CN107404233A - 一种直流传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流传输系统，该系统包括至少两个级联的直流传输电路，电路包括电容充电投切单元、充电电容、DC/DC变换单元、放电电容及电容放电投切单元，充电电容投切单元与充电电容连接，用于控制充电电容的充电；充电电容通过DC/DC变换单元与放电电容连接，并为放电电容充电；放电投切单元与放电电容连接，用于控制放电电容的放电。本发明实现了海上风电电能的直流传输，采用级联的方式实现了海上风电电能的分压输入和分压输出，且风电电能的传输比较容易。

Description

一种直流传输系统

技术领域

本发明属于直流传输技术领域，特别涉及一种直流传输系统。

背景技术

由于近些年来常规新能源逐渐枯竭，全世界范围内能源告急，因此，越来越多的人将目光转向可再生能源。而在发电领域，风能技术是新能源发电技术中最为成熟，最具开发规模的发电方式之一。但是，由于陆上可利用空间和风力资源有限，使得大规模的海上风电场成为风力发电的主要趋势。我国海上资源丰富海岸线绵长，仅江苏东部黄海上的辐射沙洲，就可以建设总装机容量数倍于三峡水电站的海上风电基地。另外，海上风电场与陆上风电场的比较优势为：节省土地资源、减少噪声及公共视觉冲击、海上风场规模大、海上风能资源优良、风切变较小。这些优势使得海上风电的发展具有十分重大的经济意义和战略意义。

风能是一种潜力很大的新能源，有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍，利用风能进行发电的技术也获得了突飞猛进的发展，最近几年风力发电的装机容量有了巨大的增长，但是由于受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量下，分布广，供电质量不高且远离主网，由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，而且传统的交流电网传送方式并不适合于海上风电领域，因此，海上风电直流输出日益受到重视，利用直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境，缓解系统电压波动而引起的风电并网母线电压波动。

直流输出需要高压直流电压变换装置，目前在此领域并没有成熟的解决方案。交流电网电压变换装置采用的是变压器耦合，但是根据麦克斯韦方程，直流无法通过传统的变压器耦合方式进行变化，因此，需要一种新的电压变化装置。目前的传输方案主要是进行直流-交流-直流的变换，其损耗高，设备复杂，实现海上风电直流电能传输比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流传输系统，用于解决现有技术中海上风电电能直流传输较为困难的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种直流传输系统，所述系统包括直流传输电路，所述直流传输电路包括依次并联的电容充电投切单元、充电支路、DC/DC变换单元、放电支路及电容放电投切单元，所述充电电容投切单元与所述充电支路连接，用于控制为所述充电支路充电；所述充电支路通过所述DC/DC变换单元与所述放电电容连接，并为放电电容充电；所述放电投切单元与所述放电支路连接，用于控制所述放电支路放电。

进一步地，所述电容充电投切单元包括直流电源输入端口和充电投切支路，所述充电投切支路包括串联的第一功率开关管和第二功率开关管，第一功率开关管或第二功率开关管的两端与所述直流电源输入端口连接；所述放电电容投切单元包括直流电源输出端口和放电投切支路，所述放电投切支路包括串联的第三功率开关管和第四功率开关管，第三功率开关管或第四功率开关管的两端与所述直流电源输出端口连接。

进一步地，所述充电支路包括串联的第一充电电容和第二充电电容；所述放电支路包括串联的第三放电电容和第四放电电容。

进一步地，所述DC/DC变换单元包括逆变子单元、变压器及整流子单元。

进一步地，所述逆变子单元为半桥逆变子单元，所述整流子单元为半桥整流子单元；变压器原边绕组的一个端子与所述充电支路的中点连接，变压器原边绕组的另一个端子与半桥逆变子单元桥臂的中点连接；变压器副边绕组的一个端子与所述放电支路的中点连接，变压器副边绕组的另一个端子与半桥整流子单元桥臂的中点连接。

进一步地，所述充电支路包括一个充电电容，所述放电支路包括一个放电电容。

进一步地，所述逆变子单元为全桥逆变子单元，所述整流子单元为全桥整流子单元；变压器原边绕组的一个端子与全桥逆变子单元的第一桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一个端子与全桥逆变子单元第二桥臂的中点连接；变压器副边绕组的一个端子与所述全桥整流子单元的第一桥臂的中点连接，变压器副边绕组的另一个端子与全桥整流子单元第二桥臂的中点连接。

进一步地，所述系统包括至少两个直流传输电路，各直流传输电路通过级联的方式连接。

进一步地，所述变压器为LC谐振变压器。

本发明的有益效果是：

本发明提供的直流传输系统，包括至少两个级联的海上风电传输电路，系统包括直流传输电路，直流传输电路包括依次并联的电容充电投切单元、充电支路、DC/DC变换单元、放电支路及电容放电投切单元，充电电容投切单元与充电支路连接，用于控制为充电支路充电；充电支路通过DC/DC变换单元与放电电容连接，并为放电电容充电；放电投切单元与放电支路连接，用于控制放电支路放电。本发明解决了直流传输困难的问题，尤其解决了海上风电电能的直流传输难的问题，采用级联的方式实现了海上风电电能的分压输入和分压输出，且风电电能的传输比较容易。

