CN107786099A - 一种多分段高可靠直流变压器系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多分段高可靠直流变压器系统，包括至少一个连接中压/高压直流配电网和多端口低压直流配电网的直流电压器；直流变压器包括实现直流逆变的模块化多电平变换器、高频隔离变压器和实现输出低电压分段的至少两个全桥变换器，模块化多电平变换器交流侧通过交流开关与高频隔离变压器原边绕组相连，高频隔离变压器副边绕组分别通过交流开关与至少两个全桥变换器交流侧相连。本发明还提供了该多分段高可靠直流变压器系统的控制方法。本发明通过分段和串联交直流开关，能够有效适用于多端口LVDC配电网的应用；并且通过直流开关和交流开关的开闭控制，能够有效提升变压器系统的可靠性。

Description

一种多分段高可靠直流变压器系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及到直流变压器系统，特别涉及一种多分段高可靠直流变压器系统及其控制方法。
背景技术
在直流电网中，由于全控型电压源换流器(VSC)技术的成熟，柔性直流输电技术发展迅速，在风电场接入、孤立负荷供电、非同步电网联网等方面具有很大的应用前景。尤其是多端柔性直流输电的发展，为直流组网提供了有效的技术途径，并且激励着柔性直流技术向配电侧延伸。
为了实现直流配电网高、中压直流配电母线与低压直流微电网母线或各种不同直流电压等级的负荷、储能系统和分布式发电的连接，直流变压器(Direct CurrentTransformer,DCT)得到广泛的研究。但当前研究大都集中在单个微电网的直流电压变换和功率传递控制，并不能直接应用于实际多电压等级多端口低压直流(low voltage directcurrent,LVDC)配电网，也不能适应分布式电源的接入以满足系统的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多分段高可靠直流变压器系统及其控制方法，通过分段和串联交直流开关，能够有效适用于多端口LVDC配电网的应用，具有较高的可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多分段高可靠直流变压器系统，包括至少一个连接中压/高压直流配电网和多端口低压直流配电网的直流电压器；所述直流变压器包括实现中压/高压直流逆变的模块化多电平变换器、高频隔离变压器和实现输出低电压分段的至少两个全桥变换器，所述模块化多电平变换器交流侧通过交流开关与高频隔离变压器原边绕组相连，所述高频隔离变压器副边绕组分别通过交流开关与所述至少两个全桥变换器交流侧相连。
进一步的，至少两个全桥变换器的直流侧分别引出低压直流母线，至少两个全桥变换器分别引出的低压直流母线间通过直流开关相连。
进一步的，至少一个全桥变换器引出的低压直流母线分段接入分布式电源，并通过所述直流开关向其他分段用电设备供电。
作为本发明的具体实施例，模块化多电平变换器包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点引出高频交流侧，高频交流侧通过第一交流开关与高频隔离变压器原边绕组相连；第一桥臂和第二桥臂均由上下两个子桥臂组成，每个子桥臂均通过桥臂电感与桥臂中点连接，每个子桥臂均由n个相同的子模块SM串联组成，n为正整数，子模块SM采用单相半桥结构功率单元。
作为本发明的具体实施例，全桥变换器采用由四个开关管作为开关构成的H全桥结构；或者采用至少两个相互串联/并联的H全桥结构。
作为本发明的具体实施例，全桥变换器采用由四个二极管作为开关构成的H全桥结构；或者采用至少两个相互串联/并联的H全桥结构。
作为本发明的具体实施例，全桥变换器为双极性全桥变换器，双极性全桥变换器采用由六个开关管作为桥臂组成的三相H桥结构，每个开关管均反向连接二极管；或者为至少两个相互串联/并联的双极性全桥变换器。
作为本发明的具体实施例，全桥变换器为双极性全桥变换器，双极性全桥变换器采用由四个二极管作为开关构成的H全桥结构，该H全桥结构右侧通过两输出直流电容引出双极性电压，该H全桥结构与两输出直流电容间还设有用于平衡两直流电容电压的两个相互串联的开关管；或者为至少两个相互串联/并联的双极性全桥变换器。
作为本发明的具体实施例，高频隔离变压器T采用多绕组变压器或者由多个变压器互联扩展而成。
本发明还提供一种多分段高可靠直流变压器系统的控制方法，在直流变压器正常工作时，所有交流开关均闭合，直流开关断开，模块化多电平变换器控制高频交流侧输出高频方波或高频正弦波，经高频隔离变压器电压变换后，至少两个全桥变换器分别控制低压直流母线输出低压直流电压。
