CN110635683A - 二端口子模块、自耦式直流变压器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种二端口子模块、自耦式直流变压器及其调制方法，包括一次侧机构；二次侧机构，二次侧机构与一次侧机构电连接；电容C分别与一次侧机构及二次侧机构电连接。子模块通过输入串联输出串联方式组合后，输入侧与输出侧之间串联连接，整体形成自耦变结构。本发明具有如下的有益效果：拓扑所采用的二端口子模块具有3种工作模式，分别对应一次侧充电、二次侧放电和两侧隔离状态，控制设计相对简单；拓扑所采用的二端口子模块具有两个输入输出端口，组合方式灵活，能够满足交、直流多种场景需求；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。

Description

二端口子模块、自耦式直流变压器及其调制方法

技术领域

本申请涉及直流输电领域与电力电子变换器设计和控制领域，涉及模块化多电平直流变压器的拓扑设计与运行控制，具体涉及二端口子模块、自耦式模块化直流变压器及其调制方法。

背景技术

电力电子技术的迅速发展和电力电子设备的广泛应用显著提升了电网的可控程度和智能化水平，并且推动电网形态发生变革。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。然而，当前电网越来越高的电压等级与现有电力电子器件极为有限的耐压能力之间存在着巨大的矛盾。电力电子器件难以承受过高电压，这导致电力电子设备在高压应用上存在诸多限制。为了满足坚强智能电网条件下不同电压等级的设备需求，模块化多电平结构成为输电设备的重要发展方向。

模块化多电平结构，具有结构简单，控制难度较低，制造难度小，冗余度高，可靠性高的优点。目前，基于模块化多电平结构的特高压换流器已经应用于我国多项柔性直流输电示范工程，华东电网投运了多套基于模块化多电平结构的统一潮流控制器，而基于模块化多电平结构的直流变压器等设备也已经有样机问世。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，桥臂串联器件的均衡设计难度很大。在此基础上，有学者提出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。半桥子模块结构简单，波形质量高，但是半桥子模块的特点导致其难以实现直流故障隔离。因此，在该子模块的基础上，发展出了如图3所示的全桥子模块、箝位双子模块等各种具有直流故障阻断能力的拓扑，但这些拓扑结构较为复杂，尚未实现大规模的工程应用。与此同时，这种拓扑方案中固有的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4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，而主要依靠设计新子模块拓扑来实现相应的功能。如图5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，但其不能灵活调节变比。文献1《Goetz,S.M.,A.V.Peterchev and T.Weyh,Modular MultilevelConverter With Series and Parallel Module Connectivity:Topology andControl.IEEE Transactions on Power Electronics,2015.30(1):p.203-215.》提出了一种如图6所示的由两个全桥电路和一个储能电容构成的的二端口子模块，并提供了该子模块的串联和级联两种典型组合方式。但是，该子模块在级联组合方式下，工作模式多达9种，控制策略过于复杂，不利于提升系统工作可靠性。文献2《李斌,张伟鑫.级联模块化多电平动态投切DC-DC变压器[J].中国电机工程学报.2018，38(5)：1319-1328》基于共享电容和模块化投切的思路，设计了一种具有两个储能电容的二端口子模块，并利用该子模块搭建了一台直流变压器，如图7所示。该拓扑能够减小装置体积和成本，且具有变比动态调节能力，但其子模块具有4种工作模式，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)如何简化模块化直流变压器的子模块结构，降低系统成本；

3)如何提升直流变压器的系统安全稳定运行能力；

4)如何实现直流变压器的直流变比大范围在线调节。

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解决上述技术问题的二端口子模块、自耦式直流变压器及其调制方法。

