CN108306500A - 一种高压dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种高压DC‑DC变换器，由两个平波电抗器和两个自平衡单元组成。每个自平衡单元内包含两个级联子模块组SMi，1≤i≤n，i和n为正整数，以及n个低压DC‑DC变换器，n≥1且n为正整数。正常运行过程中，通过控制每个低压DC‑DC变换器，使其连接的两个子模块电容的电压始终维持在额定值附近。此外，每组级联子模块中的r个为冗余状态，其余n‑r个处于正常工作状态。当自平衡单元内任意一个级联的子模块SMi内部出现故障时，同时闭合该子模块及与之通过低压DC‑DC变换器连接的相应子模块的机械旁路开关K切除故障子模块，从而不影响高压DC‑DC变换器的正常运行。

Description

一种高压DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流电网互联的高压DC-DC变换器。
背景技术
相比传统的高压交流输电技术，在成本和效率上更有优势的高压直流输电(HighVoltage Direct Current，HVDC)技术在近几十年取得了快速的发展，而且HVDC技术还可以用于连接两个独立的交流电网，提高电网可靠性。目前，世界范围内在建和已经建成的HVDC线路达到上百条，但是，由于输电容量和距离的不同，这些HVDC线路绝大多数都是“点对点”形式，而且电压等级在±160kV～±1100kV，存在较大差异，例如，南方电网公司主持修建的南澳柔性高压直流输电工程的直流电压为±160kV，而国家电网公司主持修建的厦门柔性高压直流输电工程的直流电压则为±320kV。
为实现不同HVDC线路之间潮流控制和功率交换，需要通过高压DC-DC变换器将不同电压等级的高压直流电网互联，改善目前HVDC线路单一的“点对点”形式，进一步提高电网的可靠性和多源互补能力。因此，在这种场合下应用的高压DC-DC变换器不仅需要实现不同电压等级变换和能量双向流动，还需要具备一定的故障隔离能力。此外，应尽量减少电能变换级数、变压器数量和功率半导体数量，在提高系统效率和功率密度的同时降低成本。
为解决以上问题，相关专利和文献分别提出了不同的解决方案。中国专利CN103746553B和《IEEE Transactions on Industrial Electronics》2017年第64卷第11期8919-8927页刊登的《A Modular-Multilevel-DC-Link Front-to-Front DC Solid StateTransformer Based on High-Frequency Dual Active Phase-Shift for HVDC GridIntegration》提出一种高压DC-DC变换器，该DC-DC变换器不仅电能变换级数和功率半导体数量较多，而且当两侧直流电压较高时，所需要的高频变压器数量也较多，系统功率密度较低。中国专利CN 105337495A提出一种采用混合型模块化多电平换流器的高压DC-DC变换器，该DC-DC变换器具备故障电流阻断能力，但储能电容和功率半导体数量均较多，高频隔离变压器体积较大，使得该DC-DC变换器成本较高，功率密度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种适用于高压直流电网互联的高压DC-DC变换器。该DC-DC变换器的输入侧与输出侧均能够承受高压直流电压，在实现能量双向流动的同时减少电能变换级数。不仅如此，本发明在变换器内部出现故障或损坏时，可以将故障部分与正常电路隔离，不影响变换器的正常运行，提高了变换器的可靠性。
本发明的高压DC-DC变换器，由高压直流侧a平波电抗器La、高压直流侧b平波电抗器Lb、第一自平衡单元1和第二自平衡单元2构成。
所述的第一自平衡单元1包含第一级联子模块组1、第二级联子模块组2、连接端子P和n个低压DC-DC变换器，n≥1且n为正整数。所述的第二自平衡单元2包含第一级联子模块组1、第二级联子模块组2、连接端子N和n个低压DC-DC变换器，n≥1且n为正整数。所述的第一级联子模块组1和第二级联子模块组2均包含n个子模块SMi，1≤i≤n，i和n均为正整数。所述的子模块SMi包含第一连接端子T1、第二连接端子T2、第三连接端子T3、第四连接端子T4、子模块电容C及机械旁路开关K；第一自平衡单元1中，第一级联子模块组1的第n个子模块SMn的第一连接端子T1与高压直流侧a的平波电抗器La的一端连接，平波电抗器La的另一端连接至高压直流侧a的正极；第二自平衡单元2中，第二级联子模块组2的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高压直流侧a的负极连接。第一自平衡单元1的连接端子P与高压直流侧b的平波电抗器Lb的一端连接，平波电抗器Lb的另一端连接至高压直流侧b的正极；第二自平衡单元2的连接端子N与高压直流侧b的负极连接。第一自平衡单元1的第二级联子模块组2的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与第二自平衡单元2的第一级联子模块组1的第n个子模块SMn的第一连接端子T1连接。
对于任意一个自平衡单元，第一级联子模块组1与第二级联子模块组2中的对应子模块SMi的第三连接端子T3和第四连接端子T4分别连接至低压DC-DC变换器两侧。第一级联子模块组1中第一子模块SM1的第二连接端子T2与第二级联子模块组2中第一子模块SM1的第一连接端子T1连接；对于第一级联子模块组1，第j个子模块SMj的第一连接端子T1与第j+1个子模块SMj+1的第二连接端子T2连接，第j个子模块SMj的第二连接端子T2与第j-1个子模块SMj-1的第一连接端子T1连接，2≤j≤n-1，j为正整数。对于第二级联子模块组2，第j个子模块SMj的第二连接端子T2与第j+1个子模块SMj+1的第一连接端子T1连接，第j个子模块SMj的第一连接端子T1与第j-1个子模块SMj-1的第二连接端子T2连接，2≤j≤n-1，j为正整数。
