CN110247416A - 基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置，其由分叉桥臂结构的多端口MMC和传统全桥变换器两部分构成，二者交流端通过变压器相连接，原边分叉桥臂结构的多端口MMC由两相十二桥臂构成，中间桥臂分叉形成多端口。本发明在传统模块化多电平变换器的拓扑基础上对其进行改造、整合，通过原边分叉桥臂结构使用较少数量的开关器件和电容器实现高压直流网络同时向多个低压直流网络输电，从而满足直流电网对柔性多状态开关装置的各自功能需求，可连接多个不同电压等级的直流电网，实现多个直流电网之间的电能传输。

Description

基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置
技术领域
本发明属于柔性多状态开关技术领域，具体涉及一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置。
背景技术
随着世界能源短缺和环境污染问题的加重，分布式能源技术得到快速发展；相比传统交流电网，直流电网更易于实现分布式能源接入，并且具有损耗低、环境污染小、电能质量高等优势，因而受到广泛关注和研究。此外，在交直流电有效值相同时，交流电压的峰值比直流电压峰值大，因此对电缆的绝缘强度要求也就更严格，所以直流电缆的成本也要低。在交流配电网中，交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制，且随着输电距离的增大，同步机间的电抗增大，输电能力受到更大的限制，而直流线路不存在频率稳定和无功功率等问题，供电可靠性也较高。直流线路的“空间电荷效应”也使得电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小，产生的电磁辐射也小；因此，采用直流互联的电网结构已越来越受到国际电力工程界的推崇。
在直流配电网中，为了实现不同电压等级直流母线的高效互联，多端口直流柔性多状态开关装置得到了广泛关注；模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)拥有单个子模块开关频率低、模块化设计、易冗余、电压等级高的优势，成为了构建未来高电压直流输电中最热门、被研究最多的变换器。基于直流-直流变换(DC-DC)的MMC变换器(DC-DC MMC)可直接将高压直流系统与低压直流电网有效连接，构成灵活的直流输配电网络。
总体来说，DC-DC MMC可以分为非隔离型和隔离型两种；隔离型DC-DC MMC变换器是指两个电压源型换流器的交流端通过交流变压器互联在一起，因此传输的功率需要经过两级交流/直流变换，该类结构相对单向DC-DC MMC变换器能够实现功率的双向流动，具备天然的隔离直流故障的能力；两侧MMC根据传输容量的需求选择单相或三相拓扑，对于超大容量场合可采用多相连接方式。石绍磊等人在文献《模块化多电平型高压DC/DC变换器的研究[J].电源学报,2015,13(6):110-123》中提出了一种典型的隔离型DC-DC MMC变换器，在高压DC-DC变换领域，隔离型DC-DC MMC不仅可以提供电气隔离，还可以灵活的进行直流功率控制以及更加灵活的电压匹配和直流故障隔离；采用中频或高频变压器(几百Hz或者几千Hz)，隔离型DC-DC MMC可以大大减小装置的体积并提高变换效率。但在高压直流网络同时向多个低压直流网络输电的过程中，传统方案需要多个DC-DC MMC变换器，因此需要大量的开关器件和电容器等；在高压直流网络同时向两个低压直流网络输电的过程中，传统方案需要两个DC-DC MMC变换器，需要大量的开关器件和电容器等。
非隔离型DC-DC MMC变换器是指拓扑中高低压直流系统共用了一部分换流端桥臂，相比隔离型DC-DC MMC变换器省去了中间的变压器，具有变换器容量小、子模块数量少、体积重量较小等优点。赵成勇等人在文献《新型模块化高压大功率DC-DC变换器[J].电力系统自动化,2014,38(4):72-78》中基于传统MMC拓扑提出一种单相非隔离型DC-DC MMC变换器，非隔离型DC-DC MMC由于没有中间变压器，变比大小受到一定限制，仅用于电压变比要求较低的场合，比如电压等级相差不大的高压大功率直流输电系统互联。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置，在传统模块化多电平变换器的拓扑基础上对其进行改造、整合，通过原边分叉桥臂结构使用较少数量的开关器件和电容器实现高压直流网络同时向多个低压直流网络输电，从而满足直流电网对柔性多状态开关装置的各自功能需求，可连接多个不同电压等级的直流电网，实现多个直流电网之间的电能传输。
