CN111049389A - 一种直流变压器 - Google Patents

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燕翚
朱宁辉
顾然
张加林
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Abstract

本发明提供一种直流变压器，位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；多个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；多个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；质量和占地面积均较小，且成本低；大大减少了直流变压子单元的层数，减小了占地面积，且节省了成本，能够满足单向功率流动的应用场景。

Description

一种直流变压器
技术领域
本发明涉及直流输配电技术领域，具体涉及一种直流变压器。
背景技术
在交流电网中，电压变换及能量传递仅通过工频变压器即可实现。但直流电网必须依靠电力电子设备实现不同电网之间的电压匹配和能量交互。
直流变压器的拓扑结构主要有MMC型拓扑、超高压器件型拓扑和ISOP型拓扑。其中ISOP型拓扑应用最为广泛，ISOP型拓扑通过多个高频变压器实现不同电网间的电气隔离及电压匹配。中压侧串联结构解决了功率半导体器件耐压低与电网高电压之间的矛盾，而输出侧并联在低压直流母线上，实现大电流输出。
在直流变压器中每层DC/DC子单元可采用双有源桥式电路(Dual Active BridgeConverter，DAB)式结构、CLLC型结构、LLC型结构等。ISOP拓扑结构的DC/DC子单元不能实现高压侧故障隔离，通常在DC/DC模块高压侧增加SC模块实现高压侧故障隔离，但是直流变压器级联层数多，质量和占地面积均比较大，且成本高。
发明内容
为了克服上述现有技术中直流变压器质量和占地面积均比较大以及成本高的不足，本发明提供一种直流变压器，位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；多个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；多个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡,质量和占地面积均较小，且成本低。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种直流变压器，位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；
所述多个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；
所述多个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；
所述直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；
所述DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，所述故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；
所述故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡。
所述多个直流变压子单元的输入端采用并联方式，且输出端采用串联方式。
所述多个直流变压子单元的输入端和输出端均采用串联方式。
所述故障隔离电压均衡模块包括旁路开关K、第一IGBT模块、第二IGBT模块、电压均衡支路和直流支撑电容支路；
所述旁路开关K、电压均衡支路和直流支撑电容支路均连接到正极高压直流母线和负极高压直流母线之间，所述第一IGBT模块串联在正极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间，所述第二IGBT模块串联在负极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间。
所述电压均衡支路包括IGBT支路和LC支路；
所述IGBT支路包括多个首尾相连的IGBT模块，每个IGBT模块包括两个首尾相连的上IGBT和下IGBT；
所述LC支路包括比IGBT模块少一个的LC谐振模块，多个LC谐振模块串联，且每个LC谐振模块包括谐振电感和与谐振电感串联的谐振电容；
每个LC谐振模块的两端分别与相邻两个IGBT模块的中间引出点连接。
所述直流支撑电容支路包括与IGBT模块个数相同的直流支撑电容；
所有直流支撑电容正负极首尾相连，每个直流支撑电容与相应的IGBT模块并联，且每个直流支撑电容的正极连接上IGBT的集电极，其负极连接下IGBT的发射极。
所述第一IGBT模块包括第一IGBT和与第一IGBT反并联的二极管D1；
所述第二IGBT模块包括第二IGBT和与第二IGBT反并联的二极管D2。
所述DC/DC换流器采用LLC型换流器、DAB型换流器或CLLC型换流器，其包括串联的高压侧换流器、高频变压器和低压侧换流器。
所述高压侧换流器和低压侧换流器均为H桥变流器；
