CN105846685B - 一种级联升压式单向直流变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单向直流变压器,包括电压源型换流器、不可控整流器和电感‑电容升压回路,其中,电压源型换流器的正、负极分别与低压直流系统的正、负极相联接,不可控整流器的正、负极分别与高压直流系统的正、负极相联接,电压源型换流器的交流侧联接交流电感的一端,该交流电感的另一端与交流电容的一端以及通过交流变压器与不控整流器的交流侧互联,交流电容的另一端接地。本发明的变换器由于采用经电感‑电容以及交流变压器两级升压的技术,可以大大降低所使用功率模块的数量,降低各功率模块间的均压、均流控制难度。

Description

一种级联升压式单向直流变压器
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域,更具体地,涉及一种级联升压式单向直流变压器,用于单向地从低压直流系统向高压直流系统传输直流功率,实现高升压比。
背景技术
高变比直流变压器是直流配电网、光伏直流并网系统、风电直流并网系统中的关键设备,用于实现低压直流系统和高压直流系统之间的功率互联,其变比可高达20-40。大功率直流变压器通常采用直流-交流-直流变换技术用于实现两个直流电网之间的功率双向传输,所采用的换流器为电压源型换流器,从而带来了成本高、损耗高的代价。
在风电、光伏经直流组网等某些典型应用场合,功率只需要单向地从低压直流系统向高压直流系统传输。现有的高压大功率单向直流变压器一般采用直流-交流-直流变换技术,其基本功率单元如图1所示,其具体实施方式为建设一个电压源型换流器与一个不可控整流器,电压源型换流器和不可控整流器的直流端分别与待互联的低压直流系统和高压直流系统的直流端联接,两个换流器的交流端通过一定的中、高频交流电路互联在一起。如图1所示,该单向直流变压器的原理性拓扑,主要由电压源型换流器1’,交流变压器7’和不控整流器2’在交流侧依次互联而成,低压直流系统3’的直流电先经过电压源型换流器1’逆变成交流电后经交流变压器7’升压后再经不控整流器2’整流得到直流电,来自低压直流系统的直流功率将先由电压源型换流器逆变为交流电再经过不可控整流器整流为直流电传输到高压直流系统。在中、高频应用场合,由于交流变压器变比有限,图1所示的常规单向直流变压器的升压比一般不会超过2。
受限于高变比的高压大容量高频变压器制造瓶颈,现有直流-交流-直流变压器功率单元内部中高频交流电路一般采用低变比、中小容量的高频变压器来实现电磁能量的转换。为了提高直流变压器的升压比,在面向于电力系统级的应用时,通常需要几十个直流-交流-直流变压器功率单元进行串并联组合以满足系统的应用需求。如图2所示是一种典型的模块化串并联结构的变压器,其由多个功率单元在低压侧并联、高压侧串联而成。然而,大量的直流-交流-直流变压器功率单元进行串并联使用时会来带功率单元之间均压、均流的难题,同时也给控制系统的研制带来较大的困难,不仅提高了装置的总成本,而且也大大降低了系统的可靠性,该类模块化串并联结构低载时仍需投入运行所有的功率单元,使得低载时效率较低。
尽管可以对于内部交流电路采用不带电气隔离功能的电感-电容-电感升压型直流-交流-直流变压器,例如文献“LCL DC/DC converter for DC grids”(Dragan Jovcic,Lu Zhang,IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(4),2071-2079)中披露了一种电容-电感-电容升压型直流-交流-直流变压器,其典型变比高于高频变压器的变比,但仅依靠电感-电容-电感升压,其最高升压比一般为5,仍难以达到20-40的变比。而且由于该类拓扑其两侧直流系统均只能采用对称双极性拓扑,无法用于联接单极性直流系统,该类拓扑无法作为基本功率单元进行模块化串并联组合,从而难以进一步提高其升压比,而且其是用于双向功率传输,对单向功率传输应用场合来说成本高效率低。