一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置，包括：原边基于分叉桥臂结构的模块化多电平变换器以及副边N个全桥变换器，所述全桥变换器通过中频变压器与模块化多电平变换器耦合连接，N为端口数量。
进一步地，所述模块化多电平变换器为两相结构，每相包括上下两组变换单元，所述变换单元包括一个公共桥臂、N个分叉桥臂以及N个桥臂电抗，公共桥臂的一端与对应的直流母线相连，公共桥臂的另一端与N个分叉桥臂的一端并联，分叉桥臂的另一端与对应桥臂电抗的一端相连，N个桥臂电抗的另一端分别作为变换单元的N个输出端点，上组变换单元的N个输出端点与下组变换单元的N个输出端点对应连接并构成相结构的N个交流输出端口，所述公共桥臂和分叉桥臂均由多个半桥子模块级联构成。
进一步地，所述半桥子模块由两个具有逆向导通能力的功率开关G1～G2和一个电容器C1组成，功率开关G1的一端与电容器C1的一端相连，功率开关G1的另一端与功率开关G2的一端相连并作为半桥子模块的连接端口A，电容器C1的另一端与功率开关G2的另一端相连并作为半桥子模块的连接端口B，两个功率开关G1～G2的控制极接外部设备提供的开关信号。
进一步地，所述功率开关G1～G2采用带反并联二极管的IGBT。
进一步地，所述全桥变换器采用两相四桥臂的MMC。
进一步地，所述全桥变换器采用两电平或多电平全桥变换器。
进一步地，所述中频变压器的原边绕组一端与模块化多电平变换器其中一相的对应交流输出端口相连，原边绕组另一端与模块化多电平变换器中另一相的对应交流输出端口相连，副边绕组与全桥变换器的交流侧对应连接。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置与传统基于MMC的直流变换器方案相比，减少了子模块的使用数量和变换器体积、成本，同时增加了系统的可靠性。
(2)本发明装置可高效连接高电压等级差的直流电网。
附图说明
图1为本发明多端口直流柔性多状态开关装置的结构示意图。
图2为半桥子模块的结构示意图。
图3为载波移相PWM调制波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置拓扑，由一个采用分叉桥臂结构的两端口MMC和多个全桥变换器构成，两部分通过中频变压器相连接。
(1)分叉桥臂结构的两端口MMC。
本实施方式中采用分叉桥臂结构的两端口MMC，其主功率拓扑如图1左侧虚线框内所示。两相十二桥臂结构，每个桥臂由多个半桥子模块级联构成，每相中两个桥臂作为上下公共桥臂分别与正负直流母线相连，上公共桥臂另一端同时与两个桥臂相连，两个桥臂称为上分叉桥臂；同样下公共桥臂另一端与两个桥臂相连，两个桥臂称为下分叉桥臂。两个上分叉桥臂的另一端分别与两个桥臂电抗器相连，两个下分叉桥臂的另一端分别与两个桥臂电抗器相连。两个上桥臂电抗器与两个下桥臂电抗器分别相连，形成两个连接点，两个连接点作为两个输出端点，与另一相的两个输出端点构成两个交流输出端口。
如图2所示，本实施方式中半桥子模块由两个具有逆向导通能力的功率开关G1～G2和一个电容器C1构成，功率开关G1的一端与电容器C1的一端相连，功率开关G1的另一端与功率开关G2的一端相连并作为半桥子模块的连接端口A，电容器C1的另一端与功率开关G2的另一端相连并作为半桥子模块的连接端口B，两个功率开关G1～G2的控制端接外部设备提供的开关信号。
以一相为例，分叉桥臂结构的两端口MMC公共桥臂的电压为：
其中：upc和ulc分别为该相上、下公共桥臂的输出电压，Vdc为直流母线电压，m0为公共桥臂的调制比，ω为角频率。
分叉桥臂的电压为：
其中：upa和ula分别为该相上、下分叉桥臂的电压，upb和ulb分别为该相上、下分叉桥臂的电压，m为A相输出电压的调制比，n为B相输出电压的调制比，α和β分别为两端口输出电压的相角。
由基尔霍夫电压定律可以得出分叉桥臂两端口输出电压为：
其中：uAO和uBO分别为分叉桥臂的中点A输出电压和分叉桥臂的中点B输出电压。
设另外一相的调制信号与上述调制信号相差180度移相角，可得：
其中：uaO和ubO分别为分叉桥臂的中点a输出电压和分叉桥臂的中点b输出电压。将A与a作为一组输出端口，B与b作为一组输出端口，可得到分叉桥臂结构的MMC的两端口输出电压为：
(2)全桥变换器。
