CN107634655B - 一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑。直流电力电子变压器所适用的场合主要有两种，场合一：中、高压直流母线与低压直流母线间的电压变换；场合二：不同中、高压母线间的电压变换。本发明所提出的直流电力电子变压器拓扑结构在保证开关器件电压应力不变的条件下，降低级联DC/DC变换器的数量，减少变压器和开关器件的数量，从而进一步降低直流电力电子变压器的体积和重量；本发明所提出的直流电力电子变压器拓扑结构可以实现软开关，提高直流变换的效率；本发明所提出的直流电力电子变压器拓扑结构能够实现单元模块的故障自切除，无需采用直流接触器对故障单元模块进行故障切除。

Description

一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑
技术领域
本发明涉及一种具有故障自切除能力的新型电力电子变压器拓扑，适用于柔性交、直流输、配电网，新型轨道交通变流装置，新能源并网，能源互联网等所有可能用到中、高压双向隔离直流变换的领域。
背景技术
电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是一种基于电力电子变换技术、具备高频链路环节、能够实现变压变流与电气隔离的电能变换装置，也常被称为固态变压器(Solid state transformer，SST)。电力电子变压器不仅具有传统变压器的基本功能，还具备如下特点：1、使用中、高频变压器替代工频变压器，减小了变压器的体积和重量；2、原、副边电压电流可控，可在保护供电质量的同时减小系统的谐波污染；3、具有模块化结构，可以实现装置的“即插即用”，利于模块的修理和拆卸，同时也便于系统的保护；4、既可以连接交流母线，也可以连接直流母线，又或者实现交、直流母线的互联。
基于上述特点，使得电力电子变压器在柔性交、直流输、配电网，新型轨道交通变流装置，新能源并网、能源互联网等场合得到了广泛地研究和应用。电力电子变压器的核心部分为高频链路环节，而目前的高频化方案主要有两类：第一类为基于矩阵式变换器的AC/AC变换，另一类则为基于级联型双向隔离式直流变换器的DC/DC变换。相较于第一类AC/AC变换，DC/DC变换具有功率密度高，控制简单，结构模块化程度高和易于扩展等优点，得到了更为广泛的应用。而基于级联型双向隔离式直流变换器的DC/DC变换方案，由于能够直接实现不同电压等级的直流变换，也被称之为直流电力电子变压器。
现有的直流电力电子变压器的基本结构为模块级联型拓扑。图1为一种典型的输入串联，输出并联的模块级联型直流电力电子变压器拓扑结构，通过若干个输入串联、输出并联的隔离型DC/DC变换器模块，实现中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，这种拓扑结构具有模块化程度高的优点，但是，由于其使用了较多的DC/DC变换器模块级联，所需的变压器、开关器件数量较多，装置的体积、重量、成本和可靠性相对较差。为了解决这一问题，研究人员提出采用三电平隔离型DC/DC变换器模块替代原有的模块，这样能够在一定程度上减少变压器和开关器件的数量，但是，这类拓扑结构受均压控制的复杂性所限，电平数难以进一步增加，因此所达到的优化效果差强人意。此外，现有的直流电力电子变压器拓扑结构通常都依赖直流接触器来旁路故障单元、切除故障。旁路接触器有三个问题：第一，大容量高压接触器比较大，占用设备体积；第二，对于现有的级联型电路，无论交流，还是直流，实际操作需考虑“阻断IGBT器件脉冲”和“使能旁路接触器”的先后顺序，因为接触器的反应存在延时，如果操作时序不当，将会导致故障蔓延而使整个系统停机；第三，旁路接触器不能直接与电容并联，否则，接触器动作时电容将被接触器短路，而导致接触器或电容烧损。故采用直流接触器的方案会大大增加系统的复杂性、体积、重量和成本。
发明内容
本发明的目的在于针对直流电力电子变压器所存在的变压器、开关器件数量庞大，故障切除成本高的现状，提出了一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑。
直流电力电子变压器所适用的场合主要有两种。场合一：中、高压直流母线与低压直流母线间的电压变换；场合二：不同中、高压直流母线间的电压变换。针对上述两种主要应用场合，本发明分别提出了相应的基本拓扑结构及其优化拓扑结构。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，包括：中、高压直流母线Pp、中、高压直流母线Pn、低压直流母线Qp、低压直流母线Qn、1个均压变换器和级联型双向隔离式DC/DC变换器；
其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；级联型双向隔离式DC/DC变换器的输入侧与中、高压直流母线Pp和中、高压直流母线Pn相连，输出侧与低压直流母线Qp和低压直流母线Qn相连；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，低压直流母线Qp与低压直流母线Qn之间由n个直流支撑电容Co1，Co2，……，Con并联，共同作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，且其桥臂中点Pi1-Pin的相邻桥臂中点间连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。
在上述方案的基础上，为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离DC/DC变换器。
在上述方案的基础上，为了进一步降低开关器件的数量，可将均压变换器中的桥臂作为双向隔离式DC/DC变换器的桥臂来使用，要求均压变换器的开关频率与双向隔离式DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。
