CN108199582A - 多端口模块化多电平dc-dc变压器 - Google Patents

多端口模块化多电平dc-dc变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多端口模块化DC‑DC变压器，由N个DC‑DC子模块SM1～SMN串联组成，所述DC‑DC子模块由多个半桥子模块及各侧的控制阀构成；所述半桥子模块包含由IGBT及反向并联二极管构成的开关器件以及子模块电容，所述各侧的控制阀由IGBT与反向并联二极管构成，用于在DC‑DC子模块中存在两个或两个以上半桥子模块处于切除状态时，在半桥子模块电容之间构成内部回路；所述DC‑DC变压器；通过改变各次侧投入子模块数量，实现对各侧变比进行调节。与现有技术相比，本发明通过各侧变比调节，实现单节点传输功率灵活分配控制，具备直流潮流控制能力；经济性优势显著，体积小，利于推广应用。

Description

多端口模块化多电平DC-DC变压器
技术领域
本发明涉及变压器设计领域，特别是涉及提出一种多端口模块化多电平DC-DC变压器。
背景技术
风能、光伏等可再生能源具有波动性、间歇性特点。当其大规模接入电网时，对交流电网的安全稳定运行产生深远影响。随着直流输电技术的快速发展，为实现风能、光伏发电大规模集中接入、电网互联、城市及孤岛供电等问题提供了有效解决方案。
然而可再生能源通常单机容量较小，需要经过能源汇集升压输送。实现新能源汇集输送是直流变压器的重要应用场景和多端口接入实现新能源汇集的前提。同时直流电网多电压等级变换以及潮流控制存在着单个节点实现多电压等级变换以及功率潮流优化调控分配的需求，多端口多电压等级变压器可以充分发挥控制的灵活性，是实现直流多电压等级变换以及直流潮流控制的关键设备。
目前，国内外学者提出众多DC-DC变换拓扑，然而结构复杂，体积庞大，经济性差等问题仍未得到有效解决。
发明内容
针对目前柔性直流系统中需要解决的多端口直流电压等级灵活变换及潮流控制问题，本发明提出一种多端口模块化多电平DC-DC变压器，在单个电压节点实现多端口多电压等级直流电压变换，基于各端口侧子模块独立动态投切的直流变压器，进而灵活控制直流系统潮流。
本发明的一种多端口模块化DC-DC变压器，由N个DC-DC子模块SM1～SMN串联组成，其特征在于，所述DC-DC子模块由多个半桥子模块及各侧的控制阀构成；其中：
所述半桥子模块中包含由IGBT及反向并联二极管构成的开关器件以及子模块电容；所述各侧的控制阀由IGBT与反向并联二极管构成，用于在DC-DC子模块中存在两个或两个以上半桥子模块处于切除状态时，在半桥子模块电容之间构成内部回路，实现DC-DC子模块内部电容均压；所述DC-DC变压器，通过改变各次侧投入半桥子模块数量，实现对各侧变比进行调节；
当所述半桥子模块处于投入状态时，控制阀关断；
当所述半桥子模块处于切除状态时，控制阀导通；
当M端口直流变压器各侧投入半桥子模块数目分别为N1,N2,…,NM时，各侧直流电压U1,U2,…,UM满足变比关系为：
U1:U2:…:UM＝N1:N2:…:NM
对于功率流入侧，优先投入内部电容的电容电压较低的半桥子模块，投入状态期间的半桥子模块电容处于充电状态，电容电压上升；而内部电容的电容电压较高的子模块则处于切除状态，此时控制阀导通，半桥子模块内部电容接入内部电容回路与其他侧内部电容进行能量交换，维持各侧内部电容的电容电压均衡；
对于功率流出侧，优先投入内部电容电压高的电容电压的半桥子模块，投入状态期间的半桥子模块电容处于放电状态，电容电压下降；而内部电容的电容电压较低的子模块则处于切除状态，此时控制阀导通，子模块内部电容接入内部电容回路与其他侧内部电容进行能量交换，维持各侧内部电容的电容电压均衡。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、可以单个节点实现多端口电压等级变换，利于实现新能源汇集。
2、动态改变原副边子模块投切比例，可在线实现变比灵活调节。
3、通过各侧变比调节，实现单节点传输功率灵活分配控制，具备直流潮流控制能力。
4、较之目前较广泛接受的隔离型模块化多电平DC-DC变压器，大幅减少子模块数量，无需交流变压器，经济性优势显著，同时由于大幅减少所需电容数量，能有效减小直流变压器体积，利于推广应用。
附图说明
图1为三端口电压等级变换的多端口模块化多电平DC-DC变压器拓扑结构图；
图2为三端口直流变压器子模块拓扑图；
图3为半桥子模块状态图，(a)半桥子模块状态1；(b)半桥子模块状态2
图4为内部电容均压回路拓扑图；
图5为直流系统功率流动示意图；