综上,已有的大功率高电压等级直流-交流-直流变压器存在着系统结构及其控制复杂、功率单元变比低、低载工况下运行效率低的缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种单向直流变压器,通过对其逆变器、整流器以及交流链路的拓扑进行优化设计,通过较少直流-交流-直流功率单元的串并联组合便可满足高压大容量的应用需求,实现对两直流系统间直流功率的单向传输,该系统改进了现有单向直流-交流-直流变换功率单元存在的变比小,应用于高电压大容量场合时需要较多功率单元串、并联组合的缺陷,具有高效率、高升压比、整体系统结构简单的优点。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种单向直流变压器,用于从低压直流系统向高压直流系统单向传输直流功率,其特征在于,该直流变压器包括电压源型换流器、不可控整流器和电感-电容升压回路,其中,
所述电压源型换流器的正、负极分别与低压直流系统的正、负极相联接,不可控整流器的正、负极分别和高压直流系统的正、负极相联接,电压源型换流器的交流侧联接交流电感的一端,交流电感的另一端与交流电容的一端以及不控整流器的交流侧互联,交流电容的另一端接地。
本方案中的上述单向直流变压器通过上述拓扑结构,利用其中的电压源型换流器控制交流电容的交流电压,从而控制从低压直流系统向高压直流系统传输的直流功率,依此方式实现对两直流系统间直流功率的单向传输,达到调控单向直流变压器输送功率的目的,满足高压大容量的应用需求。
优选地,还包括设置在所述电感-电容升压回路与所述不可控整流器之间的交流变压器,所述交流电感的另一端以及所述交流电容的一端通过所述交流变压器与所述不控整流器的交流侧互联,即该交流变压器的低压侧联接到所述交流电感和交流电容的互联点,三者形成互联,其高压侧与不控整流器的交流侧联接。
优选地,所述不可控整流器由至少一组子整流器单元串联形成,其中所述子整流器单元由一个正极子整流器和一个负极子整流器在直流侧顺次串联组成,所述正极子整流器的负极和负极子整流器的正极相联接。
所述交流变压器为两个或两个以上,各交流变压器的低压端均与所述交流电容的一端相联接,高压端分别与对应的子整流器单元的交流端口相联接。
优选地,所述交流变压器为三绕组交流变压器,交流变压器的其中一个绕组与交流电容的一端相联接,另外两个绕组分别与正极子整流器和负极子整流器的交流侧相联接。
优选地,所述电压源型换流器与所述电感-电容升压电路组成的功率单元可以为多个,其中每个功率单元中的电压源型换流器正极与低压直流系统的正极联接,电压源型换流器负极与低压直流系统的负极联接、电压源型换流器的交流侧联接到对应的交流电感的一端、该交流电感的另一端与对应的交流电容的一端以及不控整流器的交流侧互联。
优选地,各交流电感与交流电容的一端相联接后再联接到交流公共联接点,所述不控整流器的交流侧连接至该交流公共联接点。
优选地,多个所述功率单元中最多一个上没有设置双向开关,设置该双向开关的功率单元中,各交流电感与交流电容的一端相联接后再通过该双向开关联接到交流公共联接点,可在低载时通过关断功率单元上的所述双向开关切除相应的功率单元。
优选地,所述双向开关为双向晶闸管开关。
优选地,还包括设置在所述电感-电容升压回路与所述电压源型换流器之间的交流变压器,所述电压源型换流器通过该交流变压器与所述交流电感联接,即所述电压源型换流器的交流侧与该交流变压器的低压侧联接,所述交流变压器的高压侧与所述交流电感一端连接。
优选地,所述的电压源型换流器可以采用模块化多电平换流器、两电平换流器、三电平换流器等各种电压源型换流器拓扑。
优选地,所述的不可控整流器或电压源型换流器可以采用单相、三相或多相换流器拓扑。
优选地,所述低压直流系统采用对称双极性或对称单极性接线拓扑,所述高压直流系统采用对称双极性、对称单极性或不对称单极性接线拓扑。
优选地,所述电感-电容升压回路中的电感、电容的计算公式分别为:
其中,U1为每个电感-电容升压回路低压侧每相对地电压的有效值,Uc为每个电感-电容升压回路高压侧每相对地电压的有效值,Pn为每相的额定功率,ω为电感-电容回路的运行角频率,k为不小于1的裕度系数。
优选地,通过计算得到的所述电感和电容的值,利用仿真模型微调电容的值,可使得传输额定功率时,所述电压源型换流器的无功功率为零从而降低运行损耗。
优选地,可通过控制所述交流电容电压的幅值从而控制所述单向直流变压器传输的有功功率。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
