CN111010045B - 一种直流配电网用双有源桥变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流配电网用双有源桥变换器，中压侧H桥变换器的两个正极和负极之间的两条电路分别与变压器集成电感和变压器一次侧绕组串联在一起；低压侧H桥变换器的两个正极和负极之间的两条电路分别连接于变压器二次侧绕组的两端；变压器集成电感绕制在变压器低损耗超薄硅钢片铁心的一侧；变压器一次侧绕组绕制在低损耗超薄硅钢片铁心的中间侧；变压器二次侧绕组绕制在低损耗超薄硅钢片铁心的另一侧。本发明系统稳定性、结构简单，具有饱和磁感应强度高、磁导率高、居里温度高和成本低的优点。

Description

一种直流配电网用双有源桥变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种用以电气工程领域电源或直流配电网的能量传输等的直流配电网用双有源桥变换器。
背景技术
近年来随着电力电子变流技术、控制技术的迅速发展，智能电网在全世界范围内得到了应用与推广，尤其是能源供需方式发生变化后，工业、农业、生活等对用电需求、电能质量和供电可靠性提出了更高的要求。因此，当前交流配电网面临着分布式新能源大力接入、用户侧需求多样化、电能供应质量及高效性和可靠性挑战。
有一种配电网—直流配电网省去了AC-DC变换环节，更加便于分布式发电、储能、变频调速装置的接入，相比较传统交流电网将更加高效。作为直流配电网的主要环节之一的双有源桥变换器也称电力电子变压器，通过在原边和副边引入电力电子转换器对一次侧和二次侧的电压的幅值和相位进行实时的数字控制，相对于传统的电力变压器，电力电子变压器可以更加精确、灵活、稳定以及可靠地对输出端进行调节。电力电子变压器所拥有的优势以及特点，其可以对诸多环境中许多较难解决的问题有很好的应用解决。
直流配电网具有优化配电网结构和效率、提高输送容量、改善用户侧电能质量、可再生能源灵活便捷接入等优势。然而相比于直流配电网，目前交流配电网的运行控制技术更加成熟，且能够通过工频变压器实现电压变换与电气隔离。直流配电网不能像交流配电网中可直接通过工频磁耦合变压器实现变压与隔离，因此高性能隔离性直流变换器成为制约直流配电网发展的重要因素之一。
同时，目前现有的DC-DC变换器大多采用高频变压器，铁心采用铁氧体磁芯，其饱和磁通密度低、磁导率低、居里温度低、成本高，限制了DC-DC变换器向大功率、高功率密度方向的发展。
发明内容
发明目的
本发明提供直流配电网用双有源桥变换器，用于实现中压侧电网与低压侧电网能量的双向流动，目的在于调节电网侧与用户侧电能的传递，增加传统双有源桥变换器的单机容量、提高系统的稳定性、降低系统的成本。
技术方案
一种直流配电网用双有源桥变换器，包括中压直流输电网、中压侧滤波电容、中压侧H桥变换器、变压器、低压侧H桥变换器、低压侧滤波电容和低压直流输电网，变压器包括变压器集成电感、变压器一次侧绕组、低损耗超薄硅钢片铁心和变压器二次侧绕组；
所述中压直流输电网(1)的正极同时连接有中压侧滤波电容(2)的一端和中压侧H桥变换器(3)的正极，中压直流输电网(1)的负极同时连接有中压侧滤波电容(2)的另一端和中压侧H桥变换器(3)的负极，中压侧H桥变换器(3)的两个正极和负极之间的两条电路分别与变压器集成电感(4)和变压器一次侧绕组(5)串联在一起；
所述低压直流输电网(12)的正极同时连接有低压侧滤波电容(10)的一端和低压侧H桥变换器(9)的正极，所述低压直流输电网(12)的负极同时连接有低压侧滤波电容(10)的另一端和低压侧H桥变换器(9)的负极，低压侧H桥变换器(9)的两个正极和负极之间的两条电路分别连接于变压器二次侧绕组(7)的两端；
所述变压器集成电感绕制在变压器低损耗超薄硅钢片铁心的一侧；变压器一次侧绕组绕制在低损耗超薄硅钢片铁心的中间侧；变压器二次侧绕组绕制在低损耗超薄硅钢片铁心的另一侧。
连接中压侧H桥变换器与变压器集成电感的线路上设有电容。
