CN107819403A - 一种双极性软开关直流变压器 - Google Patents

一种双极性软开关直流变压器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双极性软开关直流变压器，包括n个中压/高压侧串联、低压侧并联连接的BDAB变换器，n为任意正整数；BDAB变换器包括依次顺序连接的中压/高压侧主动全桥功率单元、隔离变压器和低压侧主动全桥功率单元；中压/高压侧主动全桥功率单元包括与隔离变压器原边绕组串联的H桥结构模块；低压侧主动全桥功率单元包括与隔离变压器副边绕组串联的低压侧全桥模块，低压侧全桥模块通过滤波单元滤波后引出双极性直流电压+VLV、0、‑VLV。本发明能够提升双极性软开关直流变压器的软开关能力，进而提高系统运行效率，并且能够提供双极性低压直流端。

Description

一种双极性软开关直流变压器
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及到固态变压器，特别涉及双极性软开关直流变压器。
背景技术
随着电力电子控制技术和器件制造技术的发展，基于全控型电压源换流器(VSC)的柔性直流输电获得了快速发展，尤其是随着多端柔性直流输电技术的发展，为直流组网提供了有效的技术途径，也激励着柔性直流技术向配电侧延伸。
为了实现不同电压等级的直流输配网的连接，也为了新能源电源的接入，以及储能系统的接入，和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直流变压器实现直流电压的变换和功率的双向传递。
专利CN201610243942.1公开了一种改进的开关电容接入的双向直流变压器及其控制方法，如图1所示，由n台完全相同的BDAB变换器在一个端口串联和另一个端口并联组成；在传统的双主动全桥的直流变换单元增加了两个辅助半导体开关，并整机增加了一个直流电抗，以减小所述双主动全桥的环流，减小高压侧的电流纹波，新增加的半导体开关也保持了高低压侧全桥逆变单元的对称性，从而保证了模块化的程度。但增加辅助半导体开关后导致该双向直流变压器不具有良好的软开关能力，也无法形成双极性低压直流端，另外增加器件无疑也造成成本的增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双极性软开关直流变压器，能够提升双极性软开关直流变压器的软开关能力，进而提高系统运行效率，并且能够提供双极性低压直流端。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种双极性软开关直流变压器，包括n个中压/高压侧串联、低压侧并联连接的BDAB变换器，n为任意正整数；BDAB变换器包括依次顺序连接的中压/高压侧主动全桥功率单元、隔离变压器和低压侧主动全桥功率单元；
中压/高压侧主动全桥功率单元包括与隔离变压器原边绕组串联的H桥结构模块，H桥结构模块由四个开关管作为桥臂组成，其中两个上桥臂的集电极均通过第二中间节点与第五开关管发射极相连，第五开关管集电极通过串联第一直流电容与两个下桥臂发射极相连；
低压侧主动全桥功率单元包括与隔离变压器副边绕组串联的低压侧全桥模块，低压侧全桥模块通过滤波单元滤波后引出双极性直流电压+VLV、0、-VLV。
进一步的，n个BDAB变换器中的第一BDAB变换器的中压/高压侧第一连接端子通过第一中压/高压侧串联电感与中压/高压直流配网的正极相连；第m+1台BDAB变换器的中压/高压侧第一连接端子与第m台BDAB变换器的中压/高压侧第二连接端子相连，1≤m<n；第n台BDAB变换器的中压/高压侧第二连接端子与中压/高压直流配网的负极相连。
进一步的，H桥结构模块的两个上桥臂的集电极均与第一连接端子相连，两个下桥臂均与第二连接端子相连。
进一步的，n个BDAB变换器BDAB-1、BDAB-2、…BDAB-n的低压侧第三连接端子均与低压直流侧的正极端+VLV相连，低压侧第五连接端子均与低压直流侧的负极端-VLV相连，低压侧第四连接端子均与低压直流侧的接地端相连。
进一步的，H桥结构模块第一上桥臂和第一下桥臂的第一中间节点与谐振电容、隔离变压器原边绕组、第二上桥臂和第二下桥臂的第二中间节点依次串联连接。
作为本发明第一实施例，低压侧全桥模块为三相桥结构；其中，第一相臂、第二相臂和第三相臂的上桥臂共集电极连接到低压侧第三连接端子，第一相臂、第二相臂和第三相臂的下桥臂共发射极连接到低压侧第五连接端子。
