CN116599351A - 一种具有自动均流能力的变换器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有自动均流能力的变换器及方法，其中，所述变换器包括高压侧DC/AC、多绕组变压器以及N个低压侧DC/AC，其中，所述多绕组变压器包括N个铁芯，N个铁芯相互之间独立；N个铁芯的高压侧绕组串联并连接于高压侧DC/AC的交流侧，N个铁芯的低压侧绕组分别连接于N个低压侧DC/AC的交流侧；N个低压侧DC/AC的直流侧并联。本发明可在不采用均流控制的情况下实现各并联支路电流的均衡，从而降低控制系统复杂度、降低开关频率，提升效率。
Description
技术领域
本发明属于配电网技术领域，特别涉及一种具有自动均流能力的变换器。
背景技术
新能源发电快速发展，大规模新能源的输送和利用对传统交流电网造成了巨大的挑战。交流电网具有无功、频率、稳定性问题，小惯量电源系统大规模注入交流电网将使得电网的安全运行难以保证。直流电网没有无功和频率问题，稳定性也较容易保证，是大规模新能源发电输送和利用的有效手段。
DC/DC是直流系统必须的设备，具有电压变换、电气隔离等功能。随着系能源发电的不断增加，大容量DC/DC变换器需求明显，传统百千瓦级DC/DC难以满足电能变换需求。为了增加DC/DC变换器的容量，可以将多台DC/DC变换器直接并联，但DC/DC变换器具有高压侧高电压、小电流的特点，高压侧并不需要并联即可满足大容量需求，直接并联会大幅增加成本。为此，可仅并联低压侧实现大电流的耐受。然而，并联会导致并联回路之间存在电流分配不均衡的现象，这主要是由于回路阻抗参数不完全相同、控制效果也不完全相同造成的，这种不均衡是难以通过参数匹配消除的。因此，往往会采用控制手段，实现电流的均衡。但通过控制，一方面造成控制系统变复杂，另一方面控制会导致换流器功率开关器件额外的动作，从而导致开关频率的提升，效率降低。
因此，需要设计一种具有自动均流能力的变换器，以解决上述技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述变换器包括高压侧DC/AC、多绕组变压器以及N个低压侧DC/AC，其中，
所述多绕组变压器包括N个铁芯，N个铁芯相互之间独立；
N个铁芯的高压侧绕组串联并连接于高压侧DC/AC的交流侧，N个铁芯的低压侧绕组分别连接于N个低压侧DC/AC的交流侧；
N个低压侧DC/AC的直流侧并联。
进一步地，每个所述铁芯的高压侧绕组均并联有过压保护元件，其中，
所述过压保护元件，用于在高压侧绕组出现过压时，实现高压侧绕组的过压保护。
进一步地，所述过压保护元件为金属氧化物压敏电阻MOV、避雷器和耗能电阻中的任意一种或者多种的串并联组合。
进一步地，所述高压侧DC/AC和低压侧DC/AC的结构均采用全桥型DC/AC变换器的结构或模块化多电平换流器型DC/AC变换器的结构。
进一步地，所述全桥型DC/AC变换器结构，包括两个并联的桥臂，所述桥臂还并联有均压电容；其中，
每个桥臂上均包括多个串联的电力电子器件，每个电力电子器件上均反并联有二极管。
进一步地，所述均压电容的两端作为全桥型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，两所述个桥臂的中点作为全桥型DC/AC变换器结构交流侧的交流端口。
进一步地，所述模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构，包括两个并联的桥臂，其中，所述桥臂的两端作为模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，两个所述桥臂的中点作为模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构交流侧的交流端口；
所述桥臂包括两个子桥臂，每个子桥臂均包括串联的电感和功率开关器件模块。
进一步地，功率开关器件模块有多个，多个功率开关器件模块串联，其中，
所述功率开关器件模块包括半桥电路或全桥电路。
另一方面，本发明还提供一种自动均流方法，其中，所述方法包括：
将多绕组变压器中的N个铁芯的高压侧绕组进行串联，并连接在高压侧DC/AC的交流侧；
将所述N个铁芯的低压侧绕组分别连接在N个低压侧DC/AC的交流侧；
将所述N个低压侧DC/AC的直流侧并联；
其中，N个铁芯相互之间独立。
