CN117013839A - Dc/dc变换器及直流风力发电机组 - Google Patents

Dc/dc变换器及直流风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种DC/DC变换器及直流风力发电机组，所述DC/DC变换器包括桥臂单元和第一桥端开关器件或包括桥臂单元和第二桥端开关器件，所述桥臂单元包括第一桥臂、第二桥臂、第一桥间开关器件和第二桥间开关器件，第一桥臂的第二端与第二桥臂的第二端之间连接有第一桥间开关器件，第一桥臂的第一端连接到第二桥臂的第一端，第二桥臂的第一端与下一个第一桥臂的第一端之间连接有第二桥间开关器件，第二桥臂的第二端连接到下一个第一桥臂的第二端。根据本公开的DC/DC变换器及直流风力发电机组解决直流风力发电机组中存在电能损耗大、能源利用率低的问题，能够减少DC/DC变换器中的电能变换环节，降低电能损耗，提高能源利用率。

Description

DC/DC变换器及直流风力发电机组
技术领域
本公开涉及风力发电技术领域，更具体地，涉及一种DC/DC变换器及直流风力发电机组。
背景技术
随着风电场向大规模、大容量化发展，传统的交流风电场内部由于交流电缆导致的无功充电电流和过电压问题日益严峻。在此情况下，采用直流风力发电机组构建直流风电场，实现电能的直流汇集与传输，从而解决传统的交流风电场内部存在在无功充电电流和过电压问题。
然而，在现有的直流风力发电机组中，由风力发电机发出的电能会经历多个电能变换环节，对于电能的损耗较大，这不利于提高能源的利用率，并且在电能变换环节多的情况下，还可能会带来成本大、实现难度大等问题。
发明内容
鉴于现有的直流风力发电机组中存在电能损耗大、能源利用率低的问题，本公开提供一种DC/DC变换器及直流风力发电机组。
本公开的第一方面提供一种用于直流风力发电机组的DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括桥臂单元和第一桥端开关器件；或，所述DC/DC变换器包括桥臂单元和第二桥端开关器件，其中，所述桥臂单元包括N个第一桥臂、M个第二桥臂、第一桥间开关器件和第二桥间开关器件，N＝M或N＝M+1，所述第一桥臂为全桥桥臂，所述第二桥臂为全桥桥臂或半桥桥臂，其中，第i个第一桥臂的第二端与第i个第二桥臂的第二端之间连接有所述第一桥间开关器件，第i个第一桥臂的第一端连接到第i个第二桥臂的第一端，其中，i为1至M，其中，第j个第二桥臂的第一端与第j+1个第一桥臂的第一端之间连接有所述第二桥间开关器件，第j个第二桥臂的第二端连接到第j+1个第一桥臂的第二端，其中，在N＝M的情况下，j为1至M-1，在N＝M+1的情况下，j为1至M，其中，所述桥臂单元中的第1个第一桥臂的第二端连接到所述DC/DC变换器的网侧第一端口，在N＝M的情况下，所述第一桥端开关器件的一端连接到第M个第二桥臂的第一端，所述第一桥端开关器件的另一端连接到所述DC/DC变换器的机侧第一端口，其中，所述机侧第一端口与所述网侧第一端口的极性相同，在N＝M+1的情况下，所述第二桥端开关器件的一端连接到第N个第一桥臂的第二端，所述第二桥端开关器件的另一端连接到所述DC/DC变换器的机侧第二端口。
可选地，第i个第一桥间开关器件的阳极连接到第i个第一桥臂的第二端，第i个第一桥间开关器件的阴极连接到第i个第二桥臂的第二端，第j个第二桥间开关器件的阴极连接到第j个第二桥臂的第一端，第j个第二桥间开关器件的阳极连接到第j+1个第一桥臂的第一端。
可选地，所述第一桥端开关器件包括并联的二极管和晶闸管，所述二极管的阳极和所述晶闸管的阴极连接到所述机侧第一端口，所述二极管的阴极和所述晶闸管的阳极连接到所述第M个第二桥臂的第一端。
可选地，所述第二桥端开关器件为晶闸管，所述晶闸管的阳极连接到所述第N个第一桥臂的第二端，所述晶闸管的阴极连接到所述机侧第二端口。
可选地，所述DC/DC变换器还包括第三桥端开关器件，所述第三桥端开关器件的一端连接到所述网侧第一端口，所述第三桥端开关器件的另一端连接到所述第1个第一桥臂的第二端。
可选地，所述第三桥端开关器件包括并联的二极管和晶闸管，所述二极管的阳极和所述晶闸管的阴极连接到所述第1个第一桥臂的第二端，所述二极管的阴极和所述晶闸管的阳极连接到所述网侧第一端口。
可选地，所述DC/DC变换器还包括充电电路，所述充电电路包括限流电阻、第一开关和第二开关，所述限流电阻的一端连接到所述网侧第一端口和所述第二开关的一端，所述限流电阻的另一端连接到所述第一开关的一端和所述第二开关的另一端，所述第一开关的另一端连接到所述第三桥端开关器件的所述一端。
本公开的第二方面提供一种直流风力发电机组，所述直流风力发电机组包括根据本公开所述的DC/DC变换器。
可选地，所述直流风力发电机组还包括耗能电路，所述耗能电路的两端分别连接到所述DC/DC变换器的机侧正极端口和机侧负极端口。
可选地，所述直流风力发电机组为半直驱直流风力发电机组或直驱直流风力发电机组。
根据本公开的DC/DC变换器及直流风力发电机组，可以通过合理布置用于直流风力发电机组的DC/DC变换器中桥臂单元和桥端开关器件的连接结构，使得可以减少DC/DC变换器中的电能变换环节，可以降低电能损耗，提高能源利用率。
此外，根据本公开的DC/DC变换器及直流风力发电机组，可以通过采用桥臂单元和桥端开关器件来实现非隔离型的DC/DC变换器，无需交流变压器，降低DC/DC变换器的体积和成本。