在上述方案的基础上，当任意一个双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，可直接封锁相应双向隔离式DC/DC变换器的驱动脉冲实现对该双向隔离式DC/DC变换器的自动旁路，其余双向隔离式DC/DC变换器仍能继续运行，且额定电压不发生变化；直流支撑电容的电压平衡依靠均压变换器来实现。
在上述方案的基础上，所述双向隔离式DC/DC变换器可以为任何形式的隔离式DC/DC变换器。
在上述方案的基础上，所述双向隔离式DC/DC变换器推荐采用全桥结构或半桥结构的双向隔离式DC/DC变换器。如双向隔离式DC/DC变换器采用全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。
一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线间的电压变换，包括：中、高压直流母线Pp，中、高压直流母线Pn，中、高压直流母线Qp，中、高压直流母线Qn，级联型双向隔离式DC/DC变换器和2个均压变换器；
其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间由k个直流支撑电容Co1，Co2，……，Com，……，Co(m+n-1)，……，Cok自上而下依次串联，其中直流支撑电容Com-Co(m+n-1)分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；其中一个均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，另一个均压变换器的k组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间，且它们的桥臂中点Pi1-Pin和Qo1-Qok的相邻桥臂中间点分别连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入、输出直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。
在上述方案的基础上，为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离DC/DC变换器。
在上述方案的基础上，为了进一步降低开关器件的数量，可将均压变换器中的桥臂作为双向隔离式DC/DC变换器的桥臂来使用，要求均压变换器的开关频率与双向隔离式DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。
在上述方案的基础上，当任意一个双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，可直接封锁相应双向隔离式DC/DC变换器的驱动脉冲实现对该双向隔离式DC/DC变换器的自动旁路，其余双向隔离式DC/DC变换器仍能继续运行，且额定电压不发生变化；直流支撑电容的电压平衡依靠均压变换器来实现。
在上述方案的基础上，所述双向隔离式DC/DC变换器可以为任何形式的隔离式DC/DC变换器。
在上述方案的基础上，所述双向隔离式DC/DC变换器推荐采用全桥结构或半桥结构的双向隔离式DC/DC变换器。如双向隔离式DC/DC变换器采用全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。
有益效果：
本发明的效果有如下几点，1、在保证开关器件电压应力不变的条件下，降低级联DC/DC变换器的数量，减少变压器和开关器件的数量，从而进一步降低直流电力电子变压器的体积和重量；2、所提出的直流电力电子变压器拓扑结构可以实现软开关，提高直流变换的效率；3、所提出的直流电力电子变压器拓扑结构能够实现单元模块的故障自切除，无需采用直流接触器对故障单元模块进行故障切除；4、所提出的直流电力电子变压器拓扑结构，能够实现中、高压直流母线间的电压变换，还能实现中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是一种典型电力电子变压器拓扑结构示意图；
图2是应用于场合一的直流电力电子变压器基本拓扑结构示意图；
图3(a)-3(d)是应用于场合一的直流电力电子变压器的4种具体应用示例图；
图4是应用于场合二的直流电力电子变压器基本拓扑结构示意图；
图5(a)-5(d)是应用于场合二的直流电力电子变压器的4种具体应用示例图；
图6是推荐的两种DC/DC变换器拓扑结构示意图；
图7是本发明变换器中均压变换器的能量流动示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-7，对具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图2是应用于场合一的直流电力电子变压器基本拓扑结构示意图，中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，低压直流母线Qp与低压直流母线Qn之间由n个直流支撑电容Co1，Co2，……，Con并联，共同作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；同时，1个均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，且其桥臂中点Pi1-Pin的相邻桥臂中间点连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。
在图2的基础上，可以根据需求减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离式DC/DC变换器。为了便于说明，给出n＝3时应用于场合一的两种直流电力电子变压器拓扑示例图，分别如图3(a)和3(b)所示。图3(a)为含有3个DC/DC变换器的拓扑结构示意图，三个DC/DC变换器共同承担系统的全部功率，当其中任一DC/DC变换器发生故障时，封锁其驱动脉冲，输入电容电压由均压变换器维持平衡，由剩余DC/DC变换器承担系统全部功率；图3(b)为仅含有1个DC/DC变换器的拓扑结构示意图，均压变换器用来维持输入电容电压的平衡，从而保证单个DC/DC变换器的电压应力不变，相比图1中的拓扑，该结构能够减少n-1个变压器和6n-8个开关管。