所述高压侧换流器的每个桥臂包括IGBT和与IGBT反并联的二极管；
所述低压侧换流器的每个桥臂包括二极管。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的直流变压器位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；多个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；多个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡，大大减少了直流变压子单元的层数，减小了占地面积，且降低了成本；
本发明提供的直流变压器中的多个直流变压子单元的输入端和输出端均采用串联方式，其中，输入端连接低压直流母线，输出端连接中压直流母线，满足耐压等级要求，功率配置相对灵活；
本发明提供的直流变压器中的多个直流变压子单元的输入端采用并联方式，且连接低压直流母线，满足大功率要求；多个直流变压子单元的输出端采用串联方式，且连接中压直流母线，满足耐压等级要求；
本发明中的直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，所述故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡，质量和占地面积均较小，且成本低；
本发明提供的直流变压子单元适用于单向功率流动的应用场景，能够实现电压从低压到中压的变换；
本发明提供的直流变压器能够实现中压侧故障的自动隔离，同时还可避免旁路开关闭合对电容器放电短路冲击；
本发明提供的直流变压器出现中压侧故障情况下，IGBT模块内部反并联的二极管自动阻断直流变压子单元内部电容不向故障点放电，且可以维持直流变压子单元正常工作；
本发明中的旁路开关K闭合时，由于第一IGBT模块和第二IGBT模块工作于反并联二极管模式，可保证旁路开关K闭合过程不会出现过电流；
本发明提供的直流变压器与光伏升压系统级联，提高了功率传输效率，且具备宽电压增益范围；
本发明提供的直流变压器中直流变压子单元的层数可以根据直流变压器额定功率的变化而调整，不再是固定层数，进一步缩小了设备体积和成本。
附图说明
图1是本发明实施例中直流变压子单元结构图；
图2是本发明实施例中直流变压器一种结构图；
图3是本发明实施例中直流变压器另一种结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种直流变压器，如图2所示，位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；本发明实施例1采用k个直流变压子单元；
k个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；k个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；具体为：k个直流变压子单元的输入端采用并联方式，且输出端采用串联方式。
如图1所示，直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；
DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；
故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡。
故障隔离电压均衡模块包括旁路开关K、第一IGBT模块、第二IGBT模块、电压均衡支路和直流支撑电容支路；
旁路开关K、电压均衡支路和直流支撑电容支路均连接到正极高压直流母线和负极高压直流母线之间，第一IGBT模块串联在正极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间，所述第二IGBT模块串联在负极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间。
电压均衡支路包括IGBT支路和LC支路；
IGBT支路包括多个首尾相连的IGBT模块，每个IGBT模块包括两个首尾相连的IGBT1和IGBT2；
LC支路包括比IGBT模块少一个的LC谐振模块，多个LC谐振模块串联，且每个LC谐振模块包括谐振电感和与谐振电感串联的谐振电容；
每个LC谐振模块的两端分别与相邻两个IGBT模块的中间引出点连接。
直流支撑电容支路包括与IGBT模块个数相同的直流支撑电容；
所有直流支撑电容正负极首尾相连，每个直流支撑电容与相应的IGBT模块并联，且每个直流支撑电容的正极连接IGBT1的集电极，其负极连接IGBT2的发射极。
