CN116345550A - 基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，包括变换器单元、低压直流单元，变换器单元为三端口隔离型模块化多电平变换器，变换器单元输入端为低压直流端口，变换器单元输出端包括中压直流端口、中压交流端口，变换器单元的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元；本发明将隔离型模块化多电平变换器与真双极技术相结合，从而使系统不需要额外接入电压平衡器就能构建真双极性配电，可以实现单级式功率变换，同时消去了子模块高压侧的大电容及不需要均压控制。

Description

基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统
技术领域
本发明属于中低压直流配电技术领域，具体涉及基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统。
背景技术
直流配电技术凭借着其较高的供电容量及供电质量、高可靠性、DG可快速接入等优点，可以解决传统交流配电网正面临着供电容量不足、供电可靠性较低、无法实现区域间互联以及DG灵活接入等一系列问题。因此，在现有交流配电网基础上，利用电力电子变换装置，引入直流馈线，充分发挥电力电子变换装置可控性强以及直流输电效率高等各项优势，建立起基于直流馈线(DC-Link)的柔性互联配电网络具有广阔的前景。但是，目前大多使用交流电配电网，交流配电网存在着供电容量不足、供电可靠性较低、无法实现区域间互联以及DG灵活接入等问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，通过构建真双极低压直流母线端口，便于后续新能源技术接入，同时提供多种电压等级端口，应用面积广。
本发明所采用的技术方案是，基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，包括变换器单元、低压直流单元，变换器单元为三端口隔离型模块化多电平变换器，变换器单元输入端为低压直流端口，变换器单元输出端包括中压直流端口、中压交流端口，变换器单元的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元。
本发明的特点还在于：
低压直流单元包括正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)，正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)均连接变换器单元。
变换器单元包括三个并联的相单元，每个相单元包括上桥臂、下桥臂，每个上桥臂输入端通过真双极接线方式连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)，每个下桥臂输入端通过真双极接线方式连接电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)，每个相单元上桥臂的输出正极端相互连接，汇集成中压直流端口的正极，每个下桥臂输出负极端相互连接，汇集成中压直流端口的负极，每个相单元的上桥臂输出负极端与下桥臂输出正极端连接，且通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。
每个上桥臂与下桥臂均包括n个单级式高频隔离型子模块和一个桥臂电抗器Lm，n个单级式高频隔离型子模块的输入端均连接低压直流单元，n个单级式高频隔离型子模块的输出端依次连接，一个端部单级式高频隔离型子模块的输出端作为中压直流端口，另一个端部的单级式高频隔离型子模块输出端通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。
每个单级式高频隔离型子模块均包括一次侧部分、高频变压器部分和二次侧部分，一次侧部分、二次侧部分的一侧均为直流侧端口，另一侧为交流测端口，高频变压器部分的初级绕组和一次侧部分的交流侧端口连接，高频变压器部分的次级绕组和二次侧部分的交流侧端口相连，其中一次侧部分直流侧端口采取真双极接线方式作为公共低压直流端口连接低压直流单元，二次侧部分直流侧端口与其他单级式高频隔离型子模块二次侧直流侧端口串联。
一次侧部分包括一个电容CL和由四个开关管，第一开关管Q1的发射集连接第三开关管Q3的集电极，第一开关管Q1的集电极、第三开关管Q3的发射集分别连接在电容CL的两个极板上，第二开关管Q2的发射集连接第四开关管Q4的集电极，第三开关管Q3的集电极、第四开关管Q4的发射集分别连接在电容CL的两个极板上，第一开关管Q1的发射集、第二开关管Q2的发射集分别连接高频变压器部分初级绕组两端，电容CL的两个极板分别接出引线作为直流侧端口连接低压直流单元。