中压侧H桥变换器包括有电容、IGBT和二极管，中压侧H桥变换器的H型的4条垂直腿处皆设有一组IGBT和二极管，每组IGBT和二极管是并联在一起的，与中压直流输电网正极相连的是第一IGBT、第一二极管、第二IGBT和第二二极管，与中压直流输电网负极相连的是第三IGBT、第三二极管、第四IGBT和第四二极管，第一IGBT、第一二极管、第三IGBT和第三二极管位于H桥变换器H型的相同侧垂直腿，第二IGBT、第二二极管、第四IGBT和第四二极管位于H桥变换器H型的另一侧相同侧垂直腿，第一IGBT、第一二极管、第三IGBT和第三二极管与电容连接。
低压侧H桥变换器的H型的4条垂直腿处皆设有一组IGBT和二极管，每组IGBT和二极管是并联在一起的，与低压直流输电网正极相连的是第五IGBT、第五二极管、第六IGBT和第六二极管，与低压直流输电网负极相连的是第七IGBT、第七二极管、第八IGBT和第八二极管，第六IGBT、第六二极管、第八IGBT和第八二极管位于低压侧H桥变换器H型的相同侧垂直腿，第五IGBT、第五二极管、第七IGBT和第七二极管位于低压侧H桥变换器H型的另一侧相同侧垂直腿。
直流配电网用双有源桥变换器还包括有驱动器，驱动器与第一IGBT基极、第二IGBT基极、第三IGBT基极、第四IGBT基极、第五IGBT基极、第六IGBT基极、第七IGBT基极和第八IGBT基极连接。
所述低损耗超薄硅钢片铁心的厚度为0.08mm。
所述低损耗超薄硅钢片铁心的化学成分为：Si：3.2wt％，C：0.05wt％，Mn：0.1wt％，P：0.03wt％，S：0.25wt％，Al：7wt％，余量为Fe，低损耗超薄硅钢片铁心是经过冷轧工艺制作成的低损耗产品。
一种使用如所述的直流配电网用双有源桥变换器于直流配电网系统的调节方法，当中压直流输电网功率由中压侧向低压侧传递时，中压侧H桥变换器开始工作，电流流入变压器中后，流入低压侧H桥变换器，进入到低压直流输电网中，完成中压直流输电网功率向低压直流输电网的传递，低压直流输电网功率向中压直流输电网的传递与中压直流输电网功率向低压直流输电网的传递一致。
优点及效果
本发明提出的一种直流配电网用双有源桥变换器，用低损耗超薄硅钢片铁心代替铁氧体磁芯，具有饱和磁感应强度高、磁导率高、居里温度高、成本低的优点；同时，本发明提出的新式拓扑结构，其变压器集成电感更加便于利用，在LLC谐振能量传输模式下使系统更加稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：
1、中压直流输电网，2、中压侧滤波电容，3、中压侧H桥变换器，4、变压器集成电感，5、变压器一次侧绕组，6、低损耗超薄硅钢片铁心，7、变压器二次侧绕组，8、变压器，9、低压侧H桥变换器，10、低压侧滤波电容，11、驱动器，12、低压直流输电网，13、第三IGBT，14、第三二极管，15、第八IGBT，16、第八二极管，17、第四IGBT，18、第四二极管，19、第一IGBT，20、第一二极管，21、第二IGBT，22、第二二极管，23、第五IGBT，24、第五二极管，25、第六IGBT，26、第六二极管，27、第七IGBT，28、第七二极管。
具体实施方式
下面结合具体实施对本实用新型的技术方案进行进一步详细地说明，本实用新型所述的技术特征或连接关系没有进行详细描述的部分均为采用的现有技术。
如图1所示，一种直流配电网用双有源桥变换器，包括中压直流输电网1、中压侧滤波电容2、中压侧H桥变换器3、变压器8、低压侧H桥变换器9、低压侧滤波电容10和低压直流输电网12，变压器8包括变压器集成电感4、变压器一次侧绕组5、低损耗超薄硅钢片铁心6和变压器二次侧绕组7；
所述中压直流输电网1的正极同时连接有中压侧滤波电容2的一端和中压侧H桥变换器3的正极，中压直流输电网1的负极同时连接有中压侧滤波电容2的另一端和中压侧H桥变换器3的负极，中压侧H桥变换器3包括有电容29、IGBT和二极管，中压侧H桥变换器3的H型的4条垂直腿处皆设有一组IGBT和二极管，每组IGBT和二极管是并联在一起的，与中压直流输电网1正极相连的是第一IGBT 19、第一二极管20、第二IGBT 21和第二二极管22，与中压直流输电网1负极相连的是第三IGBT 13、第三二极管14、第四IGBT17和第四二极管18，第一IGBT19、第一二极管20、第三IGBT13和第三二极管14位于H桥变换器3H型的相同侧垂直腿，第二IGBT 21、第二二极管22、第四IGBT17和第四二极管18位于H桥变换器3H型的另一侧相同侧垂直腿，第一IGBT19、第一二极管20、第三IGBT13和第三二极管14与电容29连接，电容29的另一端与变压器集成电感4的一端连接，4的另一端连接第二IGBT 21、第二二极管22、第四IGBT17和第四二极管18。