(1)本发明的方案通过引入电感-电容升压回路,降低了模块化串并联部分的变比要求从而减少了直流变压器功率单元模块级串/并联的数量,降低了系统的运行损耗与成本,降低了均压、均流技术难度。
(2)本发明通过将直流变压器中的部分换流器替换为不可控整流器,降低了单向直流变压器的换流器成本,降低了控制复杂度并达到了功率单向传输的目的。
(3)本发明的方案改进现有单向直流-交流-直流变换功率单元存在的变比小,应用于高电压大容量场合时需要较多功率单元串、并联组合的缺陷,通过较少直流-交流-直流功率单元的串并联组合便可满足高压大容量的应用需求,实现对两直流系统间直流功率的单向传输,具有高效率、高升压比、整体系统结构简单的优点。
附图说明
图1是现有技术中一种常规的单向直流变压器拓扑;
图2是现有技术中一种常规的模块化串、并联结构的单向直流变压器拓扑;
图3是根据本发明一个实施例所构建的利用电感-电容回路实现变压的单向直流变压器;
图4是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,其中升压回路由电感-电容回路和交流变压器串联而成;
图5是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,其中交流变压器为一个三绕组交流变压器;
图6是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,其中包含了两个交流变压器;
图7是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,包含了两个功率子单元;
图8是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,且第二个功率子单元的高压侧联接了双向晶闸管旁路开关;
图9是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,包含了4个功率子单元;
图10是图9所示实施例的单向直流变压器的详细线路图;
图11根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,包含了4个电感-电容功率子单元和4个交流变压器;
图12是根据本发明一个实施例所构建的单向直流变压器,其交流升压回路由交流变压器和电感-电容支路串联而成;
图13是根据本发明所述单向直流变压器的电压源型换流器可以采用的一些公知拓扑;
图14是根据发明所述单向直流变压器的电压源型换流器可以采用的一些公知拓扑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的单向直流变压器主要用于单向地从低压直流系统向高压直流系统传输直流功率,其显著的技术性表现在于使用电感-电容支路与交流变压器串联的两级升压电路实现直流变压器的高升压比特性,解决了常规单向直流变压器在高升压比场合存在的串、并联功率模块数太多,均压、均流困难的缺陷,常规的电感-电容-电感型直流变压器无法应用于模块化串、并联的缺陷。
本发明的利用电感-电容支路或电感-电容支路与交流变压器串联实现变压的方案,可以减少串、并联的功率单元的数目,实现单向直流功率传输。
图3为按照本发明一个实施例所提出的单向直流变压器拓扑,主要由电压源型换流器1、交流电感5、交流电容6和不控整流器2互联而成。其中,电压源型换流器1直流侧的正、负极分别与低压直流系统3的正、负极联接,电压源型换流器1的交流侧联接至交流电感5的一端,交流电感5的另一端与交流电容6的高压端以及不控整流器2的交流侧互联在一起,交流电容6的低压端接地。
该实施例的方案中通过控制交流电容6的交流电压即可控制不控整流器2的整流电压从而控制直流电流,达到调控单向直流变压器输送功率的目的。由于图3实施例通过采用电感-电容回路实现升压,电感-电容回路不存在铁芯损耗,应用于中、高频频率时,其典型的升压比可以高达5:1。而图1所示常规方案通过交流变压器进行升压,运行于中、高频频率时存在较大的铁芯损耗,受限于绝缘和散热问题,图1常规方案的典型升压比为1:1-1:2。
为了进一步提高升压比,本发明一个实施例中提出了图4所示的采用电感-电容升压回路与交流变压器进行级联升压的单向直流变压器。图4所示实施例的系统与图3所示实施例的系统类似,改动在于电压源型换流器的交流输出经交流电感5和交流电容6后,再经交流变压器7进行进一步的升压或提供电气隔离。