进一步的，第一相臂中间节点和第二相臂中间节点分别连接至隔离变压器副边绕组两端点，第三相臂中间节点经直流电感连接至低压侧第四连接端子接地。
进一步的，滤波单元包括第二直流电容和第三直流电容，第二直流电容正极端连接至低压侧第三连接端子，负极端连接至低压侧第四连接端子接地；第三直流电容正极端连接至低压侧第四连接端子接地，负极端连接至低压侧第五连接端子。
作为本发明第二实施例，低压侧全桥模块为由四个开关管作为桥臂组成的H桥结构，第一桥臂上、下桥臂的中间节点和第二桥臂上、下桥臂的中间节点分别连接至隔离变压器副边绕组两端点。
进一步的，低压侧全桥模块与滤波单元间设有两相互串联的第五开关管和第六开关管，第五开关管集电极与低压侧全桥模块的第一桥臂上桥臂和第二桥臂上桥臂的负极端相连；第六开关管发射极与低压侧全桥模块的第一桥臂下桥臂和第二桥臂下桥臂的正极端相连；第五开关管和第六开关管间设有中间节点，该中间节点经直流电感连接至低压侧第四连接端子接地。
本发明的有益效果是：
(1)当某个BDAB变换器发生故障时，本发明使能驱动脉冲驱动该故障BDAB变换器被旁路，容易实现直流变压器冗余功能；
(2)通过开关管的PWM调制，可以调节第一直流电容上的电压，进而BDAB变换器中压/高压侧和低压侧两端的直流电压和隔离变压器Ts原边和副边的变比始终匹配，从而使得开关管S1～S5始终工作在软开关状态，进而提高系统效率。
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为现有技术提供的一种改进的开关电容接入的双向直流变压器；
图2为本发明提供的双极性软开关直流变压器；
图3为适用于单向传输的双极性软开关直流变压器。
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。
本发明提供的一种双极性软开关直流变压器，属于连接中压/高压直流和低压直流的直流变压器方案，其拓扑结构如图2所示，主要包括n个相同的模块化双极双主动全桥(Bipolar dual active bridge，以下简称BDAB)变换器BDAB-1、BDAB-2、…BDAB-n，其中n为任意正整数。
其中，每个BDAB变换器均包括中压/高压侧主动全桥功率单元、隔离变压器Ts和低压侧主动全桥功率单元，中压/高压侧主动全桥功率单元采用改进的H桥结构，可以实现冗余功能；低压侧主动全桥功率单元采用三相桥结构，引出双极性直流电压+VLV、0、-VLV；中压/高压侧主动全桥功率单元交流侧通过谐振电容Cs1与隔离变压器Ts原边相连，通过在交流环节采用软开关谐振方案，提高系统效率。
具体而言，如图2所示，N个BDAB变换器在中压/高压侧串联以接入中压/高压直流配网，在低压侧并联以接入双极性低压直流微电网。第一BDAB变换器BDAB-1的中压/高压侧第一连接端子T1通过第一中压/高压侧串联电感L与中压/高压直流配网的正极相连；第m+1台BDAB变换器的中压/高压侧第一连接端子T1与第m台BDAB变换器的中压/高压侧第二连接端子T2相连，1≤m<n；第n台BDAB变换器BDAB-n的中压/高压侧第二连接端子T2与中压/高压直流配网的负极相连；n个BDAB变换器BDAB-1、BDAB-2、…BDAB-n的低压侧第三连接端子T3均与低压直流侧的正极端+VLV相连，低压侧第五连接端子T5均与低压直流侧的负极端-VLV相连，低压侧第四连接端子T4均与低压直流侧的接地端相连。
中压/高压侧主动全桥功率单元包括由四个开关管S1、S2、S3、S4作为桥臂组成的H桥结构模块，设S1为第一上桥臂，S2为第一下桥臂，S3为第二上桥臂，S2为第二下桥臂。四个开关管S1、S2、S3、S4分别反向并联有二极管D1、D2、D3、D4，其中S1和S2的第一中间节点P1与谐振电容Cs1、隔离变压器Ts原边绕组、S3和S4的第二中间节点P2串联连接；S1的集电极、S3的集电极均与第一连接端子T1相连，S2的发射极、S4的发射极均与第二连接端子T2相连。S1的集电极、S3的集电极还通过第二中间节点P3与第五开关管S5发射极相连，第五开关管S5集电极通过串联第一直流电容C1与第二连接端子T2相连。第五开关管S5同样反向并联有二极管D5。