低压直流输电网12的正极同时连接有低压侧滤波电容10的一端和低压侧H桥变换器9的正极，所述低压直流输电网12的负极同时连接有低压侧滤波电容10的另一端和低压侧H桥变换器9的负极，低压侧H桥变换器9的H型的4条垂直腿处皆设有一组IGBT和二极管，每组IGBT和二极管是并联在一起的，与低压直流输电网12正极相连的是第五IGBT23、第五二极管24、第六IGBT25和第六二极管26，与低压直流输电网12负极相连的是第七IGBT27、第七二极管28、第八IGBT15和第八二极管16，第六IGBT25、第六二极管26、第八IGBT15和第八二极管16位于低压侧H桥变换器9H型的相同侧垂直腿，第五IGBT23、第五二极管24、第七IGBT27和第七二极管28位于低压侧H桥变换器9H型的另一侧相同侧垂直腿。变压器二次侧绕组7的一端连接第六IGBT25、第六二极管26、第八IGBT15和第八二极管16，变压器二次侧绕组7的令一端连接第五IGBT23、第五二极管24、第七IGBT27和第七二极管28。
变压器集成电感4绕制在变压器低损耗超薄硅钢片铁心6的一侧；变压器一次侧绕组5绕制在低损耗超薄硅钢片铁心6的中间侧；变压器二次侧绕组7绕制在低损耗超薄硅钢片铁心6的另一侧。低损耗超薄硅钢片铁心6的厚度为0.08mm，化学成分为：Si：3.2wt％，C：0.05wt％，Mn：0.1wt％，P：0.03wt％，S：0.25wt％，Al：7wt％，余量为Fe，低损耗超薄硅钢片铁心6是经过冷轧工艺制作成的低损耗产品，在频率5kHz、磁通密度1.7T时，比损耗为0.79W/kg。
直流配电网用双有源桥变换器还包括有驱动器11，驱动器11与第一IGBT19基极、第二IGBT21基极、第三IGBT13基极、第四IGBT17基极、第五IGBT23基极、第六IGBT25基极、第七IGBT27基极和第八IGBT15基极连接。
该双有源桥变换器的变压器只用变压器集成电感4、变压器一次侧绕组5、低损耗超薄硅钢片铁心6、变压器二次侧绕组7即可实现传统双有源桥变换器全部功能，具有结构简单、成本低的优点。
使用如上述的直流配电网用双有源桥变换器于直流配电网系统的调节方法，当中压直流输电网1功率由中压侧向低压侧传递时，中压侧H桥变换器3开始工作，电流流入由变压器集成电感4、变压器一次侧绕组5、低损耗超薄硅钢片铁心6、变压器二次侧绕组7组成的变压器8中后，流入低压侧H桥变换器9，进入到低压直流输电网12中，完成中压直流输电网1功率向低压直流输电网12的传递，低压直流输电网12功率向中压直流输电网1的传递与中压直流输电网1功率向低压直流输电网12的传递一致。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：包括中压直流输电网（1）、中压侧滤波电容（2）、中压侧H桥变换器（3）、变压器（8）、低压侧H桥变换器（9）、低压侧滤波电容（10）和低压直流输电网（12），变压器（8）包括变压器集成电感（4）、变压器一次侧绕组（5）、低损耗超薄硅钢片铁心（6）和变压器二次侧绕组（7）；
所述中压直流输电网（1）的正极同时连接有中压侧滤波电容（2）的一端和中压侧H桥变换器（3）的正极，中压直流输电网（1）的负极同时连接有中压侧滤波电容（2）的另一端和中压侧H桥变换器（3）的负极，中压侧H桥变换器（3）的两个正极和负极之间的两条电路分别与变压器集成电感（4）和变压器一次侧绕组（5）串联在一起；
所述低压直流输电网（12）的正极同时连接有低压侧滤波电容（10）的一端和低压侧H桥变换器（9）的正极，所述低压直流输电网（12）的负极同时连接有低压侧滤波电容（10）的另一端和低压侧H桥变换器（9）的负极，低压侧H桥变换器（9）的两个正极和负极之间的两条电路分别连接于变压器二次侧绕组（7）的两端；
