CN109698560A - 一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，柔性输电系统具有由N个高压电力电子开关串联构成的开关单元，N为自然数，且N≥2，每个高压电力电子开关具有与之一一对应的门级驱动单元，门级驱动单元由多级能量传递系统供电，每个门级驱动单元从与之对应的磁耦合线圈获取电能，每一级线圈从上一级线圈获取能量以供给自身连接的门级驱动单元，同时向下一级线圈提供能量。本发明可给柔性输电系统中的门极驱动电路提供可靠和稳定的能量来源，利用了长距离无线输电系统提供的高压绝缘能力，即在传输距离达到数百毫米时，绝缘强度可以达到数百千伏，并对能量传输系统的电路拓扑进行了详细的表述，且对于其受控源等效电路的能量传递的功率匹配关系进行了说明，对于指导设计该无线能量传输系统的关键参数给出了具体的依据。

Description

一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统

技术领域

本发明属于柔性直流输电领域，具体涉及用于柔性输电系统门极驱动的分布式无线送能系统。

背景技术

在常规直流输电技术已日渐成熟的现状下，随着柔性直流新兴技术的发展和市场的需求，换流器已由两电平和三电平发展为多电平。国内外已将模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，简称MMC)作为一种新的多电平换流器成功的应用在工程中，它兼具了传统多电平换流器开关频率低、开关损耗小、高频噪声低、电压变化率小的优点。在柔性输电系统中，电压等级可以高达数百甚至数千千伏，这为其中的电能变换单元的设计带来了极大的挑战。现代电力电子技术的发展已经可以提供高压大电流的器件满足使用需求，但是为其配套的门极驱动单元的供电问题，是目前需要亟待解决的关键技术。在常见的高压电路中，需要使用多个功率单元串联的形式，这样多个器件的同时供电问题变得更加困难。同时，门极驱动单元是一种低压小功率的系统，当它应用于大功率系统中时必须提供足够可靠的绝缘和隔离。

经过近年来的发展，无线输电技术更加成熟，不仅可以实现可靠的电压隔离功能，同时系统的效率也较高，可以实现节能的效果。无线电能传输(也称为非接触电能传输)技术通过电磁感应或磁共振将电能发射端和电能接收端以非接触的方式耦合，进行电能传输。在磁感应式无线输电系统中，空气的击穿电压为3kV/mm，当传输距离达到几百毫米时，可以有效地提供数百千伏的电压隔离能力，这也是采用无线输电技术进行功能的最主要原因。

考虑到以上提及的挑战和困难，本专利提出使用无线电能传输的方式来实现门极驱动单元的供电。

发明内容

为解决上述问题，本专利提出了一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，所述柔性输电系统具有由N个高压电力电子开关串联构成的开关单元，N为自然数，且N≥2，每个高压电力电子开关具有与之一一对应的门级驱动单元，门级驱动单元由多级能量传递系统供电，每个门级驱动单元从与之对应的磁耦合线圈获取电能，每一级线圈从上一级线圈获取能量以供给自身连接的门级驱动单元，同时向下一级线圈提供能量。所述多级能量传递系统包括无线能量源电路、n级能量传递电路，n级能量传递电路中每一级能量传递电路分别给与之对应的门级驱动单元提供电能，其中无线能量源电路包括输入源V₀，在输入源V₀两端依次连接有谐振电容C₀、感应电感L₀构成能量闭环，每级能量传递电路包括感应电感L_N，谐振电容C_N，每级能量传递电路的感应电感、谐振电容和门级驱动单元串联连接构成谐振闭环，且感应电感L_N的能量从上一级感应电感L_N-1中获取，其中n＝1，2，3，….，N。所述n级能量传递电路的能量传递均为非接触传递。所述n级能量传递电路的能量关系为：

其中P₀为无线能量源的输入功率，P_n为第n级能量传递电路向第n-1级能量传递电路传递的能量，每一级负载所消耗的能量为P_Rn。

相邻能量传递电路之间的功率之比由门级驱动单元的等效电阻和相邻能量传递电路之间的互感决定。

本发明可给柔性输电系统中的门极驱动电路提供可靠和稳定的能量来源。利用了长距离无线输电系统提供的高压绝缘能力，即在传输距离达到数百毫米时，绝缘强度可以达到数百千伏，并可以同时向多个门极驱动单元供电，且每一个能量接收单元不仅可以给自身的负载供电，同时还可以向下一个单元传输电能。

附图说明

图1为柔性系统高压电力电子开关的门极驱动供能的分布式无线送能系统框图

图2为磁感应式多级能量传递系统电路图

图3为磁感应式多级能量传递系统的受控源的等效电路

图4为分布式多级能量传递系统中的能量流图

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。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参见图1所示，在柔性输电系统中，目前常见的拓扑形式一般采用N个高压电力电子开关串联的形式，这里为方便说明，取N＝8，即由8个高压电力电子开关的构成柔性输电的一个桥臂，而每个开关器件都有各自对应的门极驱动单元为其提供驱动信号，而每个门级驱动单元的电能获取来自无线能量源，通过磁耦合/感应式无线传能的方式给每个驱动单元供电，并起到高压隔离的效果。

