CN105743352A - 一种改进的开关电容接入的双向直流变压器及其控制方法 - Google Patents

一种改进的开关电容接入的双向直流变压器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的开关电容接入的双向直流变压器及其控制方法，属于电力技术领域；该变压器由n台完全相同的直流变换单元在一个端口串联和另一个端口并联组成；每台直流变换单元均由八个半导体开关、两个辅助半导体开关、两个直流电容、一个高频电感和一个高频变压器组成；该方法包括正常情况下，n台直流变换单元的高压侧串联后，经直流电抗连接到高压直流侧，低压侧并联后直接连接到低压直流侧，当发生小于k台直流变换单元的内部故障时，可将故障的直流变换单元直接旁路；当发生高压或低压直流侧的外部故障时，将所有直流变换单元的半导体开关和辅助半导体开关关断，可保持电容电压不变。本发明提高了装置运行的经济性和可靠性。

Description

一种改进的开关电容接入的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，特别涉及一种改进型双主动全桥的高频链双向直流变压器。
背景技术
随着电力电子控制技术和器件制造技术的发展，基于全控型电压源换流器(VSC)的柔性直流输电获得了快速发展。相比传统的直流输电技术，柔性直流输电不存在换相失败问题，可以适用于向无源负荷供电；采用脉冲宽度调制(PWM)技术，电压和电流谐波含量较少，可以省略滤波环节，使得占地变小；控制灵活，可以快速实现有功和无功的独立解耦控制，并且在不需要倒换极性的前提下，实现潮流的快速反转调节。因此，柔性直流输电技术在风电场接入、无源负荷供电和城市中心供电等方面具有很大的应用前景。尤其是随着多端柔性直流输电技术的发展，为直流组网提供了有效的技术途径，也激励着柔性直流技术向配电侧延伸。
为了实现不同电压等级的直流输配网的连接，也为了新能源电源的接入，以及储能系统的接入，和适应不同直流负载的应用，直流电压等级的变换和能量的传输控制将不可避免。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和能量的传输，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。
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直流变换单元组成，每个DAB变换单元由两个全桥H1和H2、一个高频电感L1、一个高频变压器T和两个直流电容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。该方案采用高频隔离的DAB为基本单元，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。但是由于直流电容均为集中布置，当发生直流母线外部故障时，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，当DAB基本单元发生内部故障时，由于存在集中电容，无法实现冗余运行，很大程度上降低了直流变压器的可靠性。此外，当高频变压器的两端直流电压变比和物理变比不匹配时，DAB基本单元将存在很大的环流，使得损耗增加和功率密度降低。
文献《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》探讨了基于开关电容接入的高频链双向直流变压器方案，如图2所示。该直流变压器同样由n个直流变换单元SCDAB构成，每个直流变换单元P1在图1的直流变换单元H1的基础上增加了两个半导体开关S1、S2，并和高压直流侧串联的高频电抗L2一起，构成直流稳压电路，从而始终保持高频链环节的电压匹配，有利减少环流，降低损耗和提高功率密度；每个直流变换单元P2在原来H2的基础上增加了一个半导体开关S11，当发生外部故障时，可以通过关断S11实现故障的快速切除，且当外部故障消失时，可以通过闭合S11实现快速恢复运行；当发生直流变换单元的内部故障时，可以通过关断S1和S11，闭合S2确保实现故障的冗余运行。该方案通过增加了三个半导体开关和一个直流电抗，有利解决了传统基于DAB多重化的直流变压器方案的缺陷和不足，如直流电压不匹配的环流增加问题，外部故障的快速切换和恢复问题，以及内部故障的冗余运行问题。但是，增加的三个半导体开关，使得开关的成本增加了37.5％，且半导体开关S1和S2流过和负载电流相当的电流，造成损耗增加，一定程度上降低了效率和功率密度。此外，高低压侧全桥分别增加了两个和一个半导体开关，一定程度上降低了变换单元的模块化程度。
发明内容
本发明的目的是为解决上述方案的缺陷和不足，提出一种改进的开关电容接入的双向直流变压器及其控制方法，本发明通过在基于双主动全桥的直流变换单元增加了两个辅助半导体开关，整机增加了一个直流电抗，从而有效减小了双主动全桥的环流，减小了高压侧的电流纹波，简化了对外部故障的处理，实现了对内部故障的冗余运行，提高了装置运行的经济性和可靠性，新增加的半导体开关保持了高低压侧全桥逆变单元的对称性，从而保证了模块化的程度，此外，新增加的辅助半导体开关流过电流为直流电容电流，这使得增加的开关损耗和导通损耗都不多。本发明采取的技术方案如下：