将均压变换器中的桥臂作为DC/DC变换器的桥臂来使用，可以进一步降低直流电力电子变压器的开关数量，图3(c)和3(d)分别为在图3(a)和3(b)的基础上，将均压变换器中的桥臂作为DC/DC变换器的桥臂来使用后的结构示意图。但是这要求均压变换器的开关频率与DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。相比图1中的拓扑，图3(d)所描述的结构能够减少n-1个变压器和8n-8个开关管。
图4是应用于场合二的直流电力电子变压器基本拓扑结构示意图，中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间由k个直流支撑电容Co1，Co2，……，Com，……，Co(m+n-1)，……，Cok自上而下依次串联，其中的Com-Co(m+n-1)分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；同时，1个均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，1个均压变换器的k组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间，且它们的桥臂中点Pi1-Pin和Qo1-Qok的相邻桥臂中间点分别连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入、输出直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。
在图4的基础上，可以根据需求减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，同样至少需要保留1个双向隔离式DC/DC变换器。为了便于说明，给出n＝3时应用于场合二的两种直流电力电子变压器拓扑示例图，分别如图5(a)和5(b)所示。图5(a)为含有3个DC/DC变换器的拓扑结构示意图，输入侧由三个支撑电容串联而成，输出侧由五个支撑电容串联而成，从而实现不同电压等级的中、高压直流母线间的变换。三个双向隔离式DC/DC变换器共同承担系统的全部功率，当其中任一双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，封锁其驱动脉冲，输入电容电压由均压变换器维持平衡，剩余双向隔离式DC/DC变换器承担系统全部功率；图3(b)为仅含有1个DC/DC变换器的拓扑结构示意图，均压变换器用来维持输入电容电压的平衡，从而保证单个DC-DC变换器的电压应力不变。
在图4的基础上，将均压变换器中的桥臂作为DC/DC变换器的桥臂来使用，也可以进一步降低直流电力电子变压器的开关数量，图5(c)和5(d)分别为在图5(a)和5(b)的基础上，将均压变换器中的桥臂作为DC/DC变换器的桥臂来使用后的结构示意图。但是这要求均压变换器的开关频率与DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。
图3(a)-图3(d)和图5(a)-图5(d)中的结构原理图均为示例图，在实际应用中，直流支撑电容的数量以及DC/DC变换器的数量可以根据设计需求自由调整，而不会对系统的稳定性和控制性能产生影响。
本发明所述的故障自切除能力体现在当任意DC/DC变换器发生故障时，可以直接通过封锁其驱动脉冲进行故障切除，无需使用直流接触器进行切除。
本发明变换器中双向隔离式DC/DC变换器的几种推荐拓扑结构如图6所示。其中图6(a)为双有源桥式DC/DC变换器拓扑结构示意图，其原边全桥电路的开关桥臂中点Ai和Bi分别与电感Lk和中/高频变压器原边构成的串联回路相连，经中/高频变压器隔离后，与副边全桥电路的桥臂中点Ao和Bo相接；进一步，Ci和Co分别为双有源桥式DC-DC变换器拓扑的输入电容和输出电容；进一步，该拓扑的每个开关桥臂的开关管的驱动脉冲可以采用50％占空比的互补脉冲，所使用的控制方式为移相控制。图6(b)为全桥LLC谐振型DC/DC变换器拓扑结构示意图，其原边全桥电路的开关桥臂中点Ai和Bi分别与谐振电感Lr(该电感可以独立进行绕制也可使用变压器漏感进行代替)，谐振电容Cr和变压器励磁电感Lm构成的串联回路相连，经中/高频变压器隔离后，与副边全桥电路的桥臂中点Ao和Bo相接；进一步，Ci和Co分别为双有源桥式DC/DC变换器拓扑的输入电容和输出电容；进一步，根据变换器的实际工作情况，可以用串联电容构成的桥臂分别替代原副边全桥开关桥臂中的一个桥臂；进一步，该拓扑的每个开关桥臂的开关管的驱动脉冲均采用50％占空比的互补脉冲，所使用的控制方式为变频控制或移相控制。这两种变换器不仅能够实现开关器件的零电压开通，还满足上文中所提到的使用均压变换器中的桥臂作为DC/DC变换器的桥臂的要求。需要指出，DC/DC变换器的结构选择不局限于上述两种变换器，桥式结构的隔离型双向变换器均可用来作为本发明变换器中隔离型桥式DC/DC变换器的拓扑。
本发明所提出的均压变换器的能量流动示意图，如图7所示。需要指出，为了分析方便，图7中选取2个支撑电容串联做为示例，当支撑电容数大于2时，其工作原理完全一致。在图7中，支撑电容C1和C2分别为均压变换器的两个支撑电容，开关管S11，S12和开关管S21，S22分别为均压变换器的两个开关桥臂，开关管S11和S21，开关管S12和S22的驱动脉冲完全同步，且每个开关桥臂的驱动脉冲均采用50％占空比的互补脉冲。为了便于分析，假设在前半个开关周期内，开关管S11，S21开通，开关管S12，S22关断；在后半个开关周期，开关管S12，S22开通，开关管S11，S21关断，那么，图7(a)为当电容C1电压高于C2电压时，电容C1向电容C2传递能量的工作示意图，在前半个开关周期内，电容C1中的能量经开关管S11和S21传递至功率平衡单元；在后半个开关周期，功率平衡单元中的能量经开关管S12和S22传递至电容C2。图7(b)为电容C2电压高于C1电压时，电容C2向电容C1传递能量的工作示意图，在前半个开关周期内，功率平衡单元中的能量经开关管S11和S21传递至电容C1；在后半个开关周期，电容C2中的能量经开关管S12和S22传递至功率平衡单元。