附图说明
图1是示出基于隔离型DC/DC变换器的直流风力发电机组的示例拓扑结构的示意图。
图2是示出根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器的第一示例的结构示意图。
图3A是示出根据本公开的示例性实施例的第一示例的DC/DC变换器的启动状态的示意图。
图3B是示出根据本公开的示例性实施例的第一示例的DC/DC变换器的充电状态的示意图。
图3C是示出根据本公开的示例性实施例的第一示例的DC/DC变换器的放电状态的示意图。
图4是示出根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器的第二示例的结构示意图。
图5A是示出根据本公开的示例性实施例的第二示例的DC/DC变换器的启动状态的示意图。
图5B是示出根据本公开的示例性实施例的第二示例的DC/DC变换器的充电状态的示意图。
图5C是示出根据本公开的示例性实施例的第二示例的DC/DC变换器的放电状态的示意图。
图6是示出根据本公开的示例性实施例的直流风力发电机组的第一示例的示意图。
图7是示出根据本公开的示例性实施例的直流风力发电机组的第二示例的示意图。
附图标记：
1-风机叶片；2-齿轮箱；3-风力发电机；4-机侧整流器；5-支撑电容；6-直流变换器；61-逆变器；62-变压器；63-整流器；7-隔离开关；10-DC/DC变换器；100-桥臂单元；110-第一桥臂；120-第二桥臂；130-第一桥间开关器件；140-第二桥间开关器件；210-第一桥端开关器件；220-第二桥端开关器件；300-第三桥端开关器件；400-充电电路；20-耗能电路。
具体实施方式
提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。
在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本申请的公开之后将是清楚的。
如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个以及任何两个或更多个的任何组合。
尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不应被这些术语所限制。相反，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。
在说明书中，当元件(诸如，层、区域或基底)被描述为“在”另一元件上、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可直接“在”另一元件上、直接“连接到”或“结合到”另一元件，或者可存在介于其间的一个或多个其他元件。相反，当元件被描述为“直接在”另一元件上、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于其间的其他元件。
在此使用的术语仅用于描述各种示例，并不将用于限制公开。除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。
除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语(诸如，在通用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。
此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。
如前面所述，在现有的直流风力发电机组中，由风力发电机发出的电能会经历多个电能变换环节，导致电能的损耗较大。
对此，图1示出了直流风力发电机组的一示例的拓扑结构。如图1所示，直流风力发电机组可以包括风机叶片1、齿轮箱2、风力发电机3、机侧整流器4、支撑电容5、直流变换器6和隔离开关7，基于该拓扑结构，在电能传输中，由风力发电机3发出的电能会经历整流、DC/DC变换等多个电能变换环节。
具体来说，如图1所示，直流变换器6为隔离型DC/DC变换器，其包括逆变器61、变压器62和整流器63，其中，无论是在机侧至网侧的方向上，还是在网侧至机侧的方向上，电能在直流变换器6内部将经历直流与交流之间的两次变换，在该过程中，会造成电能的损耗。
此外，由于直流变换器6内部采用了变压器62，在直流风力发电机组中，该变压器一般为中高频的交流变压器，这种中高频交流变压器存在成本较大、实现难度较大的问题，使用这样的变压器不利于降低成本和减小体积。
鉴于此，根据本公开的示例性实施例提供一种DC/DC变换器及直流风力发电机组，以解决上述问题中的至少一者。
根据本公开的第一方面，提供一种DC/DC变换器，该DC/DC变换器可以用于直流风力发电机组。
根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以包括桥臂单元和桥端开关器件。
桥臂单元可以对DC/DC变换器的机侧电压和网侧电压进行双向电能转换。这里，机侧指的是风力发电机所在的一侧，网侧指的是电网所在的一侧。
此外，桥臂单元可以允许电压在正向电压和反向电压之间变化，从而使得DC/DC变换器可以满足直流风力发电机组的不同运行状态(即，启动状态和正常运行状态)下的电能转换需求。