一种改进的开关电容接入的双向直流变压器，其特征在于：该系统主要由n台相同的直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)组成，n为任意正整数；第一台直流变换单元IDAB1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台直流变换单元IDABm的高压侧第二连接端子T2与第m+1台直流变换单元IDABm+1的高压侧第一连接端子T1相连，1<m<n；第n台直流变换单元IDABn的高压侧第二连接端子T2与高压直流侧的负极相连；n台直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)的低压侧连接端子T3均与低压直流侧的正极相连；n台直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)的低压侧连接端子T4均与低压直流侧的负极相连。
所述的拓扑结构，既可以一端串联另一端并联，也可以两端都串联。
所述的各直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)均由八个半导体开关(S1～S8)、两个辅助半导体开关(Q1和Q2)、两个直流电容(C1、C2)、一个高频电感L、一个高频变压器T组成；第一半导体开关S1的集电极、第二半导体开关S2的集电极和第一辅助半导体开关Q1的发射极均连接在第一连接端子T1；第二半导体开关S2的发射极、第四半导体开关S4的发射极和第一直流电容C1的负极均连接在第二连接端子T2；第一辅助半导体开关Q1的集电极连接第一直流电容C1的正极；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)的集电极、第七半导体开关(S7)的集电极和第二辅助半导体开关(Q2)的发射极均连接在第三连接端子(T3)；第六半导体开关(S6)的发射极、第八半导体开关(S8)的发射极和第二直流电容(C2)的负极均连接在第四连接端子(T4)；第二辅助半导体开关(Q2)的集电极连接第二直流电容(C2)的正极；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)；第一、第二公共连接点(P1、P2)与高频电感(L)以及高频变压器(T)的高压侧绕组串联连接；第三、第四公共连接点(P3、P4)与高频变压器(T)的低压侧绕组串联连接。
一种用于所述的改进的开关电容接入的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)所述的改进的开关电容接入的双向直流变压器中，n台直流变换单元中可以实现k台冗余运行状态，且0≤k<n；
b)正常情况下，处于运行状态的直流变换单元的第二辅助半导体开关(Q2)为导通状态，而第一辅助半导体开关(Q1)根据控制策略处于导通或关断的变换状态；
c)当任意一台直流变换单元发生内部故障时，如果总故障数小于最大允许的冗余数k，则相应单元的第一和第二辅助半导体开关(Q1、Q2)关断，第三、第四、第五、第六、第七和第八半导体开关(S3、S4、S5、S6、S7和S8)关断，第一和第二半导体开关(S1、S2)导通；如果总故障数大于最大允许的冗余数k，则全部半导体开关(S1～S8)和辅助半导体开关(Q1、Q2)均关断；
d)当发生高压直流侧或低压直流侧故障时，将所有直流变换单元的半导体开关(S1～S8)和辅助半导体开关(Q1和Q2)均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压便于故障消失后的快速恢复。
e)采用相应的脉冲调制策略，使得高压直流侧的电流纹波很小，通过控制第一辅助半导体开关(Q1)，以及第一和第二半导体开关(S1和S2)的通断，可以使得高频变压器始终处于电压匹配状态，从而减小环流，进而减少损耗和提高功率密度。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1)当发生高压直流侧或低压直流侧的外部故障时，不需要直流断路器，仅通过封锁脉冲就可以从故障处切除，且不会产生过电流，直流电容也不会放电，便于故障消失后系统的快速恢复。
2)当某一台直流变换单元发生内部故障，且故障数小于允许的最大旁路数k时，可以快速旁路故障的单元，保证直流变压器的安全可靠性。
3)采用合适的脉冲调制策略，使得高压直流侧的电流纹波很小，通过控制第一辅助半导体开关(Q1)，以及第一和第二半导体开关(S1、S2)的开通和关断，可以使得高频变压器始终处于电压匹配状态，从而减小环流，进而减少损耗和提高功率密度。
4)辅助半导体开关1和辅助半导体开关2(Q1、Q2)流过电流为直流电容电流，其导通损耗较小，开关频率也可以适当降低，使得开关损耗较小。
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是一种开关电容接入的高频链双向直流变压器的拓扑结构图。