进一步地，每个所述铁芯的高压侧均并联有过压保护元件，其中，
所述过压保护元件，用于在对应铁芯的高压侧绕组出现过压时，实现对应铁芯的高压侧绕组的过压保护。
本发明提供了一种具有自动均流能力的变换器，可在不采用均流控制的情况下实现各并联支路电流的均衡，从而降低控制系统复杂度、降低开关频率，提升效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种具有自动均流能力的变换器的拓扑图。
图2示出了根据本发明实施例的一种具有自动均流能力的变换器的改进结构的拓扑图。
图3示出了根据本发明实施例的全桥型DC/AC变换器的结构拓扑图。
图4示出了根据本发明实施例的MMC型DC/AC变换器的结构拓扑图。
图5示出了根据本发明实施例的实施案例的具有自动均流能力的变换器的拓扑图。
图6示出了根据本发明实施例的实施案例的一种自动均流方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的，本发明提供一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述变换器包括高压侧DC/AC、多绕组变压器以及N个低压侧DC/AC(低压侧DC/AC 1、低压侧DC/AC 2…低压侧DC/AC N)，其中，
所述多绕组变压器包括N个铁芯，N个铁芯相互之间独立；
N个铁芯的高压侧绕组(绕组1、绕组2…绕组N)串联并连接于高压侧DC/AC的交流侧(高压侧DC/AC的直流侧为高压直流的端口DC±)，N个铁芯的低压侧绕组分别连接于N个低压侧DC/AC的交流侧；
N个低压侧DC/AC的直流侧并联(低压侧DC/AC的直流侧为低压直流的端口DC±)。
由于在本发明中，多绕组变压器采用的是N个独立的铁芯，N个铁芯的高压侧绕组串联，因此N个铁芯的低压侧绕组等效串联，其(低压侧绕组)电流等于高压侧绕组电流乘以多绕组变压器的变比(即多绕组变压器的高压侧电压/低压侧电压，其中，此处“/”表示比值的符号)，故各低压侧绕组的电流相等，实现了自动均流。
下面对本发明的一种具有自动均流能力的变换器进行详细地描述。
动态过程中，串联高压侧绕组的电压可能出现偏差。因此，本发明还提出了对于一种具有自动均流能力的变换器的改进结构。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，该改进结构将各个高压侧绕组的端子引出，然后并联过压保护元件，即在图1的基础上，每个铁芯的高压侧绕组上均并联有过压保护元件。
其中，所述过压保护元件，用于在高压侧绕组出现过压时，实现高压侧绕组的过压保护。因此，当某个高压侧绕组出现过压，则过压保护元件动作实现了保护。
在本发明的一些实施例中，所述过压保护元件为金属氧化物压敏电阻MOV(Metaloxide varistor)、避雷器和耗能电阻中的任意一种或者多种的串并联组合。
在本发明的一些实施例中，如图2所示的，示例性的，过压保护元件采用避雷器，避雷器有N个(避雷器1、避雷器2…避雷器N)，因此，各个高压侧绕组的端子：端子1(p1 n1)、端子2(p2 n2)…端子N(pN nN)可对应与N个避雷器并联。
在本发明的一些实施例中，所述高压侧DC/AC和低压侧DC/AC的结构均采用全桥型DC/AC变换器的结构或模块化多电平换流器型DC/AC变换器的结构。
下面对全桥型DC/AC变换器的结构和MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)型DC/AC变换器的结构进行详细地说明。
在本发明的一些实施例中，如图3所示的，所述全桥型DC/AC变换器结构，包括两个并联的桥臂，所述桥臂还并联有均压电容；其中，
每个桥臂上均包括多个串联的电力电子器件，示例性的，两个桥臂中，第一个桥臂上有电力电子器件S1以及电力电子器件S2，S1的发射极与S2的集电极连接，均压电容C1的一端(正极+)连接在S1的集电极，均压电容C1的另一端(负极-)连接在S2的发射极。第二个桥臂上有电力电子器件S3和电力电子器件S4，S3的集电极连接在S2的集电极，S3的发射极连接在S4的集电极，S4的发射极连接在S2的发射极。S1与S2之间的连接点为桥臂的中点。
每个电力电子器件上均反并联有二极管，示例性的，S1上反并联有二极管D1，S2上反并联有二极管D2，S3上反并联有二极管D3，S4上反并联有二极管D4。
