需满足以下关系式：

$X>\frac{\sqrt{3}}{4}(X+Y)\&ap;0.43(X+Y)$

由此可以看出，每个桥臂只要含有一半数量(F＝0.5N)的组件1就可以实现故障电流阻断能力。因此，将一个组件1和一个组件2的串联组合作为换流单元的一个子模块，如图4所示。

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尽管参照上述实施例应当理解：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 (10)

1.一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器包括混合式模块化多电平换流单元和中频变压器或高频变压器；每个所述混合式模块化多电平换流单元通过所述中频变压器或高频变压器彼此连接。

2.如权利要求1所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述DC/DC变换器设有至少两个混合式模块化多电平换流单元；所述混合式模块化多电平换流单元包括至少两个并联的桥臂单元和输出端；所述桥臂单元包括两个串联的桥臂；所述输出端设置在所述两个串联的桥臂间。

3.如权利要求2所述的一种用于直流互联的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述桥臂包括至少两个串联的子模块；所述子模块与电抗器串联；所述子模块包括串联的组件1和组件2。

4.如权利要求3所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述组件1包括并联的IGBT支路1、IGBT支路2和电容支路；所述IGBT支路1包括两个串联的IGBT模块；所述IGBT支路2包括串联的IGBT模块和二极管；所述电容支路包括电容。

5.如权利要求4所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述IGBT模块包括IGBT管和与所述IGBT管反并联的二极管；所述子模块的输入端设置在所述IGBT支路1的两个串联的IGBT模块中间。

6.如权利要求4所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述组件2包括并联的IGBT支路3和电容支路；所述IGBT支路3包括两个串联的IGBT模块；所述电容支路包括电容。

7.如权利要求6所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：所述IGBT模块包括IGBT管和与所述IGBT管反并联的二极管；所述子模块的输出端设置在所述IGBT支路3的两个串联的IGBT模块中间。

8.如权利要求7所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：设每个组件的电容电压为V_c，所述组件1不输出负电压-V_c，则所述桥臂的最大输出电压范围在(0,(X+Y)V_c)之间，直流电压和交流相电压峰值分别通过下式确定：

V_dc＝(X+Y)V_c

$v_{\mathrm{an}\_\mathrm{peak}}=\frac{(X+Y)V_c}{2}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}$

其中，X为组件1个数，Y为组件2个数。

9.如权利要求8所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：当电网发生故障，设调制比为1，则交流母线的最大线电压峰值为：

$u_{\max }=\sqrt{3}{V}_{\mathrm{dc}}/2$

由于每个所述桥臂上有X个组件1，则关断所有IGBT管后，由所述组件1形成的桥臂电压为：

$u_{\mathrm{arm}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{(X+Y)}\&times;X.$

10.如权利要求9所述的一种具有故障电流阻断能力的高压DC/DC变换器，其特征在于：当桥臂电压和交流线电压需满足以下关系式时，所述DC/DC变换器实现故障电流阻断能力；

u_max＜2u_arm

$\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{\mathrm{dc}}<2\&times;\frac{V_{\mathrm{dc}}}{(X+Y)}\&times;X$

因此，所述组件1的个数X需满足以下关系式：

$X>\frac{\sqrt{3}}{4}(X+Y)\&ap;0.43(X+Y).$