如图1所示，本发明实施例1以DC/DC换流器的左侧低压端为输入端，以故障隔离电压均衡模块的右侧中压端为输出端，实现低压到中压的转换，光伏发电系统包括光伏阵列和MPPT模块，MPPT模块采用Boost电路，光伏发电系统输出电压与DC/DC换流器低压侧电压相匹配。K为旁路开关，C4为第一IGBT模块，C5是第二IGBT模块，Ci1、Ci2、……、Cin为直流支撑电容支路中的n个直流支撑电容，Cr1为LC支路中的第一个LC谐振模块的谐振电容，Lr1为LC支路中第一个LC谐振模块的谐振电感，LC支路中谐振电容的个数和谐振电感的个数相同，设为m个；C1a、C1b为IGBT支路中第一个IGBT模块，C1a称为第一个IGBT模块的上IGBT，C1b称为第一个IGBT模块的下IGBT，以此类推，Cna、Cnb为IGBT支路中第n个IGBT模块，即最后一个IGBT模块，IGBT支路中所有IGBT模块首尾依次相连，即第一个IGBT模块的上IGBT的发射极连接第一个IGBT模块的下IGBT的集电极，第一个IGBT模块的下IGBT的发射极连接第二个IGBT模块的上IGBT的集电极，以此类推，第n个IGBT模块的上IGBT的发射极连接第n个IGBT模块的下IGBT的集电极，第n个IGBT模块的下IGBT的集电极连接C5的发射极，同时连接第n个直流支撑电容，LC谐振模块的个数比IGBT模块的个数少1个，即m＝n-1。
第一IGBT模块包括第一IGBT和与第一IGBT反并联的二极管D1；
第二IGBT模块包括第二IGBT和与第二IGBT反并联的二极管D2。
本发明实施例1中的DC/DC换流器采用LLC型换流器、DAB型换流器或CLLC型换流器，其包括串联的高压侧换流器、高频变压器和低压侧换流器；
高压侧换流器和低压侧换流器均为H桥变流器；
高压侧换流器的每个桥臂包括IGBT和与IGBT反并联的二极管；
低压侧换流器的每个桥臂包括二极管。
上述直流变压子单元能够满足单向功率流动的应用场景，即实现电压从低压到中压的转换，具体如下：
a)C4和C5一直触发，C4和C5内部反并联的二极管自然关断，使C4和C5内部的IGBT反向通流。当出现高压侧故障时，封锁C4和C5，其反并联的二极管自动阻断直流变压子单元内部电容器不向高压故障点放电，实现直流变压器的中压故障穿越功能；
b)谐振电容(Cr1～Crm)和谐振电感(Lr1～Lrm)，构造成与IGBT支路开关频率匹配的LC支路。按照一定比例的占空比，控制IGBT支路(C1a/b～Cna/b)的导通和关闭，实现直流支撑电容(Ci1～Cin)的均压；
c)当直流变压子单元内部任意器件出现故障后，首先封锁IGBT的触发脉冲，同时通过控制旁路开关K旁路本层，以保证剩余子单元仍能正常工作。旁路开关K闭合时，由于已经封锁了C4和C5内部IGBT的触发脉冲，C4和C5内部的反并联二极管可保证旁路开关闭合过程不会出现过电流。
实施例2
本发明实施例2提供一种直流变压器，如图3所示，位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；本发明实施例2包括k个直流变压子单元；
k个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；k个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；具体为k个直流变压子单元的输入端和输出端均采用串联方式。
如图1所示，直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；
DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；
故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡。
故障隔离电压均衡模块包括旁路开关K、第一IGBT模块、第二IGBT模块、电压均衡支路和直流支撑电容支路；
旁路开关K、电压均衡支路和直流支撑电容支路均连接到正极高压直流母线和负极高压直流母线之间，第一IGBT模块串联在正极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间，所述第二IGBT模块串联在负极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间。
电压均衡支路包括IGBT支路和LC支路；
IGBT支路包括多个首尾相连的IGBT模块，每个IGBT模块包括两个首尾相连的IGBT1和IGBT2；
LC支路包括比IGBT模块少一个的LC谐振模块，多个LC谐振模块串联，且每个LC谐振模块包括谐振电感和与谐振电感串联的谐振电容；
每个LC谐振模块的两端分别与相邻两个IGBT模块的中间引出点连接。
直流支撑电容支路包括与IGBT模块个数相同的直流支撑电容；
所有直流支撑电容正负极首尾相连，每个直流支撑电容与相应的IGBT模块并联，且每个直流支撑电容的正极连接IGBT1的集电极，其负极连接IGBT2的发射极。
如图1所示，本发明实施例1以DC/DC换流器的左侧低压端为输入端，以故障隔离电压均衡模块的右侧中压端为输出端，实现低压到中压的转换，光伏发电系统包括光伏阵列和MPPT模块，MPPT模块采用Boost电路，光伏发电系统输出电压与DC/DC换流器低压侧电压相匹配。K为旁路开关，C4为第一IGBT模块，C5是第二IGBT模块，Ci1、Ci2、……、Cin为直流支撑电容支路中的n个直流支撑电容，Cr1为LC支路中的第一个LC谐振模块的谐振电容，Lr1为LC支路中第一个LC谐振模块的谐振电感，LC支路中谐振电容的个数和谐振电感的个数相同，设为m个；C1a、C1b为IGBT支路中第一个IGBT模块，C1a称为第一个IGBT模块的上IGBT，C1b称为第一个IGBT模块的下IGBT，以此类推，Cna、Cnb为IGBT支路中第n个IGBT模块，即最后一个IGBT模块，IGBT支路中所有IGBT模块首尾依次相连，即第一个IGBT模块的上IGBT的发射极连接第一个IGBT模块的下IGBT的集电极，第一个IGBT模块的下IGBT的发射极连接第二个IGBT模块的上IGBT的集电极，以此类推，第n个IGBT模块的上IGBT的发射极连接第n个IGBT模块的下IGBT的集电极，第n个IGBT模块的下IGBT的集电极连接C5的发射极，同时连接第n个直流支撑电容，LC谐振模块的个数比IGBT模块的个数少1个，即m＝n-1。
