CN110350794A - 模块化多电平直流变压器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平直流变压器及其调制方法，其中直流变压器，包括变压器子模块；所述变压器子模块包括一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分；所述一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分这三个部分级联；所述储能电容部分包括电容；所述一次侧部分、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容部分相连接。本发明拓扑结构无内部交流链接变压器，实现直流初级侧与直流次级侧的直接功率变换，提升传输效率，减小装置体积；拓扑的模块化结构增大系统冗余度，能够提升装置可靠性；新型子模块的应用，能够实现直流变压器系统变比的大范围在线调节功能。

Description

模块化多电平直流变压器及其调制方法
技术领域
本发明涉及直流输电领域与电力电子变换器设计和控制领域，具体地，涉及一种模块化多电平直流变压器及其调制方法，尤其涉及一种模块化多电平直流变压器的拓扑设计与运行控制。
背景技术
直流电网是未来电网发展的重要方向。中高压大容量直流变压器，是直流电网的关键核心元件之一。国内外学者对直流变压器的研究已经日益深入，并提出了多种拓扑结构。谐振型直流变压器从低压开关电源发展而来，具有高功率密度、高变化效率的优点，但其电感电容参数设计复杂，且开关器件耐压耐流能力有限，因此难以直接推广应用到高压大容量场合。
应用于中高压大容量场景的直流变压器，大多采用模块化结构，主要可以分成隔离型和非隔离型两大类拓扑。
传统隔离型直流变压器，通常利用交流变压器实现一次侧与二次侧的电气隔离，如图1所示。该方案需要经过直流-交流-交流-直流的多级能量变换，传输效率较低，且体积庞大。同时，该方案每桥臂均由大量开关器件串联构成，以满足高压场合应用的需要，串联子模块的均衡设计难度很大。在此基础上，有学者借鉴模块化多电平换流器(MMC)的思路，将桥臂改为MMC结构，如图2所示。该方案解决了桥臂串联器件的均衡控制问题，但交流变压器带来的传输效率低，体积庞大的问题依然存在。同样借鉴MMC思路，有学者提出了将双有源桥(DAB)进行串并联组合的方案，如图3所示。该方案将DAB进行输入串联/并联、输出串联/并联，以此满足高压大容量应用的要求。同时，该方案还利用提高调制频率的办法，减小装置体积。该方案难点在于控制器需要考虑各DAB模块之间的均衡，设计难度较大。此外，该模块化DAB方案需要利用高频变压器来减小装置体积，而适用于大容量应用场景的高频变压器目前存在较大设计和制造难度。
非隔离型直流变压器，同样主要采用MMC结构，但省去了其中的交流变压器部分。如图4所示是一种基于链式模块的直接耦合式模块化多电平直流变压器，与隔离型拓扑相比成本和体积都有显著下降。如图5所示是一种基于新型子模块结构的直流变压器，基于共享电容和模块化投切的思路，同样显著减小装置体积和成本，且具有变比动态调节能力，但其子模块结构较为复杂，控制策略设计较复杂。
综上所述，尽管现有文献已经针对直流变压器提出多种拓扑，但尚有以下问题需要解决：
1、如何提升直流变压器的系统电能变换效率？
2、如何提升直流变压器的系统安全稳定运行能力？
3、如何实现直流变压器的直流变比大范围在线调节？
因此，提供一种模块化多电平直流变压器及其调制方法具有较高的实用价值和现实意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化多电平直流变压器及其调制方法。
根据本发明提供的一种模块化多电平直流变压器，包括变压器子模块；
所述变压器子模块包括一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分；所述一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分这三个部分级联；
所述储能电容部分包括电容；
所述一次侧部分、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容部分相连接。
优选地，所述一次侧部分包括设定数量的开关管、第一P接口P1以及第一N接口N1。
优选地，所述二次侧部分包括设定数量的开关管、第二P接口P2以及第二N接口N2。
优选地，多个所述变压器子模块分别通过第一P接口P1、第一N接口N1、第二P接口P2以及第二N接口N2依次电连接。
优选地：
-所述第一P接口P1和第一N接口N1之间设置有反向并联的开关管；和/或
-所述第二P接口P2和第二N接口N2之间设置有反向并联的开关管。
根据本发明提供的一种模块化多电平直流变压器调制方法，所述模块化多电平直流变压器包括三种工作模式，即工作模式1、工作模式2以及工作模式3；
工作模式1：一次侧部分的第一P接口P1和第一N接口N1在设定状态下的开关管的作用下，经储能电容部分连通；二次侧部分的第二P接口P2和第二N接口N2在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通；
工作模式2：一次侧部分的第一P接口P1和第一N接口N1在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通；二次侧部分的第二P接口P2和第二N接口N2在设定状态下的开关管的作用下，经储能电容部分连通；