为了解决上述技术问题，本发明二端口子模块，包括一次侧机构；

二次侧机构，二次侧机构与一次侧机构电连接；

电容C，电容C分别与一次侧机构及二次侧机构电连接。

优选地，一次侧机构包括：

开关管VT1，开关管VT1的发射极与二次侧机构电连接；

开关管VT2，开关管VT2的集电极与开关管VT1的集电极电连接；

开关管VT3，开关管VT3的集电极与开关管VT2的发射极电连接，开关管VT3的发射极与二次侧机构电连接；

电容C的一端与开关管VT1的发射极电连接，电容C的另一端与开关管VT3的发射极电连接。

优选地，二次侧机构包括：

开关管VT4，开关管VT4的集电极与开关管VT1的发射极电连接；

开关管VT5，开关管VT5的集电极与开关管VT4的发射极电连接；

开关管VT6，开关管VT6的发射极与开关管VT5的发射极电连接，开关管VT6的集电极与开关管VT3的发射极电连接；

电容C的一端与开关管VT4的集电极电连接，电容C的另一端与开关管VT6的集电极电连接。

优选地，电容C为储能电容C。

优选地，二端口子模块具有3种工作模式：

第一工作模式，一次侧机构开关管VT1、VT3导通，VT2断开；二次侧机构开关管VT5导通，VT4、VT6断开；

第二工作模式，一次侧机构开关管VT2导通，VT1、VT3断开；二次侧机构开关管VT4、VT6导通，VT5断开；

第三工作模式，一次侧机构开关管VT2导通，VT1、VT3断开；二次侧机构开关管VT5导通，VT4、VT6断开。

一种自耦式模块化直流变压器，包括多个二端口子模块，多个二端口子模块之间通过输入串联输出串联方式连接；其中

二端口子模块为如权利要求1至权利要求4任意一项所述的二端口子模块。

优选地，组合后的多个二端口子模块整体的输入端口与输出端口以串联的形式互相连接。

优选地，自耦式模块化直流变压器的输入端口的未与输出端口直连的端点，将端点引出并串联平波电抗器后作为变压器第一一次侧输出端口端点；

自耦式模块化直流变压器的输入端口与输出端口相连接部分，从该部分引出并串联一只平波电抗器后作为第一二次侧端口端点；

自耦式模块化直流变压器的输出端口的未与输入端口相连的端点，将端点引出并串联平波电抗器后作为第二一次侧端口端点和第二二次侧端口端点。

一种自耦式模块化直流变压器的调制方法，包括如下步骤：

步骤1，测量各二端口子模块的电容C的电压值，并将测得的电压值进行排序；

步骤2，获取工作在第一工作模式下的二端口子模块数量N₁和工作在第二工作模式下的二端口子模块数量N₂；

步骤3，测量本周期末各二端口子模块的电容C的电压值，返回步骤1。

优选地，步骤1包括：

步骤1.1，测量每个开关周期开始时刻的各二端口子模块的电容C的电压值；

步骤1.2，并将测得的电压值从高到低进行排序，形成电压值表。

优选地，步骤2包括：

步骤2.1，从电压值表中选择电容C的电压值最低的N₁个二端口子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为第一工作模式；

步骤2.2，从电压值表中选择电容C的电压值最高的N₂个二端口子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为第二工作模式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)拓扑所采用的二端口子模块具有3种工作模式，分别对应一次侧充电、二次侧放电和两侧隔离状态，控制设计相对简单；

2)拓扑所采用的二端口子具有两个输入输出端口，组合方式灵活，能够满足交、直流多种场景需求；

3)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；

4)拓扑采用自耦变方式对二端口子模块进行组合，有效减少直流变压器中全控器件数量，降低系统成本；

5)拓扑的模块化结构增大系统冗余度，提升装置可靠性；

6)基于新型二端口子模块的自耦式模块化直流变压器拓扑结构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为现有技术1原理图；

图2为现有技术2原理图；

图3(a)为现有技术3原理图；

图3(b)为现有技术3原理图；

图4为现有技术4原理图；

图5为现有技术5原理图；

图6为现有技术6原理图；

图7为现有技术7原理图；

图8为本发明自耦式直流变压器原理图；

图9为本发明二端口子模块原理图；

图10(a)为本发明二端口子模块第一工作模式原理图；

图10(b)为本发明二端口子模块第二工作模式原理图；

图10(c)为本发明二端口子模块第三工作模式原理图；

图11为本发明正常工作时二端口子模块电容电压波形图；

图12为本发明原理图一；

图13为本发明变比在线调整时的一次侧与二次侧电压波形图；

图14为本发明原理图二。

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。

本发明自耦式模块化直流变压器拓扑如图8所示。直流变压器整体采用模块化结构设计。与传统模块化多电平电路所用的半桥、全桥等子模块相比，本专利所提出的新型二端口子模块均具有输入、输出两个端口。二端口子模块之间采用输入串联、输出串联的方式进行连接后，一次侧N极与二次侧P极相连，整体形成图8所示的自耦变结构。

所采用的新型二端口子模块拓扑如图9所示。如图9所示，所提出的新型二端口子模块拓扑包含6个开关管和1个储能电容。整个二端口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，以保证有效隔离。二端口子模块的一次侧和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。

二端口子模块工作原理

如图10所示，组成直流变压器的新型二端口子模块有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～VT6为图9中二端口子模块的开关，V_P1N1、V_P2N2为二端口子模块一次侧和二次侧的端口电压，V_C为二端口子模块电容电压。

表1为二端口子模块不同工作模式对应的开关状态和端口电压。

表1

结合图10和表1可知：

1)工作模式S1(第一工作模式)下，一次侧端口电压为电容电压V_C，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。

2)工作模式S2(第二工作模式)下，一次侧端口电压为电容电压0，二次侧端口电压为V_C。电容向二次侧负载放电。当二端口子模块持续工作于模式S2时，电容电压将持续下降。

3)工作模式S3(第三工作模式)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。

直流变压器工作原理

如图8所示，二端口子模块之间以输入串联输出串联的形式互相连接。二端口子模块组合后，其一次侧端口N极与二次侧P极相连。结合图10和表1所得结论，处于工作模式S1的二端口子模块其一次侧电压，与处于工作模式S2的二端口子二次侧电压，二者之和共同构成一次侧电压；处于工作模式S2的二端口子模块二次侧电压之和共同构成二次侧电压；工作模式S3对一次侧和二次侧电压均无贡献。

假设共有N个二端口子模块，其中工作于模式S1的二端口子模块共有N₁个，工作于模式S2的二端口子模块共有N₂个，则工作于模式S3的二端口子模块共有N-N₁-N₂个。假设电容电压为V_C，此时一次侧电压V₁为