第一IGBT模块包括第一IGBT和与第一IGBT反并联的二极管D1；
第二IGBT模块包括第二IGBT和与第二IGBT反并联的二极管D2。
本发明实施例1中的DC/DC换流器采用LLC型换流器、DAB型换流器或CLLC型换流器，其包括串联的高压侧换流器、高频变压器和低压侧换流器；
高压侧换流器和低压侧换流器均为H桥变流器；
高压侧换流器的每个桥臂包括IGBT和与IGBT反并联的二极管；
低压侧换流器的每个桥臂包括二极管。
上述直流变压子单元能够满足单向功率流动的应用场景，即实现电压从低压到中压的转换，具体如下：
a)C4和C5一直触发，C4和C5内部反并联的二极管自然关断，使C4和C5内部的IGBT反向通流。当出现高压侧故障时，封锁C4和C5，其反并联的二极管自动阻断直流变压子单元内部电容器不向高压故障点放电，实现直流变压器的中压故障穿越功能；
b)谐振电容(Cr1～Crm)和谐振电感(Lr1～Lrm)，构造成与IGBT支路开关频率匹配的LC支路。按照一定比例的占空比，控制IGBT支路(C1a/b～Cna/b)的导通和关闭，实现直流支撑电容(Ci1～Cin)的均压；
c)当直流变压子单元内部任意器件出现故障后，首先封锁IGBT的触发脉冲，同时通过控制旁路开关K旁路本层，以保证剩余子单元仍能正常工作。旁路开关K闭合时，由于已经封锁了C4和C5内部IGBT的触发脉冲，C4和C5内部的反并联二极管可保证旁路开关闭合过程不会出现过电流。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流变压器，其特征在于，位于低压直流母线和中压直流母线之间，其包括多个直流变压子单元；
所述多个直流变压子单元的输入端依次连接，且连接低压直流母线；
所述多个直流变压子单元的输出端依次连接，且连接中压直流母线；
所述直流变压子单元包括DC/DC换流器和故障隔离电压均衡模块；
所述DC/DC换流器的输入端连接低压直流母线，其输出端连接故障隔离电压均衡模块的输入端，所述故障隔离电压均衡模块的输出端连接中压直流母线；
所述故障隔离电压均衡模块用于隔离来自于高压直流母线/低压直流母线的故障，并实现电压均衡。
2.根据权利要求1所述的直流变压器，其特征在于，所述多个直流变压子单元的输入端采用并联方式，且输出端采用串联方式。
3.根据权利要求1所述的直流变压器，其特征在于，所述多个直流变压子单元的输入端和输出端均采用串联方式。
4.根据权利要求1所述的直流变压器，其特征在于，所述故障隔离电压均衡模块包括旁路开关K、第一IGBT模块、第二IGBT模块、电压均衡支路和直流支撑电容支路；
所述旁路开关K、电压均衡支路和直流支撑电容支路均连接到正极高压直流母线和负极高压直流母线之间，所述第一IGBT模块串联在正极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间，所述第二IGBT模块串联在负极高压直流母线上，且位于旁路开关K与电压均衡支路之间。
5.根据权利要求4所述的直流变压器，其特征在于，所述电压均衡支路包括IGBT支路和LC支路；
所述IGBT支路包括多个首尾相连的IGBT模块，每个IGBT模块包括两个首尾相连的上IGBT和下IGBT；
所述LC支路包括比IGBT模块少一个的LC谐振模块，多个LC谐振模块串联，且每个LC谐振模块包括谐振电感和与谐振电感串联的谐振电容；
每个LC谐振模块的两端分别与相邻两个IGBT模块的中间引出点连接。
6.根据权利要求5所述的直流变压器，其特征在于，所述直流支撑电容支路包括与IGBT模块个数相同的直流支撑电容；
所有直流支撑电容正负极首尾相连，每个直流支撑电容与相应的IGBT模块并联，且每个直流支撑电容的正极连接上IGBT的集电极，其负极连接下IGBT的发射极。
7.根据权利要求4所述的直流变压器，其特征在于，所述第一IGBT模块包括第一IGBT和与第一IGBT反并联的二极管D1；
所述第二IGBT模块包括第二IGBT和与第二IGBT反并联的二极管D2。
8.根据权利要求1所述的直流变压器，其特征在于，所述DC/DC换流器采用LLC型换流器、DAB型换流器或CLLC型换流器，其包括串联的高压侧换流器、高频变压器和低压侧换流器。
9.根据权利要求8所述的直流变压器，其特征在于，所述高压侧换流器和低压侧换流器均为H桥变流器；
所述高压侧换流器的每个桥臂包括IGBT和与IGBT反并联的二极管；
所述低压侧换流器的每个桥臂包括二极管。
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CN117175920A (zh) * 2023-09-01 2023-12-05 国网经济技术研究院有限公司 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器
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