图6为N端口电压等级变换的多端口模块化多电平DC-DC变压器子模块拓扑图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
如图1所示，为本发明的多端口模块化DC-DC变压器基本拓扑结构示意图。以三端口三电压等级直流变压器为例，DC-DC变压器由N个子模块SM1～SMN串联组成，U1、U2、U3分别为一次侧、二次侧、三次侧电压；N1、N2、N3为一次侧、二次侧、三次侧投入的子模块数量。
如图2至3所示，为子模块拓扑结构示意图和半桥子模块状态示意图。
DC-DC子模块由三个半桥子模块(即一次侧子模块、二次侧子模块和三次侧子模块)及各侧的控制阀并联构成。所述半桥子模块中包含由IGBT及反向并联二极管构成的开关器件以及子模块电容；所述一、二、三次侧控制阀S1，S2，S3由IGBT与反向并联二极管构成，用于在DC-DC子模块中存在两个或两个以上半桥子模块处于切除状态时，在半桥子模块电容之间构成内部回路。DC-DC子模块结构对称，可实现功率流入或流出双向传输；借助半桥子模块开关器件导通或关断，实现一、二、三次侧子模块投入或切除。
各侧控制阀应当与半桥子模块配合进行导通或关断，存在两种状态，以一次侧为例具体而言：
如图3(a)所示的状态1：当半桥子模块处于投入状态，控制阀关断。此时，内部电容C1接入互联直流系统，与互联直流系统进行能量交换：若功率流入，则半桥子模块的内部电容电压升高；若功率流出，则半桥子模块的内部电容电压降低。
如图3(b)所示的状态2：当半桥子模块处于切除状态，控制阀导通。此时，内部电容C1接入内部电容回路。如果此时有其他半桥子模块的内部电容同时接入内部电容回路，则同时处于内部电容回路的电容间可进行能量传输，实现一、二、三次侧各侧子模块间内部电容的电压平衡。
一、二、三次侧独立决定子模块投入或切除，彼此投切状态互不影响。各侧处于状态2的半桥子模块之间形成内部电容回路，电压较高的子模块电容向电压较低的子模块电容放电，实现能量均衡。
本发明中的DC-DC变压器所基于的电压变换原理如下：
一、二、三次侧直流电压U1、U2、U3满足：
U1＝N1UC1
U2＝N2UC2 (1)
U3＝N3UC3
式中，N1、N2、N3表示各次侧分别投入的子模块数量，UC1、UC2、UC3为三侧子模块电容电压。
由于内部电容回路保证各侧电容电压几乎相等，直流变压器变比满足：
U1:U2:U3＝N1UC1:N2UC2:N3UC3＝N1:N2:N3 (2)
式(2)中的变压器一、二、三次侧投入子模块数量比等于直流变压器变比表明：通过改变各次侧投入子模块数量，即可对各侧变比进行调节。
如图4所示的内部电容均压回路，各侧电容由控制阀通断决定该侧子模块电容是否投入到均压控制回路参与均压。
半桥子模块投切及均压控制过程描述如下：
DC-DC变压器对各侧子模块电容电压实时排序，依据最近电平调制(NearestLevel Modulation，NLM)决定半桥子模块投入/切除状态并实现子模块均压控制。具体而言：
1、各侧(一、二、三次侧)实时监测子模块电容电压，并对半桥子模块内部电容的电容电压进行排序；
2、若某侧为功率流入侧，依据排序结果，优先投入内部电容的电容电压较低的半桥子模块，投入状态期间的半桥子模块电容处于充电状态，电容电压上升；而内部电容的电容电压较高的子模块则处于切除状态，此时控制阀导通，半桥子模块内部电容接入内部电容回路与其他侧内部电容进行能量交换，维持各侧内部电容的电容电压均衡。
3、若某侧为功率流出侧，依据排序结果，优先投入内部电容的电容电压的半桥子模块，投入状态期间的半桥子模块电容处于放电状态，电容电压下降；而内部电容的电容电压较低的子模块则处于切除状态，此时控制阀导通，子模块内部电容接入内部电容回路与其他侧内部电容进行能量交换，维持各侧内部电容的电容电压均衡。
本发明实现电网间流动功率控制的潮流控制原理如下：
如图5所示，为直流系统功率流动示意图。R1、R2分别为一、二次侧与互联直流系统间线路电阻。若互联直流系统电网电压为E1、E2，DC-DC变压器变比为k＝E2/E1，忽略直流变压器功率损耗时，输入、输出功率满足下式：
据式(3)可知，变比k变化时，互联直流系统电网传输功率随之变化。
忽略直流变压器损耗，当变比时，互联电网间传输功率为0，通过适当增减各次侧投入子模块数N1、N2，可以对变比k进行微调；当时，一次侧向二次侧输送有功功率；当时，一次侧从二次侧吸收有功功率。借助上述分析，本发明可实现互联直流电网的潮流控制。
依据上述原理，可以对任意两侧变比进行调节，进而控制单节点多端口的潮流功率，不再赘述。
上述技术方案的说明以三端口DC-DC为例讲解基本原理，但是实际上可依据设计需求，接入多个半桥子模块(实现M端电压等级变换，构造出如图6所示的多端口模块化多电平DC-DC变压器子模块拓扑图。

