CN108880248A - 桥臂交叉模块化多电平动态投切dc-dc变压器 - Google Patents

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张伟鑫
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Abstract

本发明公开了一种桥臂交叉模块化多电平动态投切DC‑DC变压器，由变压桥臂A、B并联构成，所述变压桥臂A、B由多个半桥子模块HBSM的串联结构、控制阀S1～S4构成，半桥子模块HBSM包括由两组串联的IGBT及正向并联二极管、一并联内部电容；当功率出现正向和反向流动时，子模块内部电容实现充放电。与现有技术相比，本发明能够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；能够大幅减少子模块数量，从而减少所需开关器件及电容器数目，无需交流变压器，经济性优势显著，能有效减小直流变压器体积，利于推广应用；满足高电压大容量直流输电需求，具备较好的控制灵活性。

Description

桥臂交叉模块化多电平动态投切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桥臂交叉模块化多电平动态投切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，本发明提出一种桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器，通过下桥臂控制阀方案，实现DC-DC变压器。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、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。
2、大幅减少子模块数量，从而减少所需开关器件及电容器数目，无需交流变压器，经济性优势显著，能有效减小直流变压器体积，利于推广应用。
3、满足高电压大容量直流输电需求，具备较好的控制灵活性。
附图说明
图1为本发明的桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器基本拓扑结构图；
图2为本发明的桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器工作状态图，(a)工作状态1；(b)工作状态2。
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，为本发明所提出桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器基本拓扑结构图。该直流变压器由变压桥臂A、B并联，变压桥臂A、B均由多个半桥子模块HBSM的串联结构构成；
变压桥臂A连接于直流线路正极的首个半桥子模块HBSM的输入、输出端分别串联设置第一控制阀S1和第三控制阀S3；变压桥臂B连接于直流线路正极的首个半桥子模块HBSM的输入、输出端分别串联设置第二控制阀S2和第四控制阀S4；这两路并联，输出端接二次侧直流线路的正极；
连接于直流线路负极的末尾半桥子模块HBSM与连接于直流线路负极的变压桥臂B的末尾半桥子模块HBSM并联；输出端接二次侧直流线路的负极；
半桥子模块HBSM包括由两组串联的IGBT及正向并联二极管、一并联内部电容构成的。上下桥臂控制阀S1～S4由多个开关器件串联构成，开关器件由IGBT及反向并联二极管构成，实现上下桥臂交叉投切，如图1所示，当包含不同导通方向IGBT时，开关器件可以开断双向电流，为双向功率控制阀，当仅包含单个导通方向的IGBT时，为单向功率控制阀。当功率由一次侧流向二次侧(功率反向时，充放电情况相反)，变压器存在如图2所示的本发明的桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器工作状态。
(a)工作状态1：控制阀S1、S4闭合，S2、S3关断；桥臂A接入一次侧直流线路，依据桥臂A子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较低的N1个子模块。由功率流向可知桥臂A子模块电容充电，电容电压上升。桥臂B接入二次侧直流系统，依据桥臂B子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较高的N2个子模块。由功率流向可知子模块电容放电，电容电压下降。
(b)工作状态2：控制阀S2、S3闭合，S1、S4关断；桥臂A接入二次侧直流系统，依据桥臂A子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较高的N2个子模块。由功率流向可知桥臂A子模块电容放电，电容电压下降。桥臂B接入一次侧直流系统，依据桥臂B子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较低的N1个子模块。由功率流向可知子模块电容充电，电容电压上升。
本发明变压原理描述如下：
变压桥臂A、B交替处于充放电状态，桥臂控制阀开关频率低于子模块投切频率，即当桥臂A接入一次系统时，其子模块仍处于动态投切中，以维持电容电压均衡。当变压桥臂A、B接入一次侧直流线路时，投入子模块数目为N1，接入二次侧投入状态子模块数目为N2，本直流变压器设计方案两侧直流电压U1、U2分别由投入状态子模块电容电压支撑，满足：
式中，N1、N2表示一、二次侧分别投入的子模块数量，UC为桥臂A、B子模块电容电压，由于桥臂动态交叉投切，桥臂内子模块采取动态排序进行均压控制，可保证A、B桥臂子模块电容电压近乎相等。直流电压器变比k满足：
由式(2)变压器一、二次侧投入子模块数量比等于直流变压器变比。改变一二次侧投入子模块数量可对变比k进行调节。
变压器出口配置平波电抗器，用于稳定桥臂交替投切时，可能造成的电压及电流波动。
配置开关器件数目需满足耐受一二次侧直流电网电压差U1-U2，若单个开关器件耐压值为Ur，配置开关数目为N则应满足：
U1-U2＜NUr (3)
功率单向时，仅需配置由单向控制阀，开关器件数目减半。

Claims (2)

1.一种桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器，由变压桥臂A、B并联构成，其特征在于，所述变压桥臂A、B由多个半桥子模块的串联结构、控制阀S1～S4构成，半桥子模块包括由两组串联的IGBT及反向并联二极管、一个内部电容；其中：
以单极运行直流系统为例，变压桥臂A、B并联，变压桥臂A可经过正极侧第一控制阀S1和第三控制阀S3分别接入一二次侧直流系统；变压桥臂B亦可经过正极侧第二控制阀S2和第四控制阀S4分别接入一二次侧直流系统。控制阀S1和S2导通状态互补，S3和S4导通状态互补，变压桥臂A、B负极侧与0电位连接。
上下桥臂控制阀S1～S4由多个开关器件串联构成，开关器件由IGBT及反向并联二极管构成，实现上下桥臂交叉投切，如图1所示，当包含不同导通方向IGBT时，开关器件可以开断双向电流，为双向功率控制阀，当仅包含单个导通方向的IGBT时，为单向功率控制阀；
当功率由一次侧流向二次侧时，存在以下的工作状态：
工作状态1：控制阀S1、S4闭合，S2、S3关断；变压桥臂A接入一次侧直流线路，依据桥臂A子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较低的N1个子模块。由功率流向可知桥臂A子模块电容充电，电容电压上升；变压桥臂B接入二次侧直流系统，依据桥臂B子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较高的N2个子模块；子模块内部电容放电，电容电压下降；
工作状态2：控制阀S2、S3闭合，S1、S4关断；桥臂A接入二次侧直流系统，依据桥臂A子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较高的N2个子模块。由功率流向可知桥臂A子模块电容放电，电容电压下降。桥臂B接入一次侧直流系统，依据桥臂B子模块电容电压排序结果，优先投入电容电压较低的N1个子模块。由功率流向可知子模块电容充电，电容电压上升。
当功率由二次侧流向一次侧时，即功率反向时，上述工作状态1和工作状态2中的充放电情况相反。
2.如权利要求1所述的桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器，其特征在于，在输出端口还配置平波电抗器，用于稳定桥臂交替投切时造成的电压及电流波动。如权利要求1所述的桥臂交叉模块化多电平动态投切DC-DC变压器，其特征在于，功率单向时，仅需配置单一方向开关器件串联构成的控制阀，开关器件数目减半。
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