如图1右侧虚线框内所示，该全桥变换器可以是传统的全桥MMC，也可以是传统两电平或多电平变换器。以一个全桥MMC为例，全桥MMC由两相四个桥臂构成，每个桥臂包含NH2个半桥子模块和一个桥臂电抗器，上下桥臂的链接点为电压输出点，构成全桥MMC的交流输出，交流端口输出相电压为：
Uo＝m1Udc sinωt
其中：m1为交流输出的调制比，ω为角频率。
以载波移相PWM调制为例，如图3所示，简要说明本实施方式的一种可行控制方案：开关装置的上、下桥臂调制波相互独立，NH2个三角载波幅值和垂直位置相同，相位不同，载波与调制波进行比较，生成NH2个子模块驱动信号；对于上桥臂来说，当调制波信号大于载波信号时，驱动信号取1；调制波信号小于载波信号时，驱动信号取0；对于下桥臂来说，当调制波信号小于载波信号时，驱动信号取1；调制波信号大于载波信号时，驱动信号取0。
基于分叉桥臂结构的两端口MMC输出相电压的幅值和相位可通过控制调制波参数来调节，若端口输出相电压分别为：
则可以得到公共桥臂和分叉桥臂的电压分别为：
因此，可得公共桥臂和分叉桥臂的调制波分别为：
其中：m0、m、n分别为公共桥臂、两端口输出电压的调制比，ω为角频率，α和β为输出电压相位。
由上述可知，本发明基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置与传统基于MMC方案的直流变压器相比，减少了子模块的使用数量、变换器体积和成本，同时增加了系统的可靠性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分叉桥臂结构的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于，包括：原边基于分叉桥臂结构的模块化多电平变换器以及副边N个全桥变换器，所述全桥变换器通过中频变压器与模块化多电平变换器耦合连接，N为端口数量。
2.根据权利要求1所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：所述模块化多电平变换器为两相结构，每相包括上下两组变换单元，所述变换单元包括一个公共桥臂、N个分叉桥臂以及N个桥臂电抗，公共桥臂的一端与对应的直流母线相连，公共桥臂的另一端与N个分叉桥臂的一端并联，分叉桥臂的另一端与对应桥臂电抗的一端相连，N个桥臂电抗的另一端分别作为变换单元的N个输出端点，上组变换单元的N个输出端点与下组变换单元的N个输出端点对应连接并构成相结构的N个交流输出端口，所述公共桥臂和分叉桥臂均由多个半桥子模块级联构成。
3.根据权利要求2所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：所述半桥子模块由两个具有逆向导通能力的功率开关G1～G2和一个电容器C1组成，功率开关G1的一端与电容器C1的一端相连，功率开关G1的另一端与功率开关G2的一端相连并作为半桥子模块的连接端口A，电容器C1的另一端与功率开关G2的另一端相连并作为半桥子模块的连接端口B，两个功率开关G1～G2的控制极接外部设备提供的开关信号。
4.根据权利要求3所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：所述功率开关G1～G2采用带反并联二极管的IGBT。
5.根据权利要求1所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：所述全桥变换器采用两相四桥臂的MMC。
6.根据权利要求1所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：所述全桥变换器采用两电平或多电平全桥变换器。
7.根据权利要求2所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：所述中频变压器的原边绕组一端与模块化多电平变换器其中一相的对应交流输出端口相连，原边绕组另一端与模块化多电平变换器中另一相的对应交流输出端口相连，副边绕组与全桥变换器的交流侧对应连接。
8.根据权利要求1所述的多端口直流柔性多状态开关装置，其特征在于：该装置通过原边分叉桥臂结构使用较少数量的开关器件和电容器实现高压直流网络同时向两个低压直流网络输电，从而满足直流电网对柔性多状态开关装置的各自功能需求，可连接多个不同电压等级的直流电网，实现多个直流电网之间的电能传输。
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