在本发明的一些实施例中，所述均压电容的两端作为全桥型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，两所述个桥臂的中点作为全桥型DC/AC变换器结构交流侧的交流端口。
在本发明的一些实施例中，如图4所示的，所述模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构，包括两个并联的桥臂，其中，所述桥臂的两端作为MMC型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，两个所述桥臂的中点作为MMC型DC/AC变换器结构交流侧的交流端口。
在发明的一些实施例中，所述桥臂均包括两个子桥臂，每个子桥臂均包括串联的电感和功率开关器件模块，其中，功率开关器件模块有多个，多个功率开关器件模块串联，功率开关器件模块包括半桥电路或全桥电路(本发明以功率开关器件模块包括半桥电路为示例进行说明)。
在发明的一些实施例中，半桥电路包括电容C2以及两个电力电子器件T，其中一个电力电子器件T(以下简称为上开关管T)的发射极连接在另一个电力电子器件T(以下简称为下开关管T)的集电极，电容C2的一端连接在上开关管T的集电极，电容C2的另一端连接在下开关管T的发射极。
在发明的一些实施例中，示例性的，图4中的每个桥臂的两个子桥臂分别为上桥臂和下桥臂，上桥臂的一端和对应下桥臂的一端之间为MMC型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，上桥臂的另一端和下桥臂的另一端通过桥臂的中点连接。
在本发明的一些实施例中，上桥臂和下桥臂均有电感L和多个串联的功率开关器件模块。且示例性的，对于上桥臂：
多个功率开关器件模块(功率开关器件模块包括半桥电路)串联的方式为：
第一个半桥电路的下开关管T的集电极作为上桥臂的一端，最后一个半桥电路的下开关管T的发射极与该上桥臂的电感L的一端连接，该上桥臂上的电感L的另一端作为该上桥臂的另一端，其余半桥电路中，后一个半桥电路的下开关管T的集电极连接在前一个半桥电路的下开关管T的发射极。
对于下桥臂：
多个功率开关器件模块(功率开关器件模块包括半桥电路)串联的方式为：
第一个半桥电路的下开关管T的集电极与该下桥臂的电感L的一端连接，该上桥臂上的电感L的另一端作为该下桥臂的另一端，最后一个半桥电路的下开关管T的发射极作为该下桥臂的一端。其余半桥电路中，后一个半桥电路的下开关管T的集电极连接在前一个半桥电路的下开关管T的发射极。
在本发明的一些实施例中，图3和图4中，电力电子器件均可为绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、集成门极换流晶闸管IGCT(IntegratedGate-Commutated Thyristor)或栅极注入增强晶体管IEGT(Injection Enhanced GateTransistor)中的任意一种类型。
下面以一个实施案例对本发明的一种具有自动均流能力的变换器进行详细地说明。
实施案例
针对百千伏降压至千伏，容量兆瓦级的变换器应用，本发明所提供的实施案例拓扑如图5所示，即高压侧(整个变换器的高压侧)电压高，因此高压侧DC/AC一台，且该一台高压侧DC/AC采用MMC型DC/AC变换器(即图5中的MMC型DC/AC)的结构。
低压侧(整个变换器的低压侧)电压低，因此低压侧DC/AC四台，该四台低压侧DC/AC均采用全桥型DC/AC变换器(即图5中的全桥型DC/AC 1、全桥型DC/AC 2…全桥型DC/AC4)的结构，多绕组变压器有四个铁芯，四个铁芯之间相互独立，且的四个铁芯的高压侧绕组相互串联，且并联连接于高压侧DC/AC的交流侧，四个铁芯的低压侧绕组分别连接与四个全桥型DC/AC的交流侧。
在本实施案例中，低压侧千伏电压等级，单台全桥型DC/AC容量可达1兆瓦，四台可达4兆瓦，满足常规大容量光伏汇集要求。
如图5所示拓扑的一种具有自动均流能力的变换器，通过独立铁芯多绕组变压器实现并联均流，无需均流控制，不仅控制简单可靠，且不影响功率开关器件(电力电子器件)的开关频率，损耗不会增加。而传统方案需要低压侧的全桥型DC/AC调节移相角进行均流，多台换流器(多台全桥型DC/AC)交流侧连接，均流调节过程中各换流器存在控制参数的耦合，容易造成稳定性问题，且调节造成开关器件额外动作，开关损耗提升。
在本发明的一些实施例中，如图6所示的，还提供一种自动均流方法，其中，所述方法包括：