二次侧部分包括四个开关管和钳位电路，第五开关管Q5的发射集连接第七开关管Q7的集电极，第六开关管Q6的发射集连接第八开关管Q8的集电极，第五开关管Q5的发射集、第六开关管Q6的发射集分别连接高频变压器部分次级绕组两端，高频变压器部分次级绕组两端还连接钳位电路，用于抑制二次侧产生的冲击电压。
低压直流单元还包括DC/DC变换器、DC/AC变换器、光伏列阵、风伏列阵、储能系统、直流负载，直流负载通过一个DC/DC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)上，风伏列阵通过一个DC/AC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)上，储能系统、光伏列阵分别通过一个DC/DC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)。
本发明的有益效果是：
(1)不需要额外接入电压平衡器就能构建真双极性配电，本发明中采用真双极低压直流隔离型模块化多电平变换器，可以提供多种电压等级的双极性直流母线，避免了伪双极型直流端口带来的直流母线的单极电压不易稳定，供电可靠性较差的问题，从而可提供灵活的接入方式，适用范围更广，且直流侧各极可独立，同时因为采用双极性供电，使得系统较单极性供电绝缘等级下降一倍。通过改变上下桥臂的接线方式，使得系统不需要额外接入电压平衡器就能解决因为不对称负载导致的两极母线电压不平衡问题。
(2)本发明能够实现单级式功率变换，同时高压侧无电容。该变换器不含直流变换环节，实现了中压侧到低压侧的单级式变化，变换环节少，由此消除了DC-Link电容与MMC子模块中的缓冲电容和复杂的电容电压平衡控制策略，大幅度减小了变压器的体积和重量。
(3)本发明系统不需要子模块均压控制，与传统MMC相比，该拓扑省去了中压侧的大电容，而变成低压直流侧具有一个公共的电容，电容电压相当于端口电压，由于完全消除了子模块中压侧的独立电容，变换器中子模块的电压由高频变压器钳位，因此不需要高压侧的双向开关和复杂的换相控制策略。
附图说明
图1为本发明的基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统拓扑结构图；
图2为本发明单相的相单元拓扑结构图；
图3为本发明子模块拓扑结构图；
图中：PM-中压直流正极端口；
NM-中压直流负极端口；
(P-LVDC)-双极性低压直流正极端口；
(N-LVDC)-双极性低压直流负极端口；
a-中压交流A相端口；
b-中压交流B相端口；
c-中压交流C相端口；
Cellun-上桥臂子模块，(n代表子模块数量)；Cellln-下桥臂子模块，(n代表子模块数量)；Lm-电抗器；
Lf-滤波电感；
P1-储能电池；
E1-光伏阵列；
E2-直流负载；
E3-风伏发电机组；
Qn--相单元上下桥臂电连接点(n＝a，b，c)；CdcL-子模块一次侧电容；
T-高频变压器；
Q1～Q4-一次侧部分IGBT；
S1～S2-二次侧部分IGBT；
C-钳位电路电容；
R-钳位电路电阻；
PMa、PMb、PMc-a、b、c三相上桥臂侧正极；NMa、NMb、NMc-a、b、c三相下桥臂负极；Pc、Nc-钳位电路正负极端口。
图4为本发明中压交流端口电压环框图；
图5为本发明中压交流端口电流环框图；
图6为本发明中压直流端口电压环框图；
图7为本发明中压直流端口电流环框图；
图8为本发明低压直流端口电压环框图；
图9为本发明低压直流端口电流环框图；
图10为本发明simulink仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，如图1所示，1即为本发明直流系统拓扑结构，包括变换器单元2、低压直流单元9，变换器单元2为三端口隔离型模块化多电平变换器，变换器单元2输入端为低压直流端口，变换器单元2输出端包括中压直流端口(PM、NM)、中压交流端口(Va、Vb、Vc)，变换器单元2的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元9。
本发明中使用真双极接线方式可以提供多种电压等级的双极性直流母线，提高了供电可靠性以及提供了更灵活的接入方式，且直流侧各极可独立，同时因为采用双极性供电，使得系统较单极性供电绝缘等级下降一倍。
