CN109995244A - 一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，适用于输入侧为单极，输出侧为真双极应用场景的直流变压器拓扑。单极到真双极变换的过程中，最大的问题主要是真双极侧常会出现负载不平衡的情况。这种情况下，极易导致输出电压的不均衡，进而影响系统的稳定运行。本发明提出的一种用于单极到真双极变换的直流变压器与功率平衡拓扑，用以解决负载不平衡情况下的DC/DC电压变换问题。其设计方案是在输出的正负极之间设计功率平衡系统，使不平衡功率经由该系统传输，平衡两极之间电压。该方案在上述场景下能够减小系统的容量设计需求，降低系统建设成本。

Description

一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑
技术领域
本发明属于中高压大功率直流变压器技术领域，具体涉及一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑。
背景技术
近十五年来，在全球范围内，直流电网的研究进入快车道。直流配网由于涉及到新能源的并网、多级输电网汇入、用电功率分配等多种功能，因此其应用场景是直流网络里最为多样和复杂的。直流变压器作为直流输配电网中的核心设备，承担电压等级变换，功率传输，故障隔离等作用。故而直流变压器的多场景适应性也是核心研究点之一。
输入侧为单极、输出侧为真双极的应用场景就是其中的一种。单极和真双极是直流输配电中最常用的两种结构。单极结构简单，但系统可靠性弱。真双极结构复杂，成本高，但增加了系统的可靠性。一般情况下输入和输出均为单极或均为真双极，便于直流变压器的拓扑设计与工程实施。但在实际工程中，由于地理条件的限制，或经济成本的考量，会出现一侧单极一侧真双极的应用场景。两端拓扑不对称带来的最大问题是真双极的正负极之间负载不平衡时极易导致供电电压不平衡，进而增大某一极的设备使用压力和设计容量。
目前最为成熟的实现单极到真双极变换的拓扑如图1所示。拓扑使用两个直流变压器，在单极处并联，两者的输出串联，各自接负载，中间引出地线。假设两个负载平衡时每极功率Pout+＝Pout-＝P，真双极侧的负载最大总功率设计为2P。目前直流电网并没有定义不平衡度的公式，由于直流系统中负载Q1与负载Q2串联，因此负载、电压、功率的不平衡度相等。这里定义系统极限情况下的功率不平衡度PUF(Power Unbalance Factor)为η：
式中：Pload——正极或负极的负载功率
当系统出现0≤Pout++Pout-≤2P，0≤Pout+≤2P，0≤Pout-≤2P的运行状态时，即负载Q1和负载Q2的总运行功率不会超过系统的额定功率。但在不同的运行时刻，某一个负载会出现过载的情况。在实际生活中，该情况表示某一线路会突增负荷，或两线路备用运行的情况。
此时图1拓扑的设备总设计功率P总：P总＝2P+(ηL1+ηL2)P。
发明内容
本发明基于直流输配电网的需求，提出一种适用于输入侧为单极，输出侧为真双极应用场景的直流变压器拓扑，用以解决真双极的正负极之间负载不平衡导致的电压不平衡问题。
为达到上述目的，本发明所述一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑包括DC/DC直流变压器和功率平衡系统，负载Q1与负载Q2串联后接入DC/DC直流变压器的输出，负载Q1与负载Q2之间引出地线，功率平衡系统为双向有源桥式变换器、混合三电平DC/DC变换器、或软开关隔离型DC/DC变换器。
进一步的，负载Q1两端并联有稳压电容C1，负载Q2两端并联有稳压电容C2。
进一步的，稳压电容C1和稳压电容C2均为有极性电容。
进一步的，DC/DC直流变压器的输出端连接有稳压电容C3。
进一步的，所述DC/DC直流变压器为F2F型直流变压器、多变换器级联型直流变压器、自耦变压器或谐振型直流变压器。
进一步的，双向有源桥式变换器包括隔离变压器，隔离变压器两侧均连接有全桥电路，每个全桥的四个桥臂上均为IGBT模块，其中一个全桥连接在负载Q1两端，另一个全桥连接在负载Q2两端。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果:与常用于输入单极输出真双极的拓扑相比，本发明所提拓扑能够减小的系统设计功率，从而减小了系统建设成本。
进一步的，负载Q1两端并联有稳压电容C1，负载Q2两端并联有稳压电容C2，当负载变化、IGBT的开关状态切换等情况下出现负载两端电压波动时，电容C1与C2能够稳定负载Q1与负载Q2的两端电压，减小电压纹波。
进一步的，稳压电容C1和稳压电容C2均为有极性电容，在直流输配网中，C1与C2的容值与耐压等级较大，无极性电容难以达到，故选择有极性电容。在要求较小的场合，即使无极性电容可达到要求，成本也要高于有极性电容。