将多绕组变压器中的N个铁芯的高压侧绕组进行串联，并连接在高压侧DC/AC的交流侧；
将所述N个铁芯的低压侧绕组分别连接在N个低压侧DC/AC的交流侧；
将所述N个低压侧DC/AC的直流侧并联；
其中，N个铁芯相互之间独立。
综上，本发明提供的一种具有自动均流能力的变换器，可在不采用均流控制的情况下实现各并联支路电流的均衡，从而降低控制系统复杂度、降低开关频率，提升效率。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述变换器包括高压侧DC/AC、多绕组变压器以及N个低压侧DC/AC，其中，
所述多绕组变压器包括N个铁芯，N个铁芯相互之间独立；
N个铁芯的高压侧绕组串联并连接于高压侧DC/AC的交流侧，N个铁芯的低压侧绕组分别连接于N个低压侧DC/AC的交流侧；
N个低压侧DC/AC的直流侧并联。
2.根据权利要求1所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，每个所述铁芯的高压侧绕组均并联有过压保护元件，其中，
所述过压保护元件，用于在高压侧绕组出现过压时，实现高压侧绕组的过压保护。
3.根据权利要求2所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述过压保护元件为金属氧化物压敏电阻MOV、避雷器和耗能电阻中的任意一种或者多种的串并联组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述高压侧DC/AC和低压侧DC/AC的结构均采用全桥型DC/AC变换器的结构或模块化多电平换流器型DC/AC变换器的结构。
5.根据权利要求4所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述全桥型DC/AC变换器结构，包括两个并联的桥臂，所述桥臂还并联有均压电容；其中，
每个桥臂上均包括多个串联的电力电子器件，每个电力电子器件上均反并联有二极管。
6.根据权利要求5所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述均压电容的两端作为全桥型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，两所述个桥臂的中点作为全桥型DC/AC变换器结构交流侧的交流端口。
7.根据权利要求4所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，所述模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构，包括两个并联的桥臂，其中，所述桥臂的两端作为模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构直流侧的直流端口，两个所述桥臂的中点作为模块化多电平换流器型DC/AC变换器结构交流侧的交流端口；
所述桥臂包括两个子桥臂，每个子桥臂均包括串联的电感和功率开关器件模块。
8.根据权利要求7所述的一种具有自动均流能力的变换器，其中，功率开关器件模块有多个，多个功率开关器件模块串联，其中，
所述功率开关器件模块包括半桥电路或全桥电路。
9.一种自动均流方法，其中，所述方法包括：
将多绕组变压器中的N个铁芯的高压侧绕组进行串联，并连接在高压侧DC/AC的交流侧；
将所述N个铁芯的低压侧绕组分别连接在N个低压侧DC/AC的交流侧；
将所述N个低压侧DC/AC的直流侧并联；
其中，N个铁芯相互之间独立。
10.根据权利要求9所述的一种自动均流方法，其中，每个所述铁芯的高压侧均并联有过压保护元件，其中，
所述过压保护元件，用于在对应铁芯的高压侧绕组出现过压时，实现对应铁芯的高压侧绕组的过压保护。
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| CN (1) | CN116599351A (zh) |
-
2023
- 2023-04-10 CN CN202310375800.0A patent/CN116599351A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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