CN105576982B - 非隔离型直流变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非隔离型直流变压器，包括：两个不同电压等级的直流电压源、上桥臂、下桥臂，所述上桥臂通过下桥臂与较高等级的直流电压源两端相连；较低等级的直流电压源通过滤波电感连接至下桥臂的两端。所述上桥臂由桥臂电感和若干个半桥型子模块串联构成，所述下桥臂由若干个半桥型子模块串联构成。本发明提供的非隔离型直流变压器的子模块电容容值大大减小，因此减小了子模块的成本和体积，且无需两级变换，电路结构更简单。本发明采用的开关管频率小、损耗低；此外交流环流更小，导通损耗低，从而具备更高的效率。

Description

非隔离型直流变压器

技术领域

本发明涉及高压传输和变压器领域，具体地，涉及一种非隔离型直流变压器。

背景技术

随着传统能源的短缺和环境恶化问题的加剧，风能、太阳能等可再生清洁能源的利用与开发得到了越来越多的重视。风能、太阳能等新能源发电具有间歇性，随机性的特点，传统的电网结构和运行技术无法适应大规模可再生能源接入，而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效手段。由于直流电网尚无统一标准，现有的直流线路大都运行在不同的电压等级，为了将不同电压等级的直流电路互联形成直流电网，需要应用直流变压器(通常又称为DC-DC变换器)。基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的高压直流(High Voltage DC Current,HVDC)输电系统的电压等级通常低于基于相控变流器(Line Commutated Converter,LCC)的高压直流输电系统，为了将VSC-HVDC和LCC-HVDC互联以形成多端直流系统，需要应用直流变压器。此外，在直流微网以及直流配电网中，直流变压器同样是不可缺少的部件。因此，高压大容量直流变压器的研制是非常必要的。

经过对现有技术的进一步检索，目前存在以下的三种方案：

1)基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的隔离型DC-DC变换器拓扑，该变换器本质上是一个DC-AC-DC变换器，它先通过一个MMC将直流电压逆变得到交流电压，该交流电压经过变压器变压后再通过另一个MMC整流得到直流电压。交流环节的变压器用于实现电压匹配和电气隔离。由于交流环节需要交流变压器，且需要两级功率变换，因此该直流变压器的体积和损耗均较大，成本也很高，在不需要隔离的应用场合并不适用。

2)直流自耦变压器拓扑，该拓扑只有部分互联功率需要经过交流变压器，因此可减小交流变压器的容量。但它同样需要交流变压器，且在变压比较大时，交流变压器容量与变换器总容量相近。

3)基于MMC的非隔离型直流变压器拓扑，该直流变压器中链式模块输出电压包含直流分量和交流分量，它通过交直流功率守恒来实现子模块电容电压平衡，其中交流分量按正弦波调制。与隔离型DC-AC-DC变换器相比，它不需要交流变压器，且不需要两级变换，因此成本更低。但为了实现子模块电容电压平衡，该直流变压器中存在较大的交流环流，需要选取较大额定电流的开关管，且损耗较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非隔离型直流变压器。

根据本发明提供的非隔离型直流变压器，包括：两个不同电压等级的直流电压源、上桥臂、下桥臂，所述上桥臂通过下桥臂与较高电压等级的直流电压源两端相连；较低电压等级的直流电压源通过滤波电感连接至下桥臂的两端。

优选地，所述上桥臂由桥臂电感和若干个半桥型子模块串联构成，所述下桥臂由若干个半桥型子模块串联构成。

优选地，所述上桥臂和下桥臂均包括n个半桥型子模块，且n为大于零的自然数；将上桥臂的n个半桥型子模块记为第一链式模块，下桥臂的n个半桥型子模块记为第二链式模块，所述第一链式模块的一端通过桥臂电感连接至较高电压等级的直流电压源的正极，所述第一链式模块的另一端分别连接至第二链式模块的一端、滤波电感的一端；所述第二链式模块的另一端连接至较高电压等级的直流电压源的负极和较低电压等级的直流电压源的负极，所述滤波电感的另一端连接至较低电压等级的直流电压源的正极。

优选地，所述n个半桥型子模块中的任一个半桥型子模块包括：电容C_sm、第一功率开关管、第二功率开关管，电容C_sm的正极连接第一功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的发射极连接第二功率开关管的集电极并构成该半桥型子模块的第一端口，所述第二功率开关管的发射极连接至C_sm的负极并构成该半桥型子模块的第二端口。

优选地，所述第一功率开关管、第二功率开关管的类型为：含反并二极管的绝缘栅双极型晶体管。

优选地，包括四种工作模态，具体地如下：

模态1：即t在区间(0,d_sT)时，d_s表示移相占空比，T表示该直流变压器的开关周期；

该模态下，第一链式模块和第二链式模块均工作于低电平状态，此时桥臂电感和滤波电感两端的电压值u_La和u_Lf分别为：

u_La(t)＝U_dc1-(u_Cl1+u_Cl2)＝U_dc1 (1)

u_Lf(t)＝u_Cl2-U_dc2＝-U_dc2 (2)