图3是本发明的一种改进的开关电容接入的双向直流变压器的拓扑结构图。
图4是一种改进的开关电容接入的双向直流变压器两端均串联的拓扑结构图。
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。
本发明的一种改进的开关电容接入的双向直流变压器的拓扑结构如图3所示。该系统主要由n台相同的直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)组成，n为任意正整数；第一台直流变换单元(IDAB1)的高压侧第一连接端子(T1)通过第一直流辅助电感(L1)与高压直流侧的正极相连；第m台直流变换单元(IDABm)的高压侧第二连接端子(T2)与第m+1台直流变换单元(IDABm+1)的高压侧第一连接端子(T1)相连，1<m<n；第n台直流变换单元(IDABn)的高压侧第二连接端子(T2)与高压直流侧的负极相连；n台直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)的低压侧连接端子(T3)均与低压直流侧的正极相连；n台直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)的低压侧连接端子(T4)均与低压直流侧的负极相连，或n台直流变换单元的低压则连接端子相互串联，即第一台直流变换单元的低压侧的第一连接端子(T3)通过第二直流辅助电感(L2)与低压直流侧的正极相连，第n台直流变换单元的低压侧的第二连接端子(T4)与低压直流侧的负极相连，如图4所示。
如图3、4所示，本发明的直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)均由八个半导体开关(S1～S8)、两个辅助半导体开关(Q1、Q2)、两个直流电容(C1、C2)、一个高频电感(L)、一个高频变压器(T)组成；第一半导体开关(S1)的集电极、第二半导体开关(S2)的集电极和第一辅助半导体开关(Q1)的发射极均连接在第一连接端子(T1)；第二半导体开关(S2)的发射极、第四半导体开关(S4)的发射极和第一直流电容(C1)的负极均连接在第二连接端子(T2)；第一辅助半导体开关(Q1)的集电极连接第一直流电容(C1)的正极；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)的集电极、第七半导体开关(S7)的集电极和第二辅助半导体开关(Q2)的发射极均连接在第三连接端子(T3)；第六半导体开关(S6)的发射极、第八半导体开关(S8)的发射极和第二直流电容(C2)的负极均连接在第四连接端子(T4)；第二辅助半导体开关(Q2)的集电极连接第二直流电容(C2)的正极；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)；第一、第二公共连接点(P1、P2)与高频电感(L)以及高频变压器(T)的高压侧绕组串联连接；第三、第四公共连接点(P3、P4)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。
本发明的一种改进的开关电容接入的双向直流变压器的控制方法为：
a)所述的改进的开关电容接入的双向直流变压器中，n台直流变换单元中最多可以实现k台冗余运行，且0≤k<n；
b)正常情况下，处于运行状态的直流变换单元的第二辅助半导体开关(Q2)为导通状态，而第一辅助半导体开关(Q1)根据控制策略处于导通或关断的变换状态；
c)当任意一台直流变换单元发生内部故障时，如果总故障数小于最大允许的冗余数k，则相应单元的第一和第二辅助半导体开关(Q1、Q2)关断，第三、第四、第五、第六、第七和第八半导体开关(S3、S4、S5、S6、S7和S8)关断，第一和第二半导体开关(S1、S2)导通；如果总故障数大于最大允许的冗余数k，则全部半导体开关(S1～S8)和辅助半导体开关(Q1、Q2)均关断；
d)当发生高压直流侧或低压直流侧故障时，将所有直流变换单元的半导体开关(S1～S8)和辅助半导体开关(Q1、Q2)均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压，便于实现故障消失后的快速恢复。
e)采用合适的脉冲调制策略，使得高压直流侧的电流纹波很小，通过控制第一辅助半导体开关(Q1)，以及第一和第二半导体开关(S1、S2)的开通和关断，可以使得高频变压器始终处于电压匹配状态，从而减小环流，进而减少损耗和提高功率密度。
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。
实施例
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10kV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15台相同的直流变换器单元组成，即n＝15；最大可以允许3台旁路，即k＝3；则直流变换单元中高压侧额定电压为10kV/12＝830V，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S1～S8的开关频率为20kHz、高频电感L为0.1mH、高频变压器T变比为830V：400V，两个个直流电容C1、C2均为3300uF，则：