本方案中,由于交流变压器7具有隔离直流偏置电压的功能,多个不控整流器2可以通过多个交流变压器7形成直流侧串联、交流侧并联的串、并联组合从而进一步提高单向直流变压器的升压比。引入交流变压器7后,图4实施例不再像图3实施例那样要求高压直流系统4必须为双极性系统或对称单极系统,从而图4实施例因引入了交流变压器7后具备更广泛的应用场合,也方便于将图4实施例进行串、并联组合后得到功能更完善、性能更好的单向直流变压器。
为了降低图4单向直流变压器的高压直流侧谐波以及进一步提高升压比,降低交流变压器的成本,如图5所示的实施例给出了图4的进一步改进方案。图5所示实施例中,交流变压器7为一个三绕组交流变压器。三绕组交流变压器的一个绕组联接至电感-电容支路的交流输出侧,另外两个绕组分别联接至不控整流器2和不控整流器12的交流侧。
在一个实施例中,如图6所示,对图5所示的实施例的方案进行改进,即将其中三绕组交流变压器7替换为两个双绕组交流变压器7和17。
在一个实施例中,如图7所示,图7为包含两个电感-电容升压单元的直流变压器拓扑。图7拓扑与图6拓扑基本一致,区别在于增加了电压源型换流器11、交流电感15和交流电容16构成的第二电感-电容升压单元。两个电感-电容升压单元的直流侧与交流侧均并联联接在一起。
在一个实施例中,如图8所示,图8拓扑与图7拓扑基本一致,区别在于交流电容16的高压侧还串联了双向晶闸管8,从而使得图8所示实施例的整个系统在输送的功率小于50%额定功率时,通过关断双向晶闸管8可以切除第二电感-电容升压单元,从而提高单向直流变压器在低负载条件下(≤50%额定功率)的效率。
在一个实施例中,如图9所示,图9拓扑与图8拓扑基本一致,区别在于将电感-电容升压单元的数目扩充为4个,使得在负载≤25%额定功率时仅投入第一电感-电容升压单元;负载介于25%-50%额定功率时,仅投入第一、第二电感-电容升压单元;负载介于50%-75%额定功率时,仅投入第一、第二和第三电感-电容升压单元;负载介于75%-100%额定功率时投入全部的电感-电容升压单元。采用上述分级投切策略可以进一步提高直流变压器在各种负载条件下的效率。
图10给出了与图9实施例所对应的详细实现框图。
图11所示的是图10所示实施例的进一步扩展的实施例,其中,不控整流侧由四个不控整流器串联而成。
在一个实施例中,如图12所示,图12给出了另一种级联升压式直流变压器的拓扑,其结构与图4所示实施例类似,区别在于调整了交流变压器7和电感-电容升压回路的位置,电压源型换流器1的交流输出将先通过交流变压器7进行第一级升压,而后再经交流电感5和交流电容6构成的电感-电容回路进行第二级升压。图12为先用交流变压器升压后由电感-电容回路升压方案的优选方案,其用途在于低压直流侧可以联接不对称单极直流系统,而图4-图11方案低压直流侧只能联接对称单极系统或对称双极系统,无法联接不对称单极直流系统。
本发明各实施例中所述的交流电感5、交流电容6、交流变压器7可以采用单相、两相、三相或多相拓扑。
优选地,本发明所述低压直流系统采用对称双极性接线拓扑或对称单极性接线拓扑而高压直流系统则可以采用对称双极性接线拓扑、对称单极性接线拓扑或不对称单极接线拓扑。
优选地,记每个电感-电容升压回路低压侧每相对地电压的有效值为U1,高压侧每相对地电压有效值为Uc,每相的额定功率为Pn,电感-电容回路的运行角频率为ω,裕度系数为k(k≥1),则电感-电容升压回路中电感、电容的计算参考值为
式(1)和(0)中,L、C分别为电感和电容的值。
计算得到L、C的值后,通过在仿真软件上搭建仿真模型,微调电容的值,使得传输额定功率时,电压源型换流器的无功功率为零从而降低运行损耗。
图13给出了本发明所述电压源型换流器1可以采用的一些常见拓扑。图14给出了本发明所述不控整流器2可以采用的一些常见拓扑。图13-图14的详细说明可以参考专利CN103337972 A。
上述各实施例中,可利用单向直流变压器所包含的电压源型换流器控制单向直流变压器的内部交流电压从而控制单向直流变压器所包含的不可控整流器整流后的直流电压,进而控制单向直流变压器传输的直流功率,实现对单向直流变压器所传输直流功率的控制。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种单向直流变压器,用于从低压直流系统向高压直流系统单向传输直流功率,其特征在于,该直流变压器包括电压源型换流器、不可控整流器和电感-电容升压回路,其中,
