CN107546983B - 一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器 - Google Patents

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本发明公开了一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，包括初级模块化多电平换流器、集成变压器模块和次级模块化多电平换流器；集成变压器模块包括两组单相三绕组变压器；集成变压器模块一次侧与所述初级模块化多电平换流器相单元的输出端连接，二次侧与次级模块化多电平换流器相单元的输入端连接。本发明中变流器采用的MMC结构有效提高了电压等级范围；采用的集成变压器模块实现初级与次级的电气隔离与故障隔离，并具备多级电压变换能力；集成变压器接入MMC相单元上、下桥臂的绕组完全对称，通过适宜的调制策略可避免传统变压器的直流磁化问题，减少了变压器体积与磁芯损耗，同时可取代传统MMC桥臂电抗与进/出线电抗，减少了无源器件数量。

Description

一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器。
背景技术
随着电力电子开关器件电压等级和功率等级的大幅提升，高压直流输电(HighVoltage Direct Current，HVDC)在国内外均得到迅猛发展。目前，HVDC在连接非同步运行的交流电网、远距离大功率输电以及海底电缆送电等领域中均得到了广泛应用。
现阶段，由于电缆绝缘水平的不断发展，不同时期构建的直流输电线路运行于不同的额定电压，导致无法直接在直流侧组网运行。因此，能够实现不同电压等级的直流线路间互联的高压大容量DC/DC变换器，将是直流电网构建的核心装备之一。
目前，国内外专家学者针对直流输电网络用的高压大容量DC/DC变换器电气拓扑结构开展了大量研究。晶闸管型LC谐振式DC/DC变换器，该变换器技术、经济性能一般，需处理晶闸管的换流等问题；输入串联输出串联型DC/DC变换器，该变换器将低电压小容量DC/DC变换器在输入和输出侧进行串联以承受系统高压，各低压DC/DC变换器间的均压以及内部变压器的电流均衡和绝缘设计均是实现难点；基于中/高频变压器的隔离型M2DC变换器，可实现高、低压侧间的电气隔离。而采用模块化多电平技术的高压DC/DC变换器具备扩展灵活、均压容易和故障隔离等优势，在直流输电网络应用场合具有更好的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，采用初级MMC-中高频集成变压器组—次级MMC的结构，通过控制MMC工作于中/高频状态，使中间交流隔离环节的变压器工作于中/高频状态，为减小变压器体积，减轻变压器重量提供了可能，整个系统模块度高，易于拓展，适用于不同电压等级直流电网间的连接与大功率直流供电场合。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，包括初级模块化多电平换流器(MMC)、集成变压器模块和次级模块化多电平换流器；所述初级模块化多电平换流器的各相单元的输入端与初级直流母线相连，各相单元输出端与集成变压器模块一次侧相连；所述次级模块化多电平换流器各相单元的输入端与集成变压器模块二次侧相连，各相单元输出端与次级直流母线相连。
所述集成变压器模块包括两组中/高频单相三绕组变压器，第一组变压器以双绕组侧为一次侧，且同名端分别与初级模块化多电平换流器各相单元的上、下桥臂的输出端相连；第二组变压器则以单绕组侧为一次侧，双绕组侧为二次侧，且一次侧与第一组变压器的输出端相连，二次侧的双绕组同名端分别与次级模块化多电平换流器各相单元的上、下桥臂的输入端相连。
所述单相三绕组变压器的双绕组侧包括两组匝数相同、结构对称的绕组；所述集成变压器模块的第一组变压器设定匝数比为10：1，以实现系统一级电压等级变换；第二组变压器匝数比为10：1，以实现系统二级电压等级变换。
所述多电平换流器各相单元的上桥臂的调制函数mp(t)、下桥臂的调制函数mn(t)分别为：
其中，m为调制度，ω为调制波角频率；m≤1。
初级模块化多电平换流器a相上桥臂输出端的电压uap,1、下桥臂输出端的电压uan,1分别为：
其中，Udc为直流侧母线电压。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明中变流器采用的MMC结构有效提高了电压等级范围；采用的集成变压器模块实现初级与次级的电气隔离与故障隔离，同时取代了传统MMC桥臂电抗与进/出线电抗，并具备多级电压变换能力；集成变压器模块接入MMC上、下桥臂的绕组上下对称，电流方向相反，上下直流磁化现象相互抵消，可有效避免传统变压器的直流磁化问题，减少了变压器体积与磁芯损耗；整个系统的工作频率可控，且体积小、模块度高，易于拓展，适用于不同电压等级直流电网间的连接与大功率直流供电场合。
附图说明
图1为本发明实施例中双向直流变换器的简化模型图；
图2为本发明实施例中双向直流变换器主电路拓扑结构图；
图3为本发明实施例中集成变压器模块的简化模型图；
图4为本发明实施例中集成变压器模块的等效拓扑结构图；
图5为本发明实施例中初级、次级MMC相单元结构图；
图6为本发明实施例中MMC的子模块拓扑结构图。
具体实施方式
本发明针对现阶段DCDC变换器无法适应大容量高电压的应用场合，以及不同电压等级的直流线路间互联的难题，提出了一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器。
参见图1、图2，为隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器的简化模型图和主电路拓扑结构图。由图可见，该双向直流变换器包括初级模块化多电平换流器、集成变压器模块和次级模块化多电平换流器。
其中，初级直流母线与初级MMC模块的输入端相连，由初级MMC模块实现初级直流电压到中高频交流电压的变换。初级MMC模块的输出端与中高频集成变压器模块相连，由集成变压器模块实现电压等级变换与初级、次级MMC的电气隔离与故障隔离。次级MMC模块的输入端与集成变压器模块相连，输出端与次级直流母线相连，实现中高频交流电压到次级直流电压的变换。
图3为集成变压器模块的简化模型图。该集成变压器模块由两组中/高频单相三绕组变压器组成，第一组变压器以双绕组侧为一次侧，且同名端分别与初级MMC各相单元的上、下桥臂的输出端相连；第二组变压器则以单绕组侧为一次侧，双绕组侧为二次侧，且一次侧与第一组变压器的输出端相连，二次侧的双绕组同名端分别与次级MMC各相单元的上、下桥臂的输入端相连。
图4为集成变压器模块的等效拓扑结构图。其中，三绕组变压器的双绕组侧的绕组匝数相同，且第一组变压器的原副边匝数比为N1:N2，实现系统的一级电压等级变换与电气隔离；第二绕组变压器的原副边匝数比为N3:N4，实现系统的二级电压等级变换与电气隔离；所述变压器集成了传统MMC桥臂电抗与进/出线电抗的扼流与滤波功能，可有效抑制由各并联相单元的直流电压瞬时值不完全相同而造成的相间环流，同时抑制冲击电流，从而提高系统的可靠性；同时，接入MMC上、下桥臂的绕组上下对称，电流方向相反，上下直流磁化现象相互抵消，可有效避免传统变压器的直流磁化问题，减少了变压器体积与磁芯损耗；此外，初级MMC模块通过相应的调制策略输出中/高频交流电压，使得集成变压器模块工作于中/高频状态，为减轻变压器体积与减少变压器重量提供了便利条件。
图5为初级、次级MMC相单元结构图，模块化多电平换流器各相单元的上、下桥臂由数量相同的子模块串联后分别与集成变压器模块输入端对应连接，无需接入桥臂电抗与进/出线电抗。初级、次级变换器均采用MMC结构，可以有效提高系统的输入输出电压登记范围。
图6为本发明实施例中MMC的子模块拓扑结构图，所述半桥子模块由一个储能电容、两个全控型功率管IGBT以及两个反向并联二极管。所述储能电容与两个串联的功率管IGBT并联；当半桥子模块上端IGBT开通则电容投入，半桥子模块输出电压为Udc/N，其中Udc表示直流母线电压，N表示桥臂串连的半桥子模块数；当半桥子模块下端IGBT开通则电容旁路，半桥子模块输出电压为0。