工作模式3：一次侧部分的第一P接口P1和第一N接口N1在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通；二次侧部分的第二P接口P2和第二N接口N2在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通。
优选地：
工作模式1下，一次侧端口电压为电容电压VC，二次侧端口电压为0，电容从一次侧电源吸收能量，处于充电状态，当一次侧端口总电压与电源电压相等时，充电过程结束，电容电压保持不变；
工作模式2下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为VC，电容向二次侧负载放电，当子模块持续工作于模式2时，电容电压将持续下降；
工作模式3下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为0，电容既不充电也不放电，处于隔离状态。
优选地，将总计N个子模块中处于工作于模式1的子模块数量记为N1，处于工作于模式2的子模块数量记为N2，处于工作于模式3的子模块数量记为N-N1-N2个，此时变比k满足第一公式：
将变压器一次侧电压记为V1，二次侧电压记为V2。如果一次侧电源电压为VDC，则变压器一次侧电压V1为VDC。工作于模式1的子模块电容电压充电完全后，VC满足第二公式：
此时二次侧电压V2满足第三公式：
优选地，所述模块化多电平直流变压器调制方法包括：
步骤1：给定直流变压器两侧电压V1和V2，根据第一公式、第二公式以及第三公式，结合变压器子模块数量N和设定的电容电压VC确定直流变压器工作于工作模式1和工作模式2的子模块数量N1、N2；
步骤2：给定直流变压器工作频率f，测量每个周期开始时刻，即上个周期结束时刻各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；
步骤3：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为工作模式1；
步骤4：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为工作模式2。
优选地，所述模块化多电平直流变压器调制方法还包括：
步骤5：测量本周期末各子模块电容电压，转回步骤2。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的模块化多电平直流变压器，具有结构简单、泛用性强、效率高的优点；
2、本发明提供的模块化多电平直流变压器，拓扑结构无内部交流链接变压器，实现直流初级侧与直流次级侧的直接功率变换，提升传输效率，减小装置体积；
3、本发明提供的模块化多电平直流变压器，拓扑的模块化结构增大系统冗余度，能够提升装置可靠性；
4、本发明提供的模块化多电平直流变压器，新型子模块的应用，能够实现直流变压器系统变比的大范围在线调节功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1传统隔离型直流变压器基本拓扑示意图；
图2基于MMC结构的隔离型直流变压器示意图；
图3基于DAB结构的直流变压器示意图；
图4基于链式模块的直接耦合式模块化多电平直流变压器示意图；
图5新型模块化多电平动态投切直流变压器示意图；
图6本发明提供的基于新型子模块的模块化多电平直流变压器示意图；
图7本发明提供的新型子模块拓扑结构示意图；
图8本发明提供的新型子模块的工作模式1示意图；
图9本发明提供的新型子模块的工作模式2示意图；
图10本发明提供的新型子模块的工作模式3示意图；
图11正常工作时本发明提供的子模块电容电压波形示意图；
图12本发明提供的直流变压器实施实例示意图；
图13本发明变比在线调整时的一次侧与二次侧电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
基础实施例：
根据本发明提供的一种模块化多电平直流变压器，包括变压器子模块；
所述变压器子模块包括一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分；所述一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分这三个部分级联；
所述储能电容部分包括电容；
所述一次侧部分、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容部分相连接。
所述一次侧部分包括设定数量的开关管、第一P接口P1以及第一N接口N1。
所述二次侧部分包括设定数量的开关管、第二P接口P2以及第二N接口N2。
多个所述变压器子模块分别通过第一P接口P1、第一N接口N1、第二P接口P2以及第二N接口N2依次电连接。
将总计N个子模块中处于工作于模式1的子模块数量记为N1，处于工作于模式2的子模块数量记为N2，处于工作于模式3的子模块数量记为N-N1-N2个，此时变比k满足第一公式：
将变压器一次侧电压记为V1，二次侧电压记为V2。
所述模块化多电平直流变压器调制方法包括：
步骤1：给定直流变压器两侧电压V1和V2，根据第一公式、第二公式以及第三公式，结合变压器子模块数量N和设定的电容电压VC确定直流变压器工作于工作模式1和工作模式2的子模块数量N1、N2；
步骤2：给定直流变压器工作频率f，测量每个周期开始时刻，即上个周期结束时刻各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；
步骤3：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为工作模式1；