进一步的，DC/DC直流变压器的输出端连接有稳压电容C3，当负载变化、IGBT的开关状态切换等情况下出现负载两端电压波动时，电容C3能够稳定直流变压器输出侧两端的电压，减小电压纹波。
附图说明
图1为常用单极到真双极变换拓扑示意图；
图2为本发明所提直流变压器与功率平衡系统拓扑示意图；
图3a为F2F型直流变压器拓扑；
图3b为多变换器级联型直流变压器拓扑；
图3c为自耦变压器拓扑；
图3d为谐振型直流变压器拓扑；
图4为直流变压器控制策略示意图；
图5a为PBS拓扑及控制策略示意图；
图5b为混合三电平DCDC变换器拓扑；
图5c为软开关隔离型DCDC变换器；
图6为有平衡系统情况下的负载不平衡时电压波形图；
图7为无PBS的负载不平衡电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明根据单极到真双极变换时负载不平衡的特点，提出一种新的直流变压器拓扑设计方案。在真双极的两极之间增加功率平衡系统(power balance system,PBS)。PBS只处理负载不平衡导致的不平衡功率，使两极之间的差值功率通过PBS处理，从而减小整个直流变换环节的设备容量需求。
如图2所示，为本发明所提直流变压器与功率平衡系统拓扑。Vin为单极直流输入，由电网接入或风电、光伏等的新能源直流接入。DC/DC直流变压器的输出端连接有稳压电容C3,负载Q1与负载Q2串联后接入DC/DC直流变压器的输出，两负载之间引出地线，由直流变压器实现单极到真双极的变换。负载Q1与负载Q2可以为低电压等级直流电网、用电负荷等多种形式。负载Q1两端并联有稳压电容C1，负载Q2两端并联有稳压电容C2，稳压电容C1和稳压电容C2均为有极性电容，直流变压器为电压控制型输出，维持下级母线电压的稳定，直流变压器的输出电压为Udc，负载Q1和负载Q2的电压分别为Vout+与Vout-。
当负载Q1与负载Q2出现负荷不平衡的情况时，两者的串联特性导致二者分压不均，即无法实现对称电压输出。图2中的功率平衡系统PBS的一端连接负载Q1，另一端连接负载Q2。当负载Q1与负载Q2的电压不平衡时，PBS处理二者之间的差值功率，进而使二者输出电压达到平衡。由上文公式可得到，负载Q1的最大偏差功率为ηL1P，负载Q2的最大偏差功率可达到ηL2P，而PBS系统仅需要将二者差值功率的一半进行传输分配，即目的使二者的功率分别达到二者的平均值即可。
此时，图2拓扑的设备总设计功率：
式中：ηL1——负载Q1的功率不平衡度；ηL2——负载Q2的功率不平衡度；与常用于输入单极输出真双极的拓扑相比，本发明所提拓扑能够减小的系统设计功率，从而减小了系统设计成本。
控制器设计包括两部分，一部分为主直流变压器控制器设计，一部分为功率平衡系统控制器设计。
如图2中的直流变压器拓扑并没有固定的要求，可采用F2F型直流变压器(图3a所示)、多变换器级联型直流变压器(图3b所示)、自耦变压器(图3c所示)或谐振型直流变压器(图3d所示)。以Face-to-Face(F2F)型拓扑作为其中直流变压器的拓扑，如图3a所示。直流变压器具体控制策略如图4所示。F2F型直流变压器经DC/AC/DC变换，交流部分可输出方波而非正弦波，用以增加传输功率。直流变压器的输出电压与设定值进行比较，经PI调节后，与直流变压器一次侧形成与传输功率相关的传输角。传输角度与传输功率成正比。然后对二次侧每个桥臂的各个子模块进行均压计算，得到各子模块的驱动信号，确定直流变压器中各器件的运行状态。直流变压器的输出电压为负载侧正负极的电压和，直流变压器实现输出正负极的稳定电压。一次侧的均压在PI调节之前进行，和功率传输没有关系；二次侧的均压和功率传输有关系，在PI调节之后进行。
功率平衡系统PBS主要用于处理正负极之间的不平衡功率，用于PBS的拓扑需要满足如下条件：1)功率双向流动，功率能从PBS系统的一端到另一端，也能从另一端到一端：如使用全控型器件或使用全桥结构；2)具有隔离能力：使用隔离变压器。采用功率双向流动的电路拓扑，即使可确保无论哪一侧的负载电压大，都能实现功率平衡。功率平衡系统为双向有源桥式变换器(图5a所示)、混合三电平DC/DC变换器(图5b所示)、或软开关隔离型DC/DC变换器(图5c所示)，上述三种变换器的输入端和输出端分别接负载Q1或负载Q2，另一端接另一个负载即可。此处以双向有源桥式变换器为例进行说明，双向有源桥式变换器包括隔离变压器，隔离变压器两侧均连接有全桥，每个全桥的四个桥臂为IGBT模块，双向有源桥的输入端口与负载Q1两端相连，输出端口与负载Q2连接。设计如下图5a所示控制策略。PBS的两端分别接负载Q1与负载Q2。二者的电压信号进行比较，其差值经过PI调节得到功率传输的移相角δ。PBS的一侧由驱动信号开环驱动，另一侧对应桥臂由驱动信号移相角δ进行闭环驱动。PBS的每侧的1号和4号桥臂状态相同，2号和3号桥臂状态相同，1号和2号桥臂状态相反。其中，1号桥臂为晶闸管T1或晶闸管T5所在的桥臂，2号桥臂为晶闸管T2或晶闸管T6所在的桥臂，3号桥臂为晶闸管T3或晶闸管T7所在的桥臂，4号桥臂为晶闸管4或晶闸管T5所在的桥臂，经由该控制策略，负载Q1与负载Q2的电压趋近于同一电压。当负载Q1电压高于负载Q2电压时，功率由负载Q1传向负载Q2，功率传输过程中负载Q1电压下降，负载Q2电压上升，直至负载Q1和负载Q2的电压相等。当功率传输至二者电压相等时，移相角为0，二者之间停止功率传输。当负载Q1电压低于负载Q2电压时，过程相反，最终也将达到电压平衡。