子模块SMi的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间连接有机械旁路开关K。
对本发明的高压DC-DC变换器的控制方法如下：
正常工作状况下，每一个自平衡单元内所有级联子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K均处于开路状态；任意一个自平衡单元内任意一个级联子模块组中的n个级联子模块中的r个子模块处于冗余工作状态，r为整数，且0≤r<n。即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；其余n-r个子模块处于正常工作状态，即子模块的第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态；当传输功率由高压直流侧a至高压直流侧b时，对于第一自平衡单元1内的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2内的第二级联子模块组2，始终选择子模块电容电压较低的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态，对于第一自平衡单元1内的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2内的第一级联子模块组1，始终选择子模块电容电压较高的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；当传输功率由高压直流侧b至高压直流侧a时，对于第一自平衡单元1内的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2内的第二级联子模块组2，始终选择子模块电容电压较高的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态，对于第一自平衡单元1内的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2内的第一级联子模块组1，始终选择子模块电容电压较低的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；控制低压DC-DC变换器，使其连接的两个子模块电容C的电压始终维持在额定值附近。
当本发明高压DC-DC变换器的任意一个自平衡单元内任意级联子模块组内的任意一个子模块出现故障或损坏时，使该子模块及与之通过低压DC-DC变换器连接的另一个级联子模块组内的对应子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K同时闭合，使发生损坏或故障的子模块与电路其余部分的联系切断。发生故障的子模块被旁路后，不影响该高压DC-DC变换器的正常运行。此外，本发明高压DC-DC变换器中所有机械旁路开关均承受低直流电压，降低了机械旁路开关的制造难度。
附图说明
图1为本发明的高压DC-DC变换器电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明高压DC-DC变换器由高压直流侧a平波电抗器La、高压直流侧b平波电抗器Lb、第一自平衡单元1和第二自平衡单元2构成。
所述的第一自平衡单元1包含第一级联子模块组1、第二级联子模块组2、连接端子P和n个低压DC-DC变换器，n≥1且n为正整数。所述的第二自平衡单元2包含第一级联子模块组1、第二级联子模块组2、连接端子N和n个低压DC-DC变换器，n≥1且n为正整数。所述的第一级联子模块组1和第二级联子模块组2均包含n个子模块SMi，1≤i≤n，i和n均为正整数。所述的子模块SMi包含第一连接端子T1、第二连接端子T2、第三连接端子T3、第四连接端子T4、子模块电容C及机械旁路开关K；第一自平衡单元1中，第一级联子模块组1的第n个子模块SMn的第一连接端子T1与高压直流侧a的平波电抗器La的一端连接，平波电抗器La的另一端连接至高压直流侧a的正极；第二自平衡单元2中，第二级联子模块组2的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高压直流侧a的负极连接。第一自平衡单元1的连接端子P与高压直流侧b的平波电抗器Lb的一端连接，平波电抗器Lb的另一端连接至高压直流侧b的正极；第二自平衡单元2的连接端子N与高压直流侧b的负极连接。第一自平衡单元1的第二级联子模块组2的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与第二自平衡单元2的第一级联子模块组1的第n个子模块SMn的第一连接端子T1连接。
对于任意一个自平衡单元，第一级联子模块组1与第二级联子模块组2中的对应子模块SMi的第三连接端子T3和第四连接端子T4分别连接至低压DC-DC变换器两侧。第一级联子模块组1中第一子模块SM1的第二连接端子T2与第二级联子模块组2中第一子模块SM1的第一连接端子T1连接；对于第一级联子模块组1，第j个子模块SMj的第一连接端子T1与第j+1个子模块SMj+1的第二连接端子T2连接，第j个子模块SMj的第二连接端子T2与第j-1个子模块SMj-1的第一连接端子T1连接，2≤j≤n-1，j为正整数。对于第二级联子模块组2，第j个子模块SMj的第二连接端子T2与第j+1个子模块SMj+1的第一连接端子T1连接，第j个子模块SMj的第一连接端子T1与第j-1个子模块SMj-1的第二连接端子T2连接，2≤j≤n-1，j为正整数。