该系统采用单级式高频隔离型变换器，具有三个端口，该系统以10kV交流、10KV直流和±375V直流端口间的电能变换电路为PET的主体部分，并以±375V真双极直流母线为电能枢纽，其余低压端口可由±375V直流母线进行DC-DC或DC-AC变换得到，PET采用了单级式高频隔离型变换器。
低压直流单元9包括正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)，正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)均连接变换器单元2。
变换器单元2包括三个在中压直流端口(PM、NM)之间并联的相单元3，如图2所示，每个相单元3包括上桥臂、下桥臂，每个上桥臂输入端通过真双极接线方式连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)，每个下桥臂输入端通过真双极接线方式连接电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)，每个相单元3上桥臂的输出正极端(PMa、PMb、PMc)相互连接，汇集成中压直流端口的正极，每个下桥臂输出负极端(NMa、NMb、NMc)相互连接，汇集成中压直流端口的负极，每个相单元3的上桥臂输出负极端与下桥臂输出正极端连接，且通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口(a、b、c)。
每个上桥臂与下桥臂均包括n个单级式高频隔离型子模块4和一个桥臂电抗器Lm，采用单级式高频隔离型子模块4既能消除双级式能源路由器所需的独立电容，避免复杂的均压控制，又提高了装置的功率密度，n个单级式高频隔离型子模块4的输入端均连接低压直流单元9，n个单级式高频隔离型子模块4的输出端依次连接，一个端部单级式高频隔离型子模块4的输出端作为中压直流端口，另一个端部的单级式高频隔离型子模块4输出端通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。
单级式高频隔离型子模块4输入侧采用真双极连线方式、输出侧采用并联的连接方式，既可匹配10kV交流电网接入的电压要求，又使低压直流侧电流应力得到满足。
如图3所示，每个单级式高频隔离型子模块4均包括一次侧部分5、高频变压器部分6和二次侧部分7，一次侧部分5、二次侧部分7的一侧均为直流侧端口，另一侧为交流测端口，高频变压器部分6的初级绕组和一次侧部分5的交流侧端口连接，高频变压器部分6的次级绕组和二次侧部分7的交流侧端口相连，其中一次侧部分5直流侧端口采取真双极接线方式作为公共低压直流端口(PL、0、NL)连接低压直流单元9，二次侧部分7直流侧端口与其他单级式高频隔离型子模块4二次侧直流侧端口串联，构成中压直流侧端口(PM、NM)。
如图1所示，电压等级为+Vdcl的正极低压直流母线(P-LVDC)与单级式高频隔离型子模块4上桥臂一次侧部分5的1点和3点相连，电压等级为0V的母线(LVDC)与子模块上桥臂一次侧部分5的2点、4点和子模块下桥臂一次侧部分5的5点、7点相连，负极低压直流母线(N-LVDC)与子模块下桥臂一次侧部分5的6点、8点相连，构成真双极低压直流端口。该低压直流端口可以为新型直流源与直流负荷荷提供不同电压等级端口，使得不同电压及功率等级的光伏列阵、风伏列阵、储能装置及直流负载可以接入。
一次侧部分5包括一个电容CL和由四个开关管(构成一次侧H桥)，第一开关管Q1的发射集连接第三开关管Q3的集电极，第一开关管Q1的集电极、第三开关管Q3的发射集分别连接在电容CL的两个极板上，第二开关管Q2的发射集连接第四开关管Q4的集电极，第三开关管Q3的集电极、第四开关管Q4的发射集分别连接在电容CL的两个极板上，第一开关管Q1的发射集、第二开关管Q2的发射集分别连接高频变压器部分6初级绕组两端，当第一开关管Q1与第四开关Q4闭合时，在子模块一次侧会输出极性为正的电压，当第二开关管Q2与第三开关管Q3闭合时，子模块一次侧会输出极性为负的电压；电容CL的两个极板分别接出引线作为直流侧端口连接低压直流单元9。
二次侧部分7包括四个开关管(构成二次侧H桥)和钳位电路8，第五开关管Q5的发射集连接第七开关管Q7的集电极，第六开关管Q6的发射集连接第八开关管Q8的集电极，第五开关管Q5的发射集、第六开关管Q6的发射集分别连接高频变压器部分6次级绕组两端，高频变压器部分6次级绕组两端还连接钳位电路8，用于抑制二次侧产生的冲击电压。
二次侧部分7输出端口采取串联的接线方式，构成10KV中压直流侧端口(PM、NM)。三个相单元3上桥臂的正极端(PMa、PMb、PMc)相连作为该变换器的10KV中压直流端口的正极PM，三个相单元3下桥臂的负极端(NMa、NMb、NMc)相连作为该变换器的10KV中压直流端口的负极NM。该中压直流端口可接入中压直流配电网，同时构成多区域交流配电网的柔性互联，使区域网间功率调节变得更加灵活。