所述变压器集成电感（4）绕制在变压器低损耗超薄硅钢片铁心（6）的一侧；变压器一次侧绕组（5）绕制在低损耗超薄硅钢片铁心（6）的中间侧；变压器二次侧绕组（7）绕制在低损耗超薄硅钢片铁心（6）的另一侧。
2.根据权利要求1所述的直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：连接中压侧H桥变换器（3）与变压器集成电感（4）的线路上设有电容（29）。
3.根据权利要求2所述的直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：中压侧H桥变换器（3）包括有电容（29）、IGBT和二极管，中压侧H桥变换器（3）的H型的4条垂直腿处皆设有一组IGBT和二极管，每组IGBT和二极管是并联在一起的，与中压直流输电网（1）正极相连的是第一IGBT （19）、第一二极管（20）、第二IGBT （21）和第二二极管（22），与中压直流输电网（1）负极相连的是第三IGBT （13）、第三二极管（14）、第四IGBT（17）和第四二极管（18），第一IGBT（19）、第一二极管（20）、第三IGBT（13）和第三二极管（14）位于H桥变换器（3）H型的相同侧垂直腿，第二IGBT （21）、第二二极管（22）、第四IGBT（17）和第四二极管（18）位于H桥变换器（3）H型的另一侧相同侧垂直腿，第一IGBT（19）、第一二极管（20）、第三IGBT（13）和第三二极管（14）与电容（29）连接。
4.根据权利要求2或3所述的直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：低压侧H桥变换器（9）的H型的4条垂直腿处皆设有一组IGBT和二极管，每组IGBT和二极管是并联在一起的，与低压直流输电网（12）正极相连的是第五IGBT（23）、第五二极管（24）、第六IGBT（25）和第六二极管（26），与低压直流输电网（12）负极相连的是第七IGBT（27）、第七二极管（28）、第八IGBT（15）和第八二极管（16），第六IGBT（25）、第六二极管（26）、第八IGBT（15）和第八二极管（16）位于低压侧H桥变换器（9）H型的相同侧垂直腿，第五IGBT（23）、第五二极管（24）、第七IGBT（27）和第七二极管（28）位于低压侧H桥变换器（9）H型的另一侧相同侧垂直腿。
5.根据权利要求4所述的直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：直流配电网用双有源桥变换器还包括有驱动器（11），驱动器（11）与第一IGBT（19）基极、第二IGBT（21）基极、第三IGBT（13）基极、第四IGBT（17）基极、第五IGBT（23）基极、第六IGBT（25）基极、第七IGBT（27）基极和第八IGBT（15）基极连接。
6.根据权利要求1所述的直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：所述低损耗超薄硅钢片铁心（6）的厚度为0.08mm。
7.根据权利要求1或6所述的直流配电网用双有源桥变换器，其特征在于：所述低损耗超薄硅钢片铁心（6）的化学成分为：Si：3.2wt%，C：0.05 wt%，Mn：0.1 wt%，P：0.03 wt%，S：0.25 wt%，Al：7 wt%，余量为Fe，低损耗超薄硅钢片铁心（6）是经过冷轧工艺制作成的低损耗产品。
8.一种使用如权利要求1所述的直流配电网用双有源桥变换器于直流配电网系统的调节方法，其特征在于：当中压直流输电网（1）功率由中压侧向低压侧传递时，中压侧H桥变换器（3）开始工作，电流流入变压器（8）中后，流入低压侧H桥变换器（9），进入到低压直流输电网（12）中，完成中压直流输电网（1）功率向低压直流输电网（12）的传递，低压直流输电网（12）功率向中压直流输电网（1）的传递与中压直流输电网（1）功率向低压直流输电网（12）的传递一致。
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