(1)正常情况下，全部直流变换单元的第二辅助半导体开关Q2为导通状态，控制器根据每个直流变换单元高压侧的电压值，控制第一辅助半导体开关Q1的关断和开通，从而保证各直流变换单元的电压值均为830V，从而保证高频链环节的电压匹配；
(2)当任意一台直流变换单元的发生内部故障，且总的故障数小于3时，将该台直流变换单元的第一和第二辅助半导体开关Q1和Q2关断，第三、第四、第五、第六、第七和第八半导体开关(S3～S8)关断，第一和第二半导体开关(S1、S2)导通，从而将直流变换单元旁路；
(3)当发生高压直流侧或低压直流侧故障时，将所有直流变换单元的半导体开关(S1～S8)和辅助半导体开关(Q1、Q2)均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压，便于实现故障消失后的快速恢复。

Claims (2)

1.一种改进开关电容接入的双向直流变压器，该系统包括n台相同的直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)，n为任意正整数；还包括一个或两个直流辅助电感；第一台直流变换单元(IDAB1)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台直流变换单元(IDABm)的高压侧第二连接端子(T2)与第m+1台直流变换单元(IDABm+1)的高压侧第一连接端子(T1)相连，1≤m<n；第n台直流变换单元(IDABn)的高压侧第二连接端子(T2)与高压直流侧的负极相连；n台直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)的低压侧连接端子(T3)均与低压直流侧的正极相连；n台直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)的低压侧连接端子(T4)均与低压直流侧的负极相连，或n台直流变换单元的低压则连接端子相互串联，即第一台直流变换单元的低压侧的第一连接端子(T3)通过第二直流辅助电感(L2)与低压直流侧的正极相连，第n台直流变换单元的低压侧的第二连接端子(T4)与低压直流侧的负极相连；其特征在于：
所述的直流变换单元(IDAB1、IDAB2、…IDABn)均由八个半导体开关(S1～S8)、两个辅助半导体开关(Q1、Q2)、两个直流电容(C1、C2)、一个高频电感(L)和一个高频变压器(T)组成；第一半导体开关(S1)的集电极、第三半导体开关的集电极(S3)和第一辅助半导体开关(Q1)的发射极均连接在第一连接端子(T1)；第二半导体开关(S2)发射极、第四半导体开关(S4)发射极和第一直流电容(C1)的负极均连接在第二连接端子(T2)；第一辅助半导体开关(Q1)的集电极连接第一直流电容(C1)的正极；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)的集电极、第七半导体开关(S7)的集电极和第二辅助半导体开关(Q2)的发射极均连接在第三连接端子(T3)；第六半导体开关(S6)的发射极、第八半导体开关(S8)的发射极和第二直流电容(C2)的负极均连接在第四连接端子(T4)；第二辅助半导体开关(Q2)的集电极连接第二直流电容(C2)的正极；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)；第一、第二公共连接点(P1、P2)与高频电感(L)以及高频变压器(T)的高压侧绕组串联连接；第三、第四公共连接点(P3、P4)与高频变压器(T)的低压侧绕组串联连接。
2.一种用于如权利要求1所述改进的开关电容接入的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n台直流变换单元中实现k台冗余运行，且0≤k<n；
b)正常情况下，处于运行状态的直流变换单元的第二辅助半导体开关(Q2)为导通状态，而第一辅助半导体开关(Q1)处于导通或关断的变换状态；
c)当任意一台直流变换单元发生内部故障时，如果总故障的直流变换单元台数小于最大允许的冗余数k，则每台故障的直流变换单元的第一和第二辅助半导体开关(Q1、Q2)关断，第三、第四、第五、第六、第七和第八半导体开关(S3、S4、S5、S6、S7和S8)均关断，第一和第二半导体开关(S1、S2)导通；如果总故障数大于最大允许的冗余数k，则每台故障的直流变换单元的全部半导体开关(S1～S8)和辅助半导体开关(Q1、Q2)均关断；
d)当发生高压直流侧或低压直流侧故障时，将n台直流变换单元所有的八个半导体开关(S1～S8)和两个辅助半导体开关(Q1、Q2)均关断，以隔断直流故障，同时保持电容电压，便于实现故障消失后的快速恢复。
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