V₁＝(N₁+N₂)V_C (1)

二次侧电压V₂为

V₂＝N₂V_C (2)

因此，变比k为：

由于一次侧电源电压为V_DC，因此工作于模式1的二端口子模块电容电压处于充电上升状态。电容电压充电完全后，V_C满足：

由于二次侧为电容为负载供电，因此工作模式S2下的电容电压会逐步下降。一二次侧电压变化情况如图11中相邻虚线之间所示。

直流变压器的调制方法

由前述直流变压器工作原理可知，正常工作时，处于第一工作模式的二端口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V_Cm；处于第二工作模式的二端口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，不应让单一二端口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：给定的直流变压器两侧电压V₁和V₂，给定直流变压器工作频率f，根据式1-3确定工作于第一工作模式和第二工作模式的二端口子模块数量N₁、N₂和系统工作的开关周期；

步骤2：测量每个开关周期开始时刻(即上个周期结束时刻)各二端口子模块电容电压情况，并从高到低进行排序；

步骤3：选择二端口子模块电压最低的N₁个二端口子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式1；

步骤4：选择二端口子模块电压最高的N₂个二端口子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为模式2；

步骤5：测量本周期末各二端口子模块电容电压，转回步骤2。

由该调制方法，二端口子模块电容电压波形如图11所示，二端口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二端口子模块数量N₁、N₂。

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)

1.一种二端口子模块，其特征在于，包括：

一次侧机构；

二次侧机构，二次侧机构与一次侧机构电连接；

电容C，电容C分别与一次侧机构及二次侧机构电连接。

2.根据权利要求1所述的二端口子模块，其特征在于，一次侧机构包括：

开关管VT1，开关管VT1的发射极与二次侧机构电连接；

开关管VT2，开关管VT2的集电极与开关管VT1的集电极电连接；

开关管VT3，开关管VT3的集电极与开关管VT2的发射极电连接，开关管VT3的发射极与二次侧机构电连接；

电容C的一端与开关管VT1的发射极电连接，电容C的另一端与开关管VT3的发射极电连接。

3.根据权利要求2所述的二端口子模块，其特征在于，二次侧机构包括：

开关管VT4，开关管VT4的集电极与开关管VT1的发射极电连接；

开关管VT5，开关管VT5的集电极与开关管VT4的发射极电连接；

开关管VT6，开关管VT6的发射极与开关管VT5的发射极电连接，开关管VT6的集电极与开关管VT3的发射极电连接；

电容C的一端与开关管VT4的集电极电连接，电容C的另一端与开关管VT6的集电极电连接。

4.根据权利要求3所述的二端口子模块，其特征在于，二端口子模块具有3种工作模式：

第一工作模式，一次侧机构开关管VT1、VT3导通，VT2断开；二次侧机构开关管VT5导通，VT4、VT6断开；

第二工作模式，一次侧机构开关管VT2导通，VT1、VT3断开；二次侧机构开关管VT4、VT6导通，VT5断开；

第三工作模式，一次侧机构开关管VT2导通，VT1、VT3断开；二次侧机构开关管VT5导通，VT4、VT6断开。

5.一种自耦式模块化直流变压器，其特征在于，包括多个二端口子模块，多个二端口子模块之间通过输入串联输出串联方式连接；其中

二端口子模块为如权利要求1至权利要求5任意一项所述的二端口子模块。

6.根据权利要求5所述的自耦式模块化直流变压器，其特征在于，组合后的多个二端口子模块整体的输入端口与输出端口以串联的形式互相连接。

7.根据权利要求6所述的自耦式直流变压器，其特征在于，自耦式模块化直流变压器的输入端口的未与输出端口直连的端点，将端点引出并串联平波电抗器后作为变压器第一一次侧输出端口端点；

自耦式模块化直流变压器的输入端口与输出端口相连接部分，从该部分引出并串联一只平波电抗器后作为第一二次侧端口端点；

自耦式模块化直流变压器的输出端口的未与输入端口相连的端点，将端点引出并串联平波电抗器后作为第二一次侧端口端点和第二二次侧端口端点。

8.一种自耦式模块化直流变压器的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，测量各二端口子模块的电容C的电压值，并将测得的电压值进行排序；

步骤2，获取工作在第一工作模式下的二端口子模块数量N₁和工作在第二工作模式下的二端口子模块数量N₂；

步骤3，测量本周期末各二端口子模块的电容C的电压值，返回步骤1。

9.根据权利要求8所述的自耦式模块化直流变压器的调制方法，其特征在于，步骤1包括：

步骤1.1，测量每个开关周期开始时刻的各二端口子模块的电容C的电压值；

步骤1.2，并将测得的电压值从高到低进行排序，形成电压值表。

10.根据权利要求8所述的自耦式模块化直流变压器的调制方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1，从电压值表中选择电容C的电压值最低的N₁个二端口子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为第一工作模式；

步骤2.2，从电压值表中选择电容C的电压值最高的N₂个二端口子模块，将其在本开关周期内的工作模式设置为第二工作模式。

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