高频变压器部分6包含一个可以在一次侧与二次侧实现功率变换、电压等级变化的高频变压器。
低压直流单元9还包括DC/DC变换器、DC/AC变换器、光伏列阵、风伏列阵、储能系统、直流负载，直流负载通过一个DC/DC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)上，风伏列阵通过一个DC/AC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)上，储能系统、光伏列阵分别通过一个DC/DC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)。光伏列阵产生的电能通过DC/DC变换器变换，风伏列阵产生的电能通过DC/AC变换器变换后提供到真双极低压直流母线上，进而提供到系统中；同时可以将系统产生多余的电能通过DC/DC变换器储存到储能电池中。
本发明基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统工作时，搭建的逻辑仿真如图4-图10所示，其中图4框图所示在simulink仿真里构建中压交流端口电压环，图5框图所示在simulink仿真里构建中压交流端口电流环，图6框图所示在simulink仿真里构建中压交流端口电压环，图7框图所示在simulink仿真里构建中压直流端口电流环，图8框图所示在simulink仿真里构建低压直流端口电压环，图9框图所示在simulink仿真里构建低压直流端口电流环，图10为在simulink中搭建的基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统仿真；上、下桥臂子模块的调制比为交直流混合调制比du与dl(du为上桥臂调制比，dl为下桥臂调制比)，同时du与dl由直流公共调制比D和交流调制比(d1、d2)组成。
以一相为例，当直流调制比为0.5时，d1+d2需大于等于零且小于等于0.5以满足式(1)。
Figure BDA0004131634880000101
同时，如图2所示，每个子模块的二次侧部分输出端口电压始终为正，中压直流端口电压、中压交流端口电压、低压直流端口电压满足式(2)。
Figure BDA0004131634880000102
通过上述方式，本发明基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，不需要额外接入电压平衡器就能构建真双极性配电，本发明中采用真双极低压直流隔离型模块化多电平变换器，可以提供多种电压等级的双极性直流母线，避免了伪双极型直流端口带来的直流母线的单极电压不易稳定，供电可靠性较差的问题，从而可提供灵活的接入方式，适用范围更广，且直流侧各极可独立，同时因为采用双极性供电，使得系统较单极性供电绝缘等级下降一倍。通过改变上下桥臂的接线方式，使得系统不需要额外接入电压平衡器就能解决因为不对称负载导致的两极母线电压不平衡问题。本发明能够实现单级式功率变换，同时高压侧无电容。该变换器不含直流变换环节，实现了中压侧到低压侧的单级式变化，变换环节少，由此消除了DC-Link电容与MMC子模块中的缓冲电容和复杂的电容电压平衡控制策略，大幅度减小了变压器的体积和重量。本发明系统不需要子模块均压控制，与传统MMC相比，该拓扑省去了中压侧的大电容，而变成低压直流侧具有一个公共的电容，电容电压相当于端口电压，由于完全消除了子模块中压侧的独立电容，变换器中子模块的电压由高频变压器钳位，因此不需要高压侧的双向开关和复杂的换相控制策略。

Claims (8)

1.基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，包括变换器单元(2)、低压直流单元(9)，所述变换器单元(2)为三端口隔离型模块化多电平变换器，所述变换器单元(2)输入端为低压直流端口，所述变换器单元(2)输出端包括中压直流端口、中压交流端口，所述变换器单元(2)的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元(9)。
2.根据权利要求1所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述低压直流单元(9)包括正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)，所述正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)均连接变换器单元(2)。