步骤4：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为工作模式2。
所述模块化多电平直流变压器调制方法还包括：
步骤5：测量本周期末各子模块电容电压，转回步骤2。
本发米优选例的技术方案为一种基于新型子模块的模块化多电平直流变压器，并提出相应的新型调制策略。
直流变压器及其子模块的拓扑结构：
该直流变压器拓扑如图6所示，变压器整体采用模块化结构设计，子模块采用输入串联输出串联的连接方式。所采用的新型子模块拓扑如图7所示。如图7所示，所提出的新型子模块拓扑包含10个开关管和1个储能电容。整个子模块可以分成级联的3部分，左侧为一次侧部分，中间为储能电容，右侧为二次侧部分。一次侧、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容相连接，以保证完全隔离。一二次侧各有一组输出端口P1N1、P2N2，端口正负极P1N1、P2N2之间均通过一个反并联的开关相连。
直流变压器的工作原理：
如图8-10所示，该子模块有3种工作模式，每种工作模式的开关状态如表1所示。表中，VT1～VT10为图7中子模块的开关，VP1N1、VP2N2为一次侧和二次侧的端口电压，VC为电容电压。
表1不同工作模式对应的开关状态和端口电压
结合图8-10和表1可知：
工作模式1下，一次侧端口电压为电容电压VC，二次侧端口电压为0。电容从一次侧电源吸收能量，处于充电状态。当一次侧端口总电压与电源电压相等时，充电过程结束，电容电压保持不变。
工作模式2下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为VC。电容向二次侧负载放电。当子模块持续工作于模式2时，电容电压将持续下降。
工作模式3下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为0。电容既不充电也不放电，处于隔离状态。
如图6所示，子模块之间以输入串联输出串联的形式互相连接。子模块一次侧端口电压之和为直流变压器的一次侧电压，子模块二次侧电压之和为直流变压器的二次侧电压。结合图8-10和表1所得结论，处于工作模式1的子模块一次侧电压之和共同构成一次侧电压，处于工作模式2的子模块二次侧电压之和共同构成二次侧电压，工作模式3对一次侧和二次侧电压均无贡献。
假设共有N个子模块，其中工作于模式1的子模块共有N1个，工作于模式2的子模块共有N2个，则工作于模式3的子模块共有N-N1-N2个。此时变比k满足第一公式：
将变压器一次侧电压记为V1，二次侧电压记为V2。如果一次侧电源电压为VDC，则变压器一次侧电压V1为VDC。工作于模式1的子模块电容电压充电完全后，VC满足第二公式：
此时二次侧电压V2满足第三公式：
由于二次侧为电容为负载供电，因此电压会逐步下降。一二次侧电压变化情况如图11中相邻虚线之间所示。
直流变压器的调制策略：
由前述直流变压器工作原理可知，正常工作时，处于工作模式1的子模块电容电压会不断上升，如果时间足够长，电容电压能够达到最大值VCm；处于工作模式2的子模块电容电压会不断下降，如果时间足够长，电容电压将会下降到0。因此，直流变压器工作过程中，不应让单一子模块长期处于同一种工作模式下。因此，本专利提出下述调制方案：
步骤1：给定直流变压器两侧电压V1和V2，根据式1-3确定直流变压器工作于模式1和模式2的子模块数量N1、N2；
步骤2：给定直流变压器工作频率f，测量每个周期开始时刻(即上个周期结束时刻)各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；
步骤3：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；
步骤4：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；
步骤5：测量本周期末各子模块电容电压，转回步骤2。
由该调制策略，子模块电容电压波形如图11所示，子模块电容电压仅小幅波动，能够维持稳定。如果需要对变比进行在线调节，则在步骤5后转回步骤1，即重新确定满足该项变比的子模块数量N1、N2。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
直流变压器整体采用模块化的拓扑结构，增大了冗余度，提升了装置可靠性；
新型子模块结构能够实现直流初级侧与次级侧的直接功率变换，相比利用交流变压器进行能量传递的传统直流变压器，能够显著提升功率传输效率，缩小装置体积；
直流变压器拓扑采用输入串联、输出串联的子模块连接方式，能够实现直流变压器变比的大范围在线调节功能，控制更加灵活。
实施例1：
搭建如图12所示的直流变压器，共有24个子模块，即N＝24。一次侧电源电压200kV，一次侧二次侧分别接一个1mH的电感，电感电阻大小为0.5Ω，负载大小为100欧。
其输出电压如图13所示。图中仿真时间为4s，带有三角标记的数据为一次侧电压VP1N1，没有三角标记的数据为二次侧电压VP2N2。一次侧电压保持200kV。0-1s时N1＝18，N2＝6，输出电压为66.3kV，理论变比为3:1；1-2s时N1＝16，N2＝8，输出电压为99kV，理论变比为2:1；2-3s时N1＝12，N2＝12，输出电压为198kV，理论变比为1:1；3-4s时N1＝16，N2＝8，输出电压为390kV，理论变比为1:2。
仿真输出结果与理论结果一致。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种模块化多电平直流变压器，其特征在于，包括变压器子模块；