进一步的，当某一全桥变换器故障时，该全桥变换器相连的交流开关断开，直流开关导通，由其他全桥变换器给该全桥变换器相连低压直流母线供电。
进一步的，当模块化多电平变换器故障时或中压/高压直流母线短路，模块化多电平变换器和高频隔离变压器间的交流开关断开，由低压直流配电网中的分布式电源通过与其相连的低压直流母线、全桥变换器，经高频隔离变压器向其他分段用电设备供电；
或者由低压直流配电网中的分布式电源通过与其相连的低压直流母线经直流开关直接给其他分段用电设备供电。
进一步的，当高频隔离变压器故障时，所有交流开关均断开，由低压直流配电网中的分布式电源通过直流开关直接给其他分段用电设备供电。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种多分段高可靠直流变压器系统及其控制方法，通过分段和串联交直流开关，能够有效适用于多分段多电压等级的LVDC配电网的应用；并且通过直流开关和交流开关的开闭控制，适应分布式电源的接入，并能够有效提升变压器系统的可靠性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明提供的多分段高可靠直流变压器系统拓扑结构图；
图2为本发明提供的模块化多电平变换器MMC拓扑结构图；
图3为本发明提供的全桥变换器的第一实施例；
图4为本发明提供的全桥变换器的第二实施例；
图5为本发明提供的全桥变换器的第三实施例；
图6为本发明提供的全桥变换器的第四实施例；
图7为本发明提供的全桥变换器串联的实施例；
图8为本发明提供的双极性全桥并联的实施例；
图9为本发明提供的高频隔离变压器第一实施例；
图10为本发明提供的高频隔离变压器第二实施例。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
现在将参照附图更全面地描述示例实施例；然而，示例实施例可以以不同的形式被实现并且不应该被解释为限于在这里阐述的实施例。相反，这些实施例被提供以使本公开是全面的和完整的，并且将向本领域技术人员完全地传达示例性实施方式。相同的标号始终表示相同的元件。
还将理解，当一个元件被称为在另一元件“之间”、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可以直接在另一元件之间、直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”在另一元件“之间”、直接“连接到”或“结合到”另一元件时，不存在中间元件。
如图1所示，本发明提供一种多分段高可靠直流变压器系统，包括至少一个连接中压/高压直流配电网和低压直流LVDC配电网的实现输出侧分段的多端口直流电压器DCT。
以下仅以中压-低压变换为例说明，另外低压直流LVDC配电网通常存在多段多电压等级，为便于描述，本实施例仅给两分段的实例，即第一低压直流母线LVDC1段和第二低压直流母线LVDC2段，第一低压直流母线LVDC1和第二低压直流母线LVDC2均可用于接入分布式电源、负载或储能等用电设备，或者接入分布式电源、负载或储能等用电设备组成的微电网系统，本领域技术人员容易通过多绕组变压器或者多个变压器互联扩展至两个以上分段的实施方式，每个分段可以根据低压直流LVDC配电网网络配置实现各类型端口的连接。
另外本发明所指的多分段高可靠直流变压器系统仅是功能上描述，在实际应用过程中，可以是一台直流变压器设备，也可以是多台直流变压器设备共同实现的。
如图1所示，本发明提供的直流变压器DCT包括中压直流母线MVDC、模块化多电平变换器MMC、高频隔离变压器T、全桥变换器H1和H2、第一低压直流母线LVDC1和第二低压直流母线LVDC2，其中，第一低压直流母线LVDC1和第二低压直流母线LVDC2用于接入分布式电源和/或用电设备。
模块化多电平变换器MMC直流侧通过中压直流母线MVDC接入中压直流配电网，高频交流侧HFAC1通过第一交流开关K1与高频隔离变压器T原边绕组相连。对应于第一低压直流母线LVDC1和第二低压直流母线LVDC2，高频隔离变压器T副边第一绕组通过第二交流开关K2、第一全桥变换器H1引出第一低压直流母线LVDC1，高频隔离变压器T副边第二绕组通过第三交流开关K3、第二全桥变换器H2引出第二低压直流母线LVDC2。
进一步的，为实现分布式电源通过直流开关K直接给其他分段用电设备供电，第一低压直流母线LVDC1通过直流开关K与第二低压直流母线LVDC2连接。
直流变压器DCT正常工作时，交流开关K1、K2、K3闭合，直流开关K断开，模块化多电平变换器MMC控制高频交流侧HFAC1端输出高频方波或高频正弦波，经高频隔离变压器T电压变换后，第一全桥变换器H1控制第一低压直流母线LVDC1输出直流电压，第二全桥变换器H2控制第二低压直流母线LVDC2输出直流电压。