所述电压源型换流器的正、负极分别与低压直流系统的正、负极相联接,所述不可控整流器的正、负极分别与高压直流系统的正、负极相联接,所述电压源型换流器的交流侧联接交流电感的一端,该交流电感的另一端与交流电容的一端以及不可控整流器的交流侧互联,交流电容的另一端接地;
通过控制交流电容的交流电压控制不可控整流器的整流电压从而控制直流电流,实现功率控制。
2.根据权利要求1所述的一种单向直流变压器,其中,还包括设置在所述电感-电容升压回路与所述不可控整流器之间的交流变压器,所述交流电感的另一端以及所述交流电容的一端通过所述交流变压器与所述不可控整流器的交流侧互联,即该交流变压器的低压侧联接到所述交流电感和交流电容的互联点,三者形成互联,其高压侧与不可控整流器的交流侧联接。
3.根据权利要求2所述的一种单向直流变压器,其中,所述不可控整流器由至少一组子整流器单元串联形成,其中所述子整流器单元由一个正极子整流器和一个负极子整流器在直流侧顺次串联组成,所述正极子整流器的负极和负极子整流器的正极相联接。
4.根据权利要求3所述的一种单向直流变压器,其中,所述交流变压器为两个或两个以上,各交流变压器的低压端均与所述交流电容的一端相联接,高压端分别与对应的子整流器单元的交流端口相联接。
5.根据权利要求3或4所述的一种单向直流变压器,其中,所述交流变压器为三绕组交流变压器,该三绕组交流变压器的其中一个绕组与交流电容的一端相联接,另外两个绕组分别与所述子整流器单元中的正极子整流器和负极子整流器的交流端口相联接。
6.根据权利要求1或2所述的一种单向直流变压器,其中,所述电压源型换流器与所述电感-电容升压电路组成的功率单元为多个,其中每个功率单元中的电压源型换流器正极与低压直流系统的正极联接,电压源型换流器负极与低压直流系统的负极联接、电压源型换流器的交流侧联接到对应的交流电感的一端、该交流电感的另一端与对应的交流电容的一端以及不可控整流器的交流侧互联。
7.根据权利要求6所述的一种单向直流变压器,其中,各交流电感与交流电容的一端相联接后再联接到交流公共联接点,所述不可控整流器的交流侧连接至该交流公共联接点。
8.根据权利要求7所述的一种单向直流变压器,其中,多个所述功率单元中最多一个上没有设置双向开关,设置该双向开关的功率单元中,各交流电感与交流电容的一端相联接后再通过该双向开关联接到交流公共联接点,可在低载时通过关断功率单元上的所述双向开关切除相应的功率单元。
9.根据权利要求8所述的一种单向直流变压器,其中,所述双向开关为双向晶闸管开关。
10.根据权利要求1所述的一种单向直流变压器,其中,还包括设置在所述电感-电容升压回路与所述电压源型换流器之间的交流变压器,所述电压源型换流器通过该交流变压器与所述交流电感联接,即所述电压源型换流器的交流侧与该交流变压器的低压侧联接,所述交流变压器的高压侧与所述交流电感一端连接。
11.根据权利要求1或2项所述的一种单向直流变压器,其中,所述电压源型换流器采用模块化多电平换流器、两电平换流器或者三电平换流器。
12.根据权利要求1或2所述的一种单向直流变压器,其中,所述的不可控整流器或电压源型换流器采用单相、三相或多相换流器拓扑。
13.根据权利要求1或2所述的一种单向直流变压器,其中,所述低压直流系统采用对称双极性或对称单极性接线拓扑,所述高压直流系统采用对称双极性、对称单极性或不对称单极性接线拓扑。
14.根据权利要求1或2所述的一种单向直流变压器,其中,所述电感-电容升压回路中的电感、电容的计算公式分别为:
其中,U1为每个电感-电容升压回路低压侧每相对地电压的有效值,Uc为每个电感-电容升压回路高压侧每相对地电压的有效值,Pn为每相的额定功率,ω为电感-电容回路的运行角频率,k为不小于1的裕度系数。
15.根据权利要求14所述的一种单向直流变压器,其中,通过计算得到的所述电感和电容的值,利用仿真模型微调电容的值,可使得传输额定功率时,所述电压源型换流器的无功功率为零从而降低运行损耗。
16.根据权利要求1或2所述的一种单向直流变压器,其中,可通过控制所述交流电容电压的幅值从而控制所述单向直流变压器传输的有功功率。
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