所述变压器子模块包括一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分；所述一次侧部分、二次侧部分以及储能电容部分这三个部分级联；
所述储能电容部分包括电容；
所述一次侧部分、二次侧部分均通过反向串联的开关管与储能电容部分相连接。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器，其特征在于，所述一次侧部分包括设定数量的开关管、第一P接口P1以及第一N接口N1。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平直流变压器，其特征在于，所述二次侧部分包括设定数量的开关管、第二P接口P2以及第二N接口N2。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平直流变压器，其特征在于，多个所述变压器子模块分别通过第一P接口P1、第一N接口N1、第二P接口P2以及第二N接口N2依次电连接。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平直流变压器，其特征在于：
-所述第一P接口P1和第一N接口N1之间设置有反向并联的开关管；和/或
-所述第二P接口P2和第二N接口N2之间设置有反向并联的开关管。
6.一种模块化多电平直流变压器调制方法，其特征在于，所述模块化多电平直流变压器包括三种工作模式，即工作模式1、工作模式2以及工作模式3；
工作模式1：一次侧部分的第一P接口P1和第一N接口N1在设定状态下的开关管的作用下，经储能电容部分连通；二次侧部分的第二P接口P2和第二N接口N2在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通；
工作模式2：一次侧部分的第一P接口P1和第一N接口N1在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通；二次侧部分的第二P接口P2和第二N接口N2在设定状态下的开关管的作用下，经储能电容部分连通；
工作模式3：一次侧部分的第一P接口P1和第一N接口N1在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通；二次侧部分的第二P接口P2和第二N接口N2在设定状态下的开关管的作用下，短路储能电容部分，直接连通。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平直流变压器调制方法，其特征在于：
工作模式1下，一次侧端口电压为电容电压VC，二次侧端口电压为0，电容从一次侧电源吸收能量，处于充电状态，当一次侧端口总电压与电源电压相等时，充电过程结束，电容电压保持不变；
工作模式2下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为VC，电容向二次侧负载放电，当子模块持续工作于模式2时，电容电压将持续下降；
工作模式3下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为0，电容既不充电也不放电，处于隔离状态。
8.根据权利要求7所述的模块化多电平直流变压器调制方法，其特征在于，将总计N个子模块中处于工作于模式1的子模块数量记为N1，处于工作于模式2的子模块数量记为N2，处于工作于模式3的子模块数量记为N-N1-N2个，此时变比k满足第一公式：
将变压器一次侧电压记为V1，二次侧电压记为V2。如果一次侧电源电压为VDC，则变压器一次侧电压V1为VDC。工作于模式1的子模块电容电压充电完全后，VC满足第二公式：
此时二次侧电压V2满足第三公式：
9.根据权利要求8所述的模块化多电平直流变压器调制方法，其特征在于，所述模块化多电平直流变压器调制方法包括：
步骤1：给定直流变压器两侧电压V1和V2，根据第一公式、第二公式以及第三公式，结合变压器子模块数量N和设定的电容电压VC确定直流变压器工作于工作模式1和工作模式2的子模块数量N1、N2；
步骤2：给定直流变压器工作频率f，测量每个周期开始时刻，即上个周期结束时刻各子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；
步骤3：选择子模块电压最低的N1个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为工作模式1；
步骤4：选择子模块电压最高的N2个子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为工作模式2。
10.根据权利要求9所述的模块化多电平直流变压器调制方法，其特征在于，所述模块化多电平直流变压器调制方法还包括：
步骤5：测量本周期末各子模块电容电压，转回步骤2。
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CN108964492A (zh) * 2018-06-20 2018-12-07 东南大学 一种具备直流侧短路故障隔离能力的低损耗模块化多电平变流器拓扑

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李斌等: "新型模块化多电平动态投切 DC/DC 变压器", 《中国电机工程学报》 *

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