本发明能够实现双向电能传输，当发生故障时，输入侧和输出侧电容会迅速放电产生过电流，通过在输入输出侧增加IGBT模块，在发生故障时及时封锁IGBT模块的脉冲阻断电容的放电，防止了输入输出侧电容迅速放电产生过电流的问题。

附图说明

图1为本发明的直流传输的系统结构框图；

图2为本发明的直流传输的系统原理图；

图3为本发明的直流传输的电路结构图；

图4为本发明的直流传输的另一种电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明的一种直流传输系统的实施例：

随着电力电子技术的飞速发展，由于双向DC/DC变换技术具有软开关、功率密度高、装置体积小等优点，使得双向DC/DC变换器、可再生能源、直流配电网和电力电子变压器等领域得到了广泛的应用。为了实现不同电压等级的直流输、配电网的连接，也为了新能源和储能系统接入直流电网，并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DC/DC变换器或DC/DC变换装置实现直流电压和功率的双向传输。

本实施例以海上风电电能直流传输系统为例，如图3所示，该直流传输系统包括直流传输电路，直流传输电路包括依次并联的电容充电投切单元、充电支路、DC/DC变换单元、放电支路及电容放电投切单元，充电电容投切单元与充电支路连接，用于控制为充电支路充电；充电支路通过DC/DC变换单元与放电电容连接，并为放电电容充电；放电投切单元与放电支路连接，用于控制放电支路放电。由于电容为储存静电场的器件，其损耗低，因此在直流领域内具有更加优越的特点。

电容充电投切单元包括直流电源输入端口和充电投切支路，充电投切支路包括串联的第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2；功率开关管Q1的两端与直流电源输入端口连接，作为其他实施方式，功率开关管Q2的两端也可与直流电源输入端口连接。

放电电容投切单元包括直流电源输出端口和放电投切支路，放电投切支路包括串联的第三功率开关管和第四功率开关管，其中，第三功率开关管对应图3中的功率开关管Q7和功率开关管Q8；功率开关管Q7的两端与直流电源输出端口连接，作为其他实施方式，功率开关管Q8的两端也可与直流电源输出端口连接。

充电电容包括第一充电电容和第二充电电容，第一充电电容和第二充电电容分别对应图3中的电容C1和电容C2，电容C1和电容C2组成的充电支路与充电投切支路并联；放电电容包括第三放电电容和第四放电电容，第三放电电容和第四放电电容分别对应图3中的电容C3和电容C4，电容C3和电容C4组成的放电支路与放电投切支路并联。

DC/DC变换单元包括逆变单元、LC谐振、变压器及整流单元，逆变单元为半桥逆变单元，整流单元为半桥整流单元；变压器原边绕组的一个端子与充电支路的中点连接，变压器原边绕组的另一个端子与逆变单元桥臂的中点连接；变压器副边绕组的一个端子与放电支路的中点连接，变压器副边绕组的另一个端子与整流单元桥臂的中点连接。

其中，逆变单元包括串联的功率开关管Q3和功率开关管Q4，功率开关管Q3和功率开关管Q4所在的支路与电容C1和电容C2组成的充电支路并联；整流单元包括串联的功率开关管Q5和功率开关管Q6，功率开关管Q5和功率开关管Q6所在的支路与电容C3和电容C4组成的充电支路并联。

功率开关管Q3和功率开关管Q4采用50％占空比输出，其开关频率与Lr1和Cr1构成的谐振网络相同，利用LC网络(Lr1和Cr1)将电流方波滤波成正弦波，然后通过高频变压器传输至副边，其副边输出也采用占空比控制，按照一定占空比控制输出电压，以实现副边输出电压可控和实现变比调整；副边采用同步脉冲触发模式，功率开关管Q5和功率开关管Q3脉冲相同，功率开关管Q6和功率开关管Q4脉冲相同，副边的Lr2和Cr2组成的谐振网络频率与原边谐振网络的频率相同，且谐振网络能够实现能量的双向传输。

本实施例中，逆变单元和整流单元都采用的是半桥的结构，作为其他实施方式，也可以采用全桥的结构，因此本发明还提供了一种直流传输电路，如图4所示，包括电容充电投切单元、充电电容、DC/DC变换单元、放电电容及电容放电投切单元，充电电容投切单元与充电电容连接，用于为充电支路充电；充电电容通过DC/DC变换单元与放电电容连接，并为放电电容充电；放电投切单元与放电电容连接，用于控制放电支路放电。

其中，DC/DC变换单元包括逆变子单元、变压器及整流子单元逆变子单元为全桥逆变子单元，整流子单元为全桥整流子单元；变压器原边绕组的一个端子与全桥逆变子单元的第一桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一个端子与全桥逆变子单元第二桥臂的中点连接；变压器副边绕组的一个端子与全桥整流子单元的第一桥臂的中点连接，变压器副边绕组的另一个端子与全桥整流子单元第二桥臂的中点连接。