当某个BDAB变换器发生故障时，使能驱动脉冲使得S5一直处于关断状态、S1～S4一直处于闭合状态，则该故障BDAB变换器被旁路，从而实现本发明提供的直流变压器冗余功能；另外，通过开关管S1～S5的PWM调制，可以调节第一直流电容C1上的电压，进而BDAB变换器中压/高压侧和低压侧两端的直流电压和隔离变压器Ts原边和副边的变比始终匹配，从而使得开关管S1～S5始终工作在软开关状态，进而提高系统效率。
低压侧主动全桥功率单元包括低压侧全桥模块，该低压侧全桥模块采用由六个开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6作为桥臂组成的三相桥结构，其中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6分别反向连接二极管M1、M2、M3、M4、M5、M6；Q1、Q2为第一相臂上、下桥臂，Q3、Q4为第二相臂上、下桥臂，Q5、Q6为第二相臂上、下桥臂，Q1、Q3、Q5共集电极连接到低压侧第三连接端子T3，Q2、Q4、Q6共发射极连接到低压侧第五连接端子T5；第一相臂中间节点P4和第二相臂中间节点P5分别连接至隔离变压器Ts副边绕组两端点，第三相臂中间节点P6经直流电感L1连接至低压侧第四连接端子T4接地。另外，低压侧主动全桥功率单元三相桥结构右侧还设有由第二直流电容C2和第三直流电容C3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，其中第二直流电容C2正极端连接至低压侧第三连接端子T3，负极端连接至低压侧第四连接端子T4接地；第三直流电容C3正极端连接至低压侧第四连接端子T4接地，负极端连接至低压侧第五连接端子T5。
本发明所采用的开关管可以选择MOSFET、IGBT等全开关器件，直流电容可以选择电解电容，隔离变压器可以采用铁氧体或者纳米晶软磁材料制作，上述器件及制作均属于本领域的公知常规技术。
上述双极性软开关直流变压器工作过程如下：
正常工作时，开关管S1和S4具有相同的驱动脉冲，开关管S2和S3具有相同的驱动脉冲，开关管S1和S2具有互补的驱动脉冲，开关S5保持闭合。
开关管Q1和Q4具有相同的驱动脉冲，开关管Q2和Q3具有相同的驱动脉冲，开关管Q1和Q2具有互补的驱动脉冲。
开关管S1～S4驱动脉冲与开关管Q1～Q4之间具有移相角，通过调节移相角的大小和方向，就可以调节功率流动的大小和方向，实现功率的双向流动。
开关管Q5和Q6具有互补的驱动脉冲，以调节C2和C3始终均有相同的直流电压。
当中压/高压侧输入直流端电压降低时，会在S1～S4驱动脉冲增加一段时间的直通时间，同时S5在直通时间内保持关断，从而调节变压器始终工作在额定电压。
作为本发明的另一实施例，如图3所示，将图2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Q1、Q2、Q3、Q4去除，仅保留二极管M1、M2、M3、M4。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Q1～Q4可以减小成本，适合应用于仅需要单向传输的应用场景。
具体而言，低压侧全桥模块为由四个二极管M1～M4作为桥臂组成的H桥结构，并在其右侧并联两相互串联的第五开关管Q5和第六开关管Q6，用于平衡第二直流电容C2和第三直流电容C3的电压，使其始终相等；第一桥臂上、下桥臂M1、M2的中间节点P4和第二桥臂上、下桥臂M3、M4的中间节点P5分别连接至隔离变压器Ts副边绕组两端点。
第五开关管Q5集电极与所述低压侧全桥模块的第一桥臂上桥臂M1和第二桥臂上桥臂M3的负极端相连；第六开关管Q6发射极与所述低压侧全桥模块的第一桥臂下桥臂M2和第二桥臂下桥臂M4的正极端相连；第五开关管Q5和第六开关管Q6间设有中间节点P6，该中间节点P6经直流电感L1连接至低压侧第四连接端子T4接地。其他结构与上述实施例完全一致。
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 (10)

1.一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：包括n个中压/高压侧串联、低压侧并联连接的BDAB变换器，n为任意正整数；所述BDAB变换器包括依次顺序连接的中压/高压侧主动全桥功率单元、隔离变压器和低压侧主动全桥功率单元；