为实现分布式电源通过直流开关K直接给其他分段用电设备供电，第一低压直流母线LVDC1段和第二低压直流母线LVDC2段的直流电压相等。当不需要分布式电源直接给其他分段用电设备供电，直流开关K可以省略，此时可通过模块化多电平变换器MMC、第一全桥变换器H1和第二全桥变换器H2实现第一低压直流母线LVDC1段和第二低压直流母线LVDC2段具有不同电压等级。
当第一全桥变换器H1故障时，第二交流开关K2断开，直流开关K导通，由第二全桥变换器H2给LVDC1段供电；当第二全桥变换器H2故障时，第三交流开关K3断开，直流开关K导通，由第一全桥变换器H1给第二低压直流母线LVDC2段供电；当模块化多电平变换器MMC故障时，第一交流开关K1断开，分布式电源可以通过第一全桥变换器H1、高频隔离变压器T和第二全桥变换器H2给其他分段用电设备供电，此时分布式电源也可以通过直流开关K直接给其他分段用电设备供电。另外，当高频隔离变压器T故障时，交流开关K1、K2、K3均断开，分布式电源可以通过直流开关K直接给其他分段用电设备供电。
当第一低压直流母线LVDC1段短路时，直流开关K和第二交流开关K2均断开，第二全桥变换器H2仍可以控制第二低压直流母线LVDC2段输出直流电压。当第二低压直流母线LVDC2段短路时，直流开关K和第三交流开关K3均断开，第一全桥变换器H1仍可以控制第一低压直流母线LVDC1段输出直流电压。当中压直流母线MVDC短路时，第一交流开关K1断开，分布式电源可以通过第一全桥变换器H1、高频隔离变压器T和第二全桥变换器H2给其他分段用电设备供电，此时分布式电源也可以通过直流开关K直接给其他分段用电设备供电。
由以上分析可见，本方面通过直流开关K和交流开关K1、K2、K3的开闭，能够有效提升变压器系统的可靠性。
本发明通过模块化多电平变换器MMC用于实现直流变压器DCT高压直流变换级直流逆变的实现，模块化多电平变换器MMC由于其级联型变换器的特点，已经广泛应用于电压源高中压直流输电系统中，相关研究文献众多。现有模块化多电平变换器MMC结构均可应用于本发明提供的直流变压器DCT中，但作为本发明的最优实施例，如图2所示，本发明提供的模块化多电平变换器MMC包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点引出高频交流侧HFAC1，高频交流侧HFAC1通过第一交流开关K1与高频隔离变压器T原边绕组相连；第一桥臂和第二桥臂均由上下两个子桥臂组成，每个子桥臂均通过桥臂电感与桥臂中点连接，每个子桥臂均由n个相同的子模块SM串联组成，子模块SM采用单相半桥结构功率单元，n为正整数，如图2所示。
本发明通过全桥变换器H1、H2实现低压直流变换级的实现，可以采用如下实施方式：
作为全桥变换器的第一实施例，如图3所示，四个开关管作为开关构成的H全桥结构，每个开关管均反向并联有二极管，该H全桥结构右侧并联有一直流电容后，低压交流侧HFAC2或HFAC3通过交流开关与高频隔离变压器T副边绕组相连，低压直流侧与低压直流母线LVDC1或LVDC2相连。
作为全桥变换器的第二实施例，如图4所示，采用四个二极管作为开关构成的H全桥结构，以对应于功率单向传输的场景。
作为全桥变换器的第三实施例，如图5所示，可以采用双极性全桥变换器，结构方面采用由六个开关管作为桥臂组成的三相H桥结构，每个开关管均反向连接二极管；第一相臂中点和第二相臂中点引出低压交流侧HFAC2或HFAC3，第三相臂中间节点经直流电感接地。另外，三相桥结构右侧还设有由两个直流电容串联组成的滤波单元，用于抑制由于电力电子器件的开关过程引起的电压波动以及平分电压，然后输出双极性电压。
作为全桥变换器的第四实施例，如图6所示，将第三实施例原低压侧主动全桥功率单元三相桥结构中的第一相臂和第二相臂中的开关管去除，仅保留二极管。即低压直流变换模块包括由四个二极管作为开关构成的低压侧H全桥结构；然后右侧并联两相互串联的开关管，每个开关管均反向并联二极管，用于平衡两个右侧输出直流电容的电压，使其始终相等。
此时由于只采用二极管，使得功率只能从左侧往右侧流动，只能单向功率传输，但去掉开关管可以减小成本，适合应用于仅需要单向传输的应用场景。
另外，本发明提供的全桥变换器结构也可以通过上述实施例结构串联或并联而成。以第一实施例为例，图7为第一实施例的串联结构，图8为第一实施例的并联结构。