所有示例分析均基于全桥结构的DC/DC变换器，在实际应用中，可以根据需求，选择任何形式的隔离式DC/DC变换器。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，其特征在于，包括：中、高压直流母线Pp，中、高压直流母线Pn，低压直流母线Qp，低压直流母线Qn，1个均压变换器和级联型双向隔离式DC/DC变换器；
其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；级联型双向隔离式DC/DC变换器的输入侧与中、高压直流母线Pp和中、高压直流母线Pn相连，输出侧与低压直流母线Qp和低压直流母线Qn相连；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，低压直流母线Qp与低压直流母线Qn之间由n个直流支撑电容Co1，Co2，……，Con并联，共同作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，且其桥臂中点Pi1-Pin的相邻桥臂中点间连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入直流支撑电容在不同工况下的电压平衡；
为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离DC/DC变换器；为了进一步降低开关器件的数量，可将均压变换器中的桥臂作为双向隔离式DC/DC变换器的桥臂来使用，要求均压变换器的开关频率与双向隔离式DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。
2.如权利要求1所述的具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，当任意一个双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，可直接封锁相应双向隔离式DC/DC变换器的驱动脉冲实现对该双向隔离式DC/DC变换器的自动旁路，其余双向隔离式DC/DC变换器仍能继续运行，且额定电压不发生变化；直流支撑电容的电压平衡依靠均压变换器来实现。
3.如权利要求1所述的具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述双向隔离式DC/DC变换器为采用全桥结构或半桥结构的桥式双向隔离式DC/DC变换器；所述桥式双向隔离式DC/DC变换器采用全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。
4.一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线间的电压变换，其特征在于，包括：中、高压直流母线Pp、中、高压直流母线Pn、中、高压直流母线Qp、中、高压直流母线Qn、级联型双向隔离式DC/DC变换器和2个均压变换器；
其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间由k个直流支撑电容Co1，Co2，……，Com，……，Co(m+n-1)，……，Cok自上而下依次串联，其中直流支撑电容Com-Co(m+n-1)分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；其中一个均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，另一个均压变换器的k组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间，且它们的桥臂中点Pi1-Pin和Qo1-Qok的相邻桥臂中间点分别连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入、输出直流支撑电容在不同工况下的电压平衡；
为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离DC/DC变换器；为了进一步降低开关器件的数量，可将均压变换器中的桥臂作为双向隔离式DC/DC变换器的桥臂来使用，要求均压变换器的开关频率与双向隔离式DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。
5.如权利要求4所述的具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，当任意一个双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，可直接封锁相应双向隔离式DC/DC变换器的驱动脉冲实现对该双向隔离式DC/DC变换器的自动旁路，其余双向隔离式DC/DC变换器仍能继续运行，且额定电压不发生变化；直流支撑电容的电压平衡依靠均压变换器来实现。
6.如权利要求4所述的具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述双向隔离式DC/DC变换器为采用全桥结构或半桥结构的桥式双向隔离式DC/DC变换器；所述桥式双向隔离式DC/DC变换器采用全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。
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