所述中压/高压侧主动全桥功率单元包括与隔离变压器原边绕组串联的H桥结构模块，所述H桥结构模块由四个开关管(S1～S4)作为桥臂组成，其中两个上桥臂的集电极均通过第二中间节点(P3)与第五开关管(S5)发射极相连，所述第五开关管(S5)集电极通过串联第一直流电容(C1)与两个下桥臂发射极相连；
所述低压侧主动全桥功率单元包括与隔离变压器副边绕组串联的低压侧全桥模块，所述低压侧全桥模块通过滤波单元滤波后引出双极性直流电压+VLV、0、-VLV。
2.根据权利要求1所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述n个BDAB变换器中的第一BDAB变换器(BDAB-1)的中压/高压侧第一连接端子(T1)通过第一中压/高压侧串联电感(L)与中压/高压直流配网的正极相连；第m+1台BDAB变换器的中压/高压侧第一连接端子(T1)与第m台BDAB变换器的中压/高压侧第二连接端子(T2)相连，1≤m<n；第n台BDAB变换器(BDAB-n)的中压/高压侧第二连接端子(T2)与中压/高压直流配网的负极相连。
3.根据权利要求2所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述H桥结构模块的两个上桥臂的集电极均与第一连接端子(T1)相连，两个下桥臂均与第二连接端子(T2)相连。
4.根据权利要求1所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述n个BDAB变换器(BDAB-1、BDAB-2、…BDAB-n)的低压侧第三连接端子(T3)均与低压直流侧的正极端+VLV相连，低压侧第五连接端子(T5)均与低压直流侧的负极端-VLV相连，低压侧第四连接端子(T4)均与低压直流侧的接地端相连。
5.根据权利要求1所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述H桥结构模块第一上桥臂(S1)和第一下桥臂(S2)的第一中间节点(P1)与谐振电容(Cs1)、隔离变压器(Ts)原边绕组、第二上桥臂(S3)和第二下桥臂(S4)的第二中间节点(P2)依次串联连接。
6.根据权利要求1所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述低压侧全桥模块为三相桥结构；其中，第一相臂、第二相臂和第三相臂的上桥臂(Q1、Q3、Q5)共集电极连接到低压侧第三连接端子(T3)，第一相臂、第二相臂和第三相臂的下桥臂(Q2、Q4、Q6)共发射极连接到低压侧第五连接端子(T5)。
7.根据权利要求6所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：第一相臂中间节点(P4)和第二相臂中间节点(P5)分别连接至隔离变压器(Ts)副边绕组两端点，第三相臂中间节点(P6)经直流电感(L1)连接至低压侧第四连接端子(T4)接地。
8.根据权利要求1所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述滤波单元包括第二直流电容(C2)和第三直流电容(C3)，所述第二直流电容(C2)正极端连接至低压侧第三连接端子(T3)，负极端连接至低压侧第四连接端子(T4)接地；第三直流电容(C3)正极端连接至低压侧第四连接端子(T4)接地，负极端连接至低压侧第五连接端子(T5)。
9.根据权利要求1所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述低压侧全桥模块为由四个开关管(S1～S4)作为桥臂组成的H桥结构，第一桥臂上、下桥臂(M1、M2)的中间节点(P4)和第二桥臂上、下桥臂(M3、M4)的中间节点(P5)分别连接至隔离变压器(Ts)副边绕组两端点。
10.根据权利要求9所述的一种双极性软开关直流变压器，其特征在于：所述低压侧全桥模块与滤波单元间设有两相互串联的第五开关管(Q5)和第六开关管(Q6)，所述第五开关管(Q5)集电极与所述低压侧全桥模块的第一桥臂上桥臂(M1)和第二桥臂上桥臂(M3)的负极端相连；所述第六开关管(Q6)发射极与所述低压侧全桥模块的第一桥臂下桥臂(M2)和第二桥臂下桥臂(M4)的正极端相连；所述第五开关管(Q5)和第六开关管(Q6)间设有中间节点(P6)，该中间节点(P6)经直流电感(L1)连接至低压侧第四连接端子(T4)接地。
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