该电路采用的IGBT模块数量较多，与图3的电路结构比较，电路成本高、体积大、控制比较复杂，所以本发明优选图3给出的海上风电电能传输电路。由于全桥逆变和全桥整流的原理一样，都属于现有技术，因此在这里不做过多的赘述。

本发明利用上述的直流传输系统进行传输的方法具体包括如下步骤：

打开未与直流充电电源输入端口连接的功率开关管且关闭与直流充电电源输入端口连接的功率开关管，为充电电容充电，如图3所示，当需要充电时，打开功率开关管Q1。

充电电容通过DC/DC变换单元为放电电容充电，打开未与直流充电电源输出端口连接的功率开关管且关闭与直流充电电源输入端口连接的功率开关管，放电电容放电，如图3所示，当需要放电时，打开功率开关管Q7。

当充电电容电压过高，不需要充电时，打开与直流充电电源输入端口连接的功率开关管且关闭未与直流充电电源输入端口连接的功率开关管，将充电电容旁路，抑制电压继续上升，如图3所示，打开功率开关管Q2，关闭功率开关管Q1，将充电电容旁路。

当放电电容电压过低，不能继续放电时，打开与直流充电电源输出端口连接的功率开关管且关闭未与直流充电电源输入端口连接的功率开关管，将放电电容旁路，如图3所示，打开功率开关管Q8，关闭功率开关管Q7，将放电电容旁路。

本实施例的直流传输系统采用各传输电路级联的结构，如图1所示的直流传输的系统结构框图，结合本发明的直流传输系统，构成的具体结构如图2所示，通过控制充电电容级联投入的个数可实现输入电压的可调，通过控制放电电容级联投入的个数可实现输出电压的可调。

本发明提供的直流传输系统，适合于连接到各种电网之间，尤其适用于海上风电电能的传输，使海上风电电能的传输不再那么难以实现，能够充分利用海上优良的风电资源，节省土地资源。

综上，本发明与传统开关电容电路相比，具备旁路冗余的功能；实现了输入电压和输出电压的可调控制；拓扑结构体积小，直流传输功率高，能够实现能量的双向流动；采用电容静态储能，在空载时没有损耗；由于直流输入输出直接连接电网，出现故障时变换器两侧的电容会迅速放电，产生过电流，本发明提供的电路结构，在电容输入输出侧串联了IGBT模块，因此，在故障时变换器两侧不会出现电容快速放电产生过电流的问题。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种直流传输系统，其特征在于，所述系统包括直流传输电路，所述直流传输电路包括依次并联的电容充电投切单元、充电支路、DC/DC变换单元、放电支路及电容放电投切单元，所述充电电容投切单元与所述充电支路连接，用于控制为所述充电支路充电；所述充电支路通过所述DC/DC变换单元与所述放电电容连接，并为放电电容充电；所述放电投切单元与所述放电支路连接，用于控制所述放电支路放电。

2.根据权利要求1所述的直流传输系统，其特征在于，所述电容充电投切单元包括直流电源输入端口和充电投切支路，所述充电投切支路包括串联的第一功率开关管和第二功率开关管，第一功率开关管或第二功率开关管的两端与所述直流电源输入端口连接；所述放电电容投切单元包括直流电源输出端口和放电投切支路，所述放电投切支路包括串联的第三功率开关管和第四功率开关管，第三功率开关管或第四功率开关管的两端与所述直流电源输出端口连接。

3.根据权利要求1所述的直流传输系统，其特征在于，所述充电支路包括串联的第一充电电容和第二充电电容；所述放电支路包括串联的第三放电电容和第四放电电容。

4.根据权利要求1所述的直流传输系统，其特征在于，所述DC/DC变换单元包括逆变子单元、变压器及整流子单元。

5.根据权利要求4所述的直流传输系统，其特征在于，所述逆变子单元为半桥逆变子单元，所述整流子单元为半桥整流子单元；变压器原边绕组的一个端子与所述充电支路的中点连接，变压器原边绕组的另一个端子与半桥逆变子单元桥臂的中点连接；变压器副边绕组的一个端子与所述放电支路的中点连接，变压器副边绕组的另一个端子与半桥整流子单元桥臂的中点连接。

6.根据权利要求1所述的直流传输系统，其特征在于，所述充电支路包括一个充电电容，所述放电支路包括一个放电电容。

7.根据权利要求4所述的直流传输系统，其特征在于，所述逆变子单元为全桥逆变子单元，所述整流子单元为全桥整流子单元；变压器原边绕组的一个端子与全桥逆变子单元的第一桥臂的中点连接，变压器原边绕组的另一个端子与全桥逆变子单元第二桥臂的中点连接；变压器副边绕组的一个端子与所述全桥整流子单元的第一桥臂的中点连接，变压器副边绕组的另一个端子与全桥整流子单元第二桥臂的中点连接。

8.根据权利要求1所述的直流传输系统，其特征在于，所述系统包括至少两个直流传输电路，各直流传输电路通过级联的方式连接。

9.根据权利要求4所述的直流传输系统，其特征在于，所述变压器为LC谐振变压器。