式中：U_dc1表示较高电压等级的直流电压源的电压值，U_dc2表示较低电压等级的直流电压源的电压值，u_cl1、u_cl2分别表示第一链式模块、第二链式模块两端的电压值，u_la(t)、u_lf(t)分别表示桥臂电感、滤波电感两端的电压随时间t的变化值，i₁线性上升，i₃线性下降，即：

式中：i₁表示通过第一链式模块的电流，i₃表示通过滤波电感L_f的电流，i₁(t)表示i₁随时间t的变化值，i₃(t)表示i₃随时间t的变化值，I₁(0)表示i₁在零时刻的瞬时电流值，I₂(0)表示i₂在零时刻的瞬时电流值，L_a表示桥臂电感的电感值，L_f表示滤波电感的电感值；

模态2：t在区间(d_sT,dT)时，d表示第二链式模块输出PWM波形的占空比；

该模态下，第一链式模块工作于低电平状态，第二链式模块工作于高电平状态，此时桥臂电感、滤波电两端的电压分别为：

u_La(t)＝0 (5)

u_Lf(t)＝U_dc1-U_dc2 (6)

则，i₁保持不变，i₃线性上升，即：

i₁(t)＝I₁(d_sT) (7)

模态3：t在区间(dT,(d+d_s)T)时

该模态下，第一链式模块和第二链式模块均工作于高电平状态，此时桥臂电感和滤波电感两端的电压分别为：

u_La(t)＝-U_dc1 (9)

u_Lf(t)＝U_dc1-U_dc2 (10)

则，i₁线性下降，i₃线性上升，即：

模态4：t在区间((d+d_s)T,T)时

该模态下，第一链式模块工作于高电平状态，第二链式模块工作于低电平状态，此时桥臂电感和滤波电感两端的电压分别为：

u_La(t)＝0 (13)

u_Lf(t)＝-U_dc2 (14)

则，i₁保持不变，i₃线性下降，即：

i₁(t)＝I₁[(d+d_s)T] (15)

用i₃减去i₁即得到交流输出的波形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的非隔离型直流变压器的子模块电容容值大大减小，因此减小了子模块的成本和体积，且无需两级变换，电路结构更简单。

2、本发明提供的非隔离型直流变压器开关频率小、损耗低；且交流环流更小，导通损耗低，从而具备更高的效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的非隔离型直流变压器拓扑结构图；

图2为本发明提供的非隔离型直流变压器的电压和电流波形图；

图3为本发明提供的非隔离型直流变压器的移相控制框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

具体地，如图1所示，直流变压器用于连接电压等级不同的直流电压源U_dc1和U_dc2，其中U_dc1>U_dc2。该拓扑上桥臂由桥臂电感L_a和n个半桥型子模块(第一链式模块)串联而成，下桥臂由n个半桥型子模块(第二链式模块)串联而成，其中半桥型子模块如图1所示。桥臂中点通过一个滤波电感L_f与低压侧电压源U_dc2连接。

更进一步地，如图3所示，给出了移相控制策略，具体如下：

若移相占空比d_s小于其稳态值D_s，第一链式模块吸收有功功率，第二链式模块释放有功功率。此时链式模块1中子模块电容电压整体上升，第二链式模块中子模块电容电压整体下降。同样地，若d_s大于D_s，第一链式模块释放有功功率，第二链式模块吸收有功功率，此时第一链式模块中子模块电容电压整体下降，第二链式模块中子模块电容电压整体上升。因此可将第一链式模块中子模块电容电压平均值u_{C1_avg}与第二链式模块中子模块电容电压平均值u_{C2_avg}之差通过低通滤波器和PI调节器作为移相占空比d_s的给定值。其中低通滤波器用于抑制子模块电容电压波动对d_s的影响。具体控制框图如图3所示。图3中的K_P表示PI调节器比例环节系数，K_S表示PI调节器积分环节系数，T_f表示低通滤波器时间常数。

根据移相控制，实现直流变压器在四个工作模态下工作，具体地：

模态1：即t在区间(0,d_sT)时

该模态下，第一链式模块和第二链式模块均工作于低电平状态，此时电感L_a和L_f两端的电压u_La和u_Lf分别为：

u_La(t)＝U_dc1-(u_Cl1+u_Cl2)＝U_dc1 (1)

u_Lf(t)＝u_Cl2-U_dc2＝-U_dc2 (2)

因此，i₁线性上升，i₃线性下降，即：

模态2：t在区间(d_sT,dT)时

该模态下，第一链式模块工作于低电平状态，第二链式模块工作于高电平状态，此时电感L_a和L_f两端的电压分别为：

u_La(t)＝0 (5)

u_Lf(t)＝U_dc1-U_dc2 (6)

因此，i₁保持不变，i₃线性上升，即：

i₁(t)＝I₁(d_sT) (7)

模态3：t在区间(dT,(d+d_s)T)时

该模态下，第一链式模块和第二链式模块均工作于高电平状态，此时电感L_a和L_f两端的电压分别为：

u_La(t)＝-U_dc1 (9)

u_Lf(t)＝U_dc1-U_dc2 (10)