子模块SMi的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间连接有机械旁路开关K。
本发明高压DC-DC变换器的控制方法如下：
正常工作状况下，每一个自平衡单元内所有级联子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K均处于开路状态；任意一个自平衡单元内任意一个级联子模块组中的n个级联子模块中的r个子模块处于冗余工作状态，r为整数，且0≤r<n。即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；其余n-r个级联子模块处于正常工作状态，即子模块的第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态；当传输功率由高压直流侧a至高压直流侧b时，对于第一自平衡单元1的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2的第二级联子模块组2，始终选择子模块电容电压较低的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态，对于第一自平衡单元1的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2的第一级联子模块组1，始终选择子模块电容电压较高的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态。当传输功率由高压直流侧b至高压直流侧a时，对于第一自平衡单元1的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2的第二级联子模块组2，始终选择子模块电容电压较高的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；对于第一自平衡单元1的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2的第一级联子模块组1，始终选择子模块电容电压较低的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；控制低压DC-DC变换器使其连接的两个子模块电容C的电压始终维持在额定值附近。
当本发明高压DC-DC变换器的任意一个自平衡单元内任意级联子模块组内的任意一个子模块出现故障或损坏时，使该子模块及与之通过低压DC-DC变换器连接的另一个级联子模块组内的对应子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K同时闭合，使发生损坏或故障的子模块与电路其余部分的联系切断。发生故障的子模块被旁路后，不影响该高压DC-DC变换器的正常运行。
以一台±200kV/±160kV高压DC-DC变换器为例进一步说明本发明：高压直流侧a直流电压为±200kV，高压直流侧b直流电压为±160kV，第一自平衡单元1的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2的第一级联子模块组1各有90个级联子模块，每个子模块电容电压额定值为2000V，第一自平衡单元1的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2的第二级联子模块组2各有90个级联子模块，每个子模块电容电压额定值为500V，即n＝90，r＝10。假设该高压DC-DC变换器的控制周期为1/10kHz＝0.1ms。
正常工作情况下，所有自平衡单元的级联子模块的旁路开关K均处于开路状态。在任意一个控制周期0.1ms内，对于任意一个自平衡单元的任意一个级联子模块组，始终有80个子模块处于正常工作状态，即子模块的第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态，其余10个子模块处于冗余工作状态，即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态。当传输功率由高压直流侧a至高压直流侧b时，对于第一自平衡单元1的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2的第二级联子模块组2，电流向子模块电容充电，始终选择子模块电容电压较低的80个子模块处于正常工作状态，其余10个子模块为冗余工作状态，对于第一自平衡单元1的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2内的第一级联子模块组1，电流使子模块电容放电，始终选择子模块电容电压较高的80个子模块处于正常工作状态，其余10个子模块为冗余工作状态。当传输功率由高压直流侧b至高压直流侧a时，对于第一自平衡单元1的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2的第二级联子模块组2，电流使子模块电容放电，始终选择子模块电容电压较高的80个子模块处于正常工作状态，其余10个子模块为冗余工作状态，对于第一自平衡单元1的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2的第一级联子模块组1，电流向子模块电容充电，始终选择子模块电容电压较低的80个子模块处于正常工作状态，其余10个子模块为冗余工作状态。同时，控制各个低压DC-DC变换器，使其连接的两个子模块电容C的电压始终维持在其额定值附近。