如上所示，本发明提供的高频隔离变压器T可以采用多绕组变压器或者多个变压器互联扩展，以本发明二分段结构为例，可以采用如图9所示的三绕组变压器结构，或者如图10所示，由两个原边绕组并联的变压器扩展组成。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，另外，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：包括至少一个连接中压/高压直流配电网和低压直流配电网的直流电压器；所述直流变压器包括实现中压/高压直流逆变的模块化多电平变换器、高频隔离变压器和实现输出低电压分段的至少两个全桥变换器，所述模块化多电平变换器交流侧通过交流开关与高频隔离变压器原边绕组相连，所述高频隔离变压器副边绕组分别通过交流开关与所述至少两个全桥变换器交流侧相连。
2.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述至少两个全桥变换器的直流侧分别引出低压直流母线分段，所述至少两个全桥变换器分别引出的低压直流母线分段间通过直流开关相连。
3.根据权利要求2所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：至少一个全桥变换器引出的低压直流母线分段接入分布式电源，并通过所述直流开关向其他分段用电设备供电。
4.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述模块化多电平变换器包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点引出高频交流侧，高频交流侧通过第一交流开关与高频隔离变压器原边绕组相连；第一桥臂和第二桥臂均由上下两个子桥臂组成，每个子桥臂均通过桥臂电感与桥臂中点连接，每个子桥臂均由n个相同的子模块SM串联组成，n为正整数，子模块SM采用单相半桥结构功率单元。
5.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述全桥变换器采用由四个开关管作为开关构成的H全桥结构；或者采用至少两个相互串联/并联的所述H全桥结构。
6.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述全桥变换器采用由四个二极管作为开关构成的H全桥结构；或者采用至少两个相互串联/并联的所述H全桥结构。
7.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述全桥变换器为双极性全桥变换器，所述双极性全桥变换器采用由六个开关管作为桥臂组成的三相H桥结构，每个开关管均反向连接二极管；或者为至少两个相互串联/并联的所述双极性全桥变换器。
8.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述全桥变换器为双极性全桥变换器，所述双极性全桥变换器采用由四个二极管作为开关构成的H全桥结构，该H全桥结构右侧通过两输出直流电容引出双极性电压，该H全桥结构与两输出直流电容间还设有用于平衡两直流电容电压的两个相互串联的开关管；或者为至少两个相互串联/并联的所述双极性全桥变换器。
9.根据权利要求1所述的一种多分段高可靠直流变压器系统，其特征在于：所述高频隔离变压器T采用多绕组变压器或者由多个变压器互联扩展而成。
10.一种权利要求1-9任一项所述多分段高可靠直流变压器系统的控制方法，其特征在于：直流变压器正常工作时，所有交流开关均闭合，直流开关断开，模块化多电平变换器控制高频交流侧输出高频方波或高频正弦波，经高频隔离变压器电压变换后，所述至少两个全桥变换器分别控制低压直流母线输出低压直流电压。
11.根据权利要求10所述的一种多分段高可靠直流变压器系统的控制方法，其特征在于：当某一全桥变换器故障时，该全桥变换器相连的交流开关断开，直流开关导通，由其他全桥变换器给该全桥变换器相连低压直流母线供电。
12.根据权利要求10所述的一种多分段高可靠直流变压器系统的控制方法，其特征在于：当模块化多电平变换器故障时或中压/高压直流母线短路，模块化多电平变换器和高频隔离变压器间的交流开关断开，由低压直流配电网中的分布式电源通过与其相连的低压直流母线、全桥变换器，经高频隔离变压器向其他分段用电设备供电；
或者由低压直流配电网中的分布式电源通过与其相连的低压直流母线经直流开关直接给其他分段用电设备供电。
13.根据权利要求10所述的一种多分段高可靠直流变压器系统的控制方法，其特征在于：当高频隔离变压器故障时，所有交流开关均断开，由低压直流配电网中的分布式电源通过直流开关直接给其他分段用电设备供电。
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