3.根据权利要求2所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述变换器单元(2)包括三个并联的相单元(3)，每个所述相单元(3)包括上桥臂、下桥臂，每个所述上桥臂输入端通过真双极接线方式连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)，每个所述下桥臂输入端通过真双极接线方式连接电压等级为0V的母线(LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)，每个所述相单元(3)上桥臂的输出正极端相互连接，汇集成中压直流端口的正极，每个所述下桥臂输出负极端相互连接，汇集成中压直流端口的负极，每个所述相单元(3)的上桥臂输出负极端与下桥臂输出正极端连接，且通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。
4.根据权利要求3所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，每个所述上桥臂与下桥臂均包括n个单级式高频隔离型子模块(4)和一个桥臂电抗器Lm，n个所述单级式高频隔离型子模块(4)的输入端均连接低压直流单元(9)，n个所述单级式高频隔离型子模块(4)的输出端依次连接，一个端部单级式高频隔离型子模块(4)的输出端作为中压直流端口，另一个端部的单级式高频隔离型子模块(4)输出端通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。
5.根据权利要求4所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，每个所述单级式高频隔离型子模块(4)均包括一次侧部分(5)、高频变压器部分(6)和二次侧部分(7)，所述一次侧部分(5)、二次侧部分(7)的一侧均为直流侧端口，另一侧为交流测端口，所述高频变压器部分(6)的初级绕组和一次侧部分(5)的交流侧端口连接，所述高频变压器部分(6)的次级绕组和二次侧部分(7)的交流侧端口相连，其中一次侧部分(5)直流侧端口采取真双极接线方式作为公共低压直流端口连接低压直流单元(9)，二次侧部分(7)直流侧端口与其他单级式高频隔离型子模块(4)二次侧直流侧端口串联。
6.根据权利要求5所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述一次侧部分(5)包括一个电容CL和由四个开关管，第一开关管Q1的发射集连接第三开关管Q3的集电极，第一开关管Q1的集电极、第三开关管Q3的发射集分别连接在电容CL的两个极板上，第二开关管Q2的发射集连接第四开关管Q4的集电极，第三开关管Q3的集电极、第四开关管Q4的发射集分别连接在电容CL的两个极板上，所述第一开关管Q1的发射集、第二开关管Q2的发射集分别连接高频变压器部分(6)初级绕组两端，电容CL的两个极板分别接出引线作为直流侧端口连接低压直流单元(9)。
7.根据权利要求5所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述二次侧部分(7)包括四个开关管和钳位电路(8)，第五开关管Q5的发射集连接第七开关管Q7的集电极，第六开关管Q6的发射集连接第八开关管Q8的集电极，所述第五开关管Q5的发射集、第六开关管Q6的发射集分别连接高频变压器部分(6)次级绕组两端，所述高频变压器部分(6)次级绕组两端还连接钳位电路(8)，用于抑制二次侧产生的冲击电压。
8.根据权利要求2所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述低压直流单元(9)还包括DC/DC变换器、DC/AC变换器、光伏列阵、风伏列阵、储能系统、直流负载，所述直流负载通过一个DC/DC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)上，所述风伏列阵通过一个DC/AC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为0V的母线(LVDC)上，所述储能系统、光伏列阵分别通过一个DC/DC变换器连接正极低压直流母线(P-LVDC)、电压等级为-Vdc的负极低压直流母线(N-LVDC)。
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