当任意一个自平衡单元内任意一个级联子模块组中的任意一个子模块发生故障或损坏时，同时闭合该故障子模块及与之通过低压DC-DC变换器连接的子模块的旁路开关K，并使旁路开关闭合的子模块的半导体开关S1和S2，以及低压DC-DC变换器停止工作，切断故障部分与电路其他正常部分的联系。故障子模块被清除后，该自平衡单元内每个级联子模块组仍有89个正常子模块，即在任意控制周期内，选择相应的80个子模块处于正常工作状态，9个子模块处于冗余工作状态。因此，切除故障子模块不会影响本发明高压DC-DC变换器的正常工作，冗余子模块的设置提高了本发明高压DC-DC变换器工作的可靠性。

Claims (3)

1.一种高压DC-DC变换器，其特征在于：所述的高压DC-DC变换器由高压直流侧a平波电抗器La、高压直流侧b平波电抗器Lb、第一自平衡单元1和第二自平衡单元2构成；所述的第一自平衡单元1包含第一级联子模块组1、第二级联子模块组2、连接端子P和n个低压DC-DC变换器，n≥1且n为正整数；所述的第二自平衡单元2包含第一级联子模块组1、第二级联子模块组2、连接端子N和n个低压DC-DC变换器，n≥1且n为正整数；所述的第一级联子模块组1和第二级联子模块组2均包含n个子模块SMi，1≤i≤n，i和n均为正整数；所述的子模块SMi包含第一连接端子T1、第二连接端子T2、第三连接端子T3、第四连接端子T4、子模块电容C及机械旁路开关K；第一自平衡单元1中，第一级联子模块组1的第n个子模块SMn的第一连接端子T1与高压直流侧a的平波电抗器La的一端连接，平波电抗器La的另一端连接至高压直流侧a的正极；第二自平衡单元2中，第二级联子模块组2的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高压直流侧a的负极连接；第一自平衡单元1的连接端子P与高压直流侧b的平波电抗器Lb的一端连接，平波电抗器Lb的另一端连接至高压直流侧b的正极；第二自平衡单元2的连接端子N与高压直流侧b的负极连接；第一自平衡单元1的第二级联子模块组2的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与第二自平衡单元2的第一级联子模块组1的第n个子模块SMn的第一连接端子T1连接；对于任意一个自平衡单元，第一级联子模块组1与第二级联子模块组2中的对应子模块SMi的第三连接端子T3和第四连接端子T4分别连接至低压DC-DC变换器两侧；第一级联子模块组1中第一子模块SM1的第二连接端子T2与第二级联子模块组2中第一子模块SM1的第一连接端子T1连接；对于第一级联子模块组1，第j个子模块SMj的第一连接端子T1与第j+1个子模块SMj+1的第二连接端子T2连接，第j个子模块SMj的第二连接端子T2与第j-1个子模块SMj-1的第一连接端子T1连接，2≤j≤n-1，j为正整数；对于第二级联子模块组2，第j个子模块SMj的第二连接端子T2与第j+1个子模块SMj+1的第一连接端子T1连接，第j个子模块SMj的第一连接端子T1与第j-1个子模块SMj-1的第二连接端子T2连接，2≤j≤n-1，j为正整数。
2.按照权利要求1所述的高压DC-DC变换器，其特征在于：所述的高压DC-DC变换器的控制方法为：正常工作状况下，每一个自平衡单元内所有级联子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K均处于开路状态；任意一个自平衡单元内任意一个级联子模块组中的n个级联子模块中的r个子模块处于冗余工作状态，r为整数，且0≤r<n；即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；其余n-r个子模块处于正常工作状态，即子模块的第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态；当传输功率由高压直流侧a至高压直流侧b时，对于第一自平衡单元1内的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2内的第二级联子模块组2，始终选择子模块电容电压较低的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；对于第一自平衡单元1内的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2内的第一级联子模块组1，始终选择子模块电容电压较高的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；当传输功率由高压直流侧b至高压直流侧a时，对于第一自平衡单元1内的第一级联子模块组1和第二自平衡单元2内的第二级联子模块组2，始终选择子模块电容电压较高的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态，对于第一自平衡单元1内的第二级联子模块组2和第二自平衡单元2内的第一级联子模块组1，始终选择子模块电容电压较低的n-r个子模块处于正常工作状态，其余r个子模块为冗余工作状态；控制低压DC-DC变换器使其连接的两个子模块电容C的电压始终维持在额定值。
3.按照权利要求1所述的高压DC-DC变换器，其特征在于：当任意一个自平衡单元内任意级联子模块组内的任意一个子模块出现故障或损坏时，使该子模块及与之通过低压DC-DC变换器连接的另一个级联子模块组的对应子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K同时闭合，使发生损坏或故障的子模块与电路其余部分的联系切断；发生故障的子模块被旁路后，不影响该高压DC-DC变换器的正常运行。
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