本发明提出一种适用于输入侧为单极，输出侧为真双极应用场景的直流变压器拓扑。单极输入电压经过大功率直流变压器连接输出侧，真双极负载串联后与输出侧连接。真双极负载之间接地线，形成输入单极，输出真双极的系统。同时，正负极的负载之间连接功率平衡系统PBS。PBS的一端为正极，一端为负极，系统可以实现功率的双向流动。当两个负载不平衡时，引起的不平衡功率经过PBS传输，逐步使二者达到功率平衡，从而实现正负极之间的输出电压平衡。仿真结果如图6与图7所示。从图6可以看出，系统在初始阶段，正极与负极电压不同，但经过一段时间的调节后，二者电压会趋向于同一个电压，说明系统在初始阶段，由于负载不平衡带来的电压不平衡起主导作用，在调节阶段会使两极的功率进行交换，从而达到最终的相同电压，证明了本发明的可行性。从图7可以看出，在没有PBS的情况下，正极和负极的电压一直不同。这是由于直流变压器的输出可以保证正、负极的电压和为一个定值，但负载Q1与负载Q2串联，负载值不同而电流相同，没有额外的功率传途径，使电压总是无法区域同一值，使得正负极无法平衡。
单极到真双极变换的过程中，最大的问题主要是真双极侧常会出现负载不平衡的情况。这种情况下，极易导致输出电压的不均衡，进而影响系统的稳定运行。本发明提出的一种用于单极到真双极变换的直流变压器与功率平衡拓扑，用以解决负载不平衡情况下的DC/DC电压变换问题。其设计方案是在输出的正负极之间设计功率平衡系统，使不平衡功率经由该系统传输，平衡两极之间电压。该方案在上述场景下能够减小系统的容量设计需求，降低系统建设成本。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，包括负载Q1、负载Q2、DC/DC直流变压器和功率平衡系统，负载Q1与负载Q2串联后接入DC/DC直流变压器的输出，负载Q1与负载Q2之间引出地线，功率平衡系统包括隔离变压器，隔离变压器一侧连接在负载Q1两端，另一侧连接在负载Q2两端。
2.根据权利要求1所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，负载Q1两端并联有稳压电容C1，负载Q2两端并联有稳压电容C2。
3.根据权利要求2所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，稳压电容C1和稳压电容C2均为有极性电容。
4.根据权利要求1所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，DC/DC直流变压器的输出端连接有稳压电容C3。
5.根据权利要求1所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，所述DC/DC直流变压器为F2F型直流变压器、多变换器级联型直流变压器、自耦变压器或谐振型直流变压器。
6.根据权利要求1所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，隔离变压器一侧和负载Q1之间连接有全桥电路，隔离变压器另一侧和负载Q2之间连接有另一个全桥电路。
7.根据权利要求1所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，功率平衡系统的控制策略为:将负载Q1的电压与负载Q2的电压进行比较，当负载Q1的电压高于负载Q2的电压时，控制功率由负载Q1传向负载Q2，功率传输过程中负载Q1电压下降，负载Q2电压上升，直至负载Q1和负载Q2的电压相等；当负载Q1电压低于负载Q2电压时，控制功率由负载Q2传向负载Q1，直至负载Q1和负载Q2的电压相等。
8.根据权利要求1所述的一种用于单极到真双极变换的直流变压器拓扑，其特征在于，DC/DC直流变压器的控制策略为:DC/DC直流变压器的输出电压与设定值比较，经PI调节后，与DC/DC直流变压器的一次侧形成与传输功率相关的传输角，传输角度与传输功率成正比；然后对DC/DC直流变压器的各个子模块进行均压计算，得到各子模块的驱动信号，以控制DC/DC直流变压器中各子模块的运行状态。
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