磁耦合/感应式无线传能可以采用磁耦合式的平面线圈实现无线能量传输。对于每一级单元，通过线圈结构的设计使得相邻线圈之间的耦合最大化，而非相邻单元之间的耦合尽量小。每一级线圈可以从上一级线圈获取能量以供给自身连接的驱动电路，同时可以向下一级线圈提供能量。因此，整个系统可以实现向多个负载的持续能量传递，且能够提供所需的高压隔离和绝缘的能力，多级能量传递系统电路图如附图2所示，包括无线能量源电路、n级能量传递电路1—n和n个门级驱动单元负载R₁-R_N，其中无线能量源电路包括输入源V₀，在输入源V₀两端依次连接有谐振电容C₀、电感L₀，每个能量传递电路包括感应电感L₁-L_N，谐振电容 C₁-C_N，感应电感、谐振电容和负载串联连接构成闭环，感应电感L_N的能量从上一级感应电感 L_N-1中获取。

基于上述多级能量传递系统电路图，其能量传输过情况如下：

假设输入源V₀的角频率为ω₀，则各个元件之间的谐振关系为：

每一级线圈之间的耦合系统的互感为：

其中k_n为互感系数，L_n为每一级线圈的电感值。

每一级线圈之间的磁耦合可以用电流控制电压源来代替，这样其等效电路如图3所示。

图3中各级单元的等效阻抗Z_n(n＝1,2,3,…,N)，如下所示

进而可以得到输入单元的阻抗Z₀，

因此，输入功率P_in可以表示为

在此系统中，每一级线圈传递的能量定义为Pn(n＝0,1,2,…,N)，每一级负载所消耗的能量定义为P_Rn(n＝1,2,3,..,N)。因此，此系统中的功率流如图4所示。

各级能量流之间的关系可以表示如下。

对接收单元来说，其传递的功率最终被各级负载电阻所消耗。

在分布式能量传递系统中，需要研究各级之间的功率分配问题。根据图4，相邻单元之间的功率之比为γ_n(n＝1,2,3,…,N-1)。

代入(3)中对Zn的表达,γ_n可以化简为

这显示γ_n由负载电阻R_n和互感M_n共同决定。因此，在此系统中可以通过设计R_n和M_n以控制各单元间的能量分配。如第一级和最后一级的能量之比如下。

通过上述分析，本发明可给柔性输电系统中的门极驱动电路提供可靠和稳定的能量来源。利用了长距离无线输电系统提供的高压绝缘能力，即在传输距离达到数百毫米时，绝缘强度可以达到数百千伏，并提出了一种中继式的无线能量传输系统，可以同时向多个门极驱动单元供电，且每一个能量接收单元不仅可以给自身的负载供电，同时还可以向下一个单元传输电能，并对能量传输系统的电路拓扑进行了详细的表述，且对于其受控源等效电路的能量传递的功率匹配关系进行了说明，对于指导设计该无线能量传输系统的关键参数给出了具体的依据。

这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (5)

1.一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，所述柔性输电系统具有由N个高压电力电子开关串联构成的开关单元，N为自然数，且N≥2，每个高压电力电子开关具有与之一一对应的门级驱动单元，门级驱动单元由多级能量传递系统供电，每个门级驱动单元从与之对应的磁耦合线圈获取电能，每一级线圈从上一级线圈获取能量以供给自身连接的门级驱动单元，同时向下一级线圈提供能量。

2.如权利要求1所述的一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，所述多级能量传递系统包括无线能量源电路、n级能量传递电路，n级能量传递电路中每一级能量传递电路分别给与之对应的门级驱动单元提供电能，其中无线能量源电路包括输入源V₀，在输入源V₀两端依次连接有谐振电容C₀、感应电感L₀构成能量闭环，每级能量传递电路包括感应电感L_N，谐振电容C_N，每级能量传递电路的感应电感、谐振电容和门级驱动单元串联连接构成谐振闭环，且感应电感L_N的能量从上一级感应电感L_N-1中获取，其中n＝1，2，3，….，N。

3.如权利要求2所述的一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，所述n级能量传递电路的能量传递均为非接触传递。

4.如权利要求2所述的一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，所述n级能量传递电路的能量关系为：

其中P₀为无线能量源的输入功率，P_n为第n级能量传递电路向第n-1级能量传递电路传递的能量，每一级负载所消耗的能量为P_Rn。

5.如权利要求4所述的一种应用于柔性输电系统门极驱动的无线送能系统，其中，相邻能量传递电路之间的功率之比由门级驱动单元的等效电阻和相邻能量传递电路之间的互感决定。