Claims (1)

1.一种多端口模块化DC-DC变压器，由N个DC-DC子模块SM1～SMN串联组成，其特征在于，所述DC-DC子模块由多个半桥子模块及各侧的控制阀构成；其中：
所述半桥子模块中包含由IGBT及反向并联二极管构成的开关器件以及子模块电容；所述各侧的控制阀由IGBT与反向并联二极管构成，用于在DC-DC子模块中存在两个或两个以上半桥子模块处于切除状态时，在半桥子模块电容之间构成内部回路，实现DC-DC子模块内部电容均压；所述DC-DC变压器，通过改变各次侧投入半桥子模块数量，实现对各侧变比进行调节；
当所述半桥子模块处于投入状态时，控制阀关断；
当所述半桥子模块处于切除状态时，控制阀导通；
当M端口直流变压器各侧投入半桥子模块数目分别为N1,N2,…,NM时，各侧直流电压U1,U2,…,UM满足变比关系为：
U1:U2:…:UM＝N1:N2:…:NM
对于功率流入侧，优先投入内部电容的电容电压较低的半桥子模块，投入状态期间的半桥子模块电容处于充电状态，电容电压上升；而内部电容的电容电压较高的子模块则处于切除状态，此时控制阀导通，半桥子模块内部电容接入内部电容回路与其他侧内部电容进行能量交换，维持各侧内部电容的电容电压均衡；
对于功率流出侧，优先投入内部电容电压高的电容电压的半桥子模块，投入状态期间的半桥子模块电容处于放电状态，电容电压下降；而内部电容的电容电压较低的子模块则处于切除状态，此时控制阀导通，子模块内部电容接入内部电容回路与其他侧内部电容进行能量交换，维持各侧内部电容的电容电压均衡。
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