因此，i₁线性下降，i₃线性上升，即：

模态4：t在区间((d+d_s)T,T)时

该模态下，第一链式模块工作于高电平状态，第二链式模块工作于低电平状态，此时电感L_a和L_f两端的电压分别为：

u_La(t)＝0 (13)

u_Lf(t)＝-U_dc2 (14)

因此，i₁保持不变，i₃线性下降，即：

i₁(t)＝I₁[(d+d_s)T] (15)

最终得到i₁和i₃的波形如图2所示，用i₃减去i₁可得到i₂的波形。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种非隔离型直流变压器，其特征在于，包括：两个不同电压等级的直流电压源、上桥臂、下桥臂，所述上桥臂通过下桥臂与较高电压等级的直流电压源两端相连；较低电压等级的直流电压源通过滤波电感连接至下桥臂的两端；

所述上桥臂由桥臂电感和若干个半桥型子模块串联构成，所述下桥臂由若干个半桥型子模块串联构成；

其中，所述上桥臂和下桥臂均包括n个半桥型子模块，且n为大于零的自然数；将上桥臂的n个半桥型子模块记为第一链式模块，下桥臂的n个半桥型子模块记为第二链式模块，所述第一链式模块的一端通过桥臂电感连接至较高电压等级的直流电压源的正极，所述第一链式模块的另一端分别连接至第二链式模块的一端、滤波电感的一端；所述第二链式模块的另一端连接至较高电压等级的直流电压源的负极和较低电压等级的直流电压源的负极，所述滤波电感的另一端连接至较低电压等级的直流电压源的正极；

所述n个半桥型子模块中的任一个半桥型子模块包括：电容C_sm、第一功率开关管、第二功率开关管，电容C_sm的正极连接第一功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的发射极连接第二功率开关管的集电极并构成该半桥型子模块的第一端口，所述第二功率开关管的发射极连接至C_sm的负极并构成该半桥型子模块的第二端口；

所述非隔离型直流变压器包括四种工作模态，具体地如下：

模态1：即t在区间(0,d_sT)时，d_s表示移相占空比，T表示该直流变压器的开关周期；

该模态下，第一链式模块和第二链式模块均工作于低电平状态，此时桥臂电感和滤波电感两端的电压值u_La和u_Lf分别为：

u_La(t)＝U_dc1-(u_Cl1+u_Cl2)＝U_dc1 (1)

u_Lf(t)＝u_Cl2-U_dc2＝-U_dc2 (2)

式中：U_dc1表示较高电压等级的直流电压源的电压值，U_dc2表示较低电压等级的直流电压源的电压值，u_cl1、u_cl2分别表示第一链式模块、第二链式模块两端的电压值，u_la(t)、u_lf(t)分别表示桥臂电感、滤波电感两端的电压随时间t的变化值，i₁线性上升，i₃线性下降，即：

式中：i₁表示通过第一链式模块的电流，i₃表示通过滤波电感L_f的电流，i₁(t)表示i₁随时间t的变化值，i₃(t)表示i₃随时间t的变化值，I₁(0)表示i₁在零时刻的瞬时电流值，I₂(0)表示i₂在零时刻的瞬时电流值，I₃(0)表示i₃在零时刻的瞬时电流值，L_a表示桥臂电感的电感值，L_f表示滤波电感的电感值；

模态2：t在区间(d_sT,dT)时，d表示第二链式模块输出PWM波形的占空比；

该模态下，第一链式模块工作于低电平状态，第二链式模块工作于高电平状态，此时桥臂电感、滤波电两端的电压分别为：

u_La(t)＝0 (5)

u_Lf(t)＝U_dc1-U_dc2 (6)

则，i₁保持不变，i₃线性上升，即：

i₁(t)＝I₁(d_sT) (7)

I₃(d_sT)表示i₃在d_sT零时刻的瞬时电流值；I₁(d_sT)表示i₁在d_sT零时刻的瞬时电流值；

模态3：t在区间(dT,(d+d_s)T)时

该模态下，第一链式模块和第二链式模块均工作于高电平状态，此时桥臂电感和滤波电感两端的电压分别为：

u_La(t)＝-U_dc1 (9)

u_Lf(t)＝U_dc1-U_dc2 (10)

则，i₁线性下降，i₃线性上升，即：

模态4：t在区间((d+d_s)T,T)时

该模态下，第一链式模块工作于高电平状态，第二链式模块工作于低电平状态，此时桥臂电感和滤波电感两端的电压分别为：

u_La(t)＝0 (13)

u_Lf(t)＝-U_dc2 (14)

则，i₁保持不变，i₃线性下降，即：

i₁(t)＝I₁[(d+d_s)T] (15)

用i₃减去i₁即得到交流输出的波形。

2.根据权利要求1所述的非隔离型直流变压器，其特征在于，所述第一功率开关管、第二功率开关管的类型为：含反并二极管的绝缘栅双极型晶体管。