Claims (5)

1.一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，其特征在于，包括初级模块化多电平换流器、集成变压器模块和次级模块化多电平换流器；所述初级模块化多电平换流器的各相单元的输入端与初级直流母线相连，各相单元输出端与集成变压器模块一次侧相连；所述次级模块化多电平换流器各相单元的输入端与集成变压器模块二次侧相连，各相单元输出端与次级直流母线相连；
所述集成变压器模块包括两组中/高频单相三绕组变压器，第一组变压器以双绕组侧为一次侧，且同名端分别与初级模块化多电平换流器各相单元的上桥臂、下桥臂的输出端相连；第二组变压器以单绕组侧为一次侧，双绕组侧为二次侧，且一次侧与第一组变压器的输出端相连，二次侧的双绕组同名端分别与次级模块化多电平换流器各相单元的上桥臂、下桥臂的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，其特征在于，所述中/高频单相三绕组变压器的双绕组侧包括两组匝数相同、结构对称的绕组；所述集成变压器模块的第一组变压器设定匝数比为10：1，以实现系统一级电压等级变换；第二组变压器匝数比为10：1，以实现系统二级电压等级变换。
3.根据权利要求2所述的隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，其特征在于，所述多电平换流器各相单元的上桥臂的调制函数mp(t)、下桥臂的调制函数mn(t)分别为：
其中，m为调制度，ω为调制波角频率。
4.根据权利要求3所述的隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，其特征在于，m≤1。
5.根据权利要求3或4所述的隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器，其特征在于，初级模块化多电平换流器a相上桥臂输出端的电压uap,1、下桥臂输出端的电压uan,1分别为：
其中，Udc为直流侧母线电压。
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