具体来说，当直流风力发电机组处于启动状态时，DC/DC变换器也处于启动状态；当直流风力发电机组处于正常运行状态时，DC/DC变换器处于充电状态和放电状态交替运行的状态，在下文中，将结合示例性实施例描述DC/DC变换器的启动状态、充电状态和放电状态的具体工作机制。
桥端开关器件可以连接到桥臂单元的电气接口，从而可以通过控制桥端开关器件的导通/断开，使桥臂单元可以控制电压正向或反向，以实现DC/DC变换器的不同工作状态。
如此，可以通过合理布置DC/DC变换器中的桥臂单元和桥端开关器件的连接结构，在不使用交流变压器的情况下，实现满足直流风力发电机组的不同运行状态下的电能转换需求的DC/DC变换器，从而可以减少电能变换环节，降低电能损耗，提高能源利用率。
下面将参照图2至图5C描述根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器。
如图2所示，根据本公开的第一示例的DC/DC变换器可以包括桥臂单元100和第一桥端开关器件210。
桥臂单元100可以包括N个第一桥臂110、M个第二桥臂120、第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140，其中，N和M可以是大于或等于1的正整数。在该示例中，N可以等于M。
如图2所示，N个第一桥臂110中的第1个第一桥臂110的第一端可以连接到M个第二桥臂120中的第1个第二桥臂120的第一端。第1个第一桥臂110的第二端连接到DC/DC变换器的网侧第一端口。
在本文中，DC/DC变换器的网侧第一端口可以为网侧正极端口，在此情况下，下面将提到的网侧第二端口为网侧负极端口，然而其不限于此，网侧第一端口也可以是网侧负极端口，而网侧第二端口为网侧正极端口。
从第1个第一桥臂110开始，N个第一桥臂110和M个第二桥臂120可以交替设置。
具体来说，第1个第二桥臂120的第一端可以与第2个第一桥臂110的第一端之间连接有第二桥间开关器件140，第1个第二桥臂120的第二端可以连接到第2个第一桥臂110的第二端。
类似地，第2个第一桥臂110的第一端可以连接到第2个第二桥臂120的第一端，第2个第一桥臂110的第二端与第2个第二桥臂120的第二端之间连接有第一桥间开关器件130。
以此类推，第i个第一桥臂110的第二端与第i个第二桥臂120的第二端之间连接有第一桥间开关器件130，第i个第一桥臂110的第一端连接到第i个第二桥臂120的第一端，其中，i可以为1至M。
第j个第二桥臂120的第一端与第j+1个第一桥臂110的第一端之间连接有第二桥间开关器件140，第j个第二桥臂120的第二端连接到第j+1个第一桥臂110的第二端，在该示例中，j可以为1至M-1。
如此，可以将N个第一桥臂110、M个第二桥臂120、第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140连接形成桥臂单元100。
结合上述桥臂单元100的连接结构，第一桥端开关器件210的一端可以连接到第M个第二桥臂120(即，桥臂单元100的连接结构中的最后一个第二桥臂)的第一端，第一桥端开关器件210的另一端连接到DC/DC变换器的机侧第一端口，其中，机侧第一端口与网侧第一端口的极性相同。
这里，如图2所示，DC/DC变换器的机侧第一端口可以为机侧正极端口，在此情况下，下面将提到的机侧第二端口为机侧负极端口，然而其不限于此，机侧第一端口也可以是机侧负极端口，而机侧第二端口为网侧正极端口，只要机侧第一端口与网侧第一端口的极性相同即可。
上面结合图2描述的桥臂单元100和第一桥端开关器件210的整体连接方式，下面将具体描述桥臂单元100和第一桥端开关器件210的内部结构。
首先，将描述桥臂单元100中的第一桥臂110、第二桥臂120、第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140。
如图2所示，第一桥臂110可以为全桥桥臂，其可以包括第一桥臂电抗器L1和m个全桥模块FB1、FB2至FBm，这里，m为大于或等于1的正整数。第一桥臂电抗器L1和m个全桥模块FB1、FB2至FBm可以串联连接在第一桥臂110的第一端和第二端之间。
第二桥臂120可以为半桥桥臂，其可以包括第二桥臂电抗器L2和k个全桥模块HB1、HB2至HBk，这里，k为大于或等于1的正整数，k可以等于m，也可以不等于m。第二桥臂电抗器L2和k个半桥模块HB1、HB2至HBk可以串联连接在第二桥臂120的第一端和第二端之间。这里，第二桥臂电抗器L2可以与第一桥臂电抗器L1相同或不同。
然而，第二桥臂120不限于此，第二桥臂120也可以为全桥桥臂，即，其可以包括第二桥臂电抗器L2和k个全桥模块FB1、FB2至FBk，例如，第二桥臂120可以具有与第一桥臂110相同的结构。
这里，第一桥间开关器件130可以是半控器件或者全控器件，例如可以为晶闸管或IGBT。第二桥间开关器件140可以是不可控器件、半控器件或者全控器件，只要是可单向导通的开关器件即可。例如，如图2所示，第一桥间开关器件130与第二桥间开关器件140的导通方向可以相反布置。
第一桥间开关器件130可以为N个(或者说，M个)，具体来说，第i个第一桥间开关器件130的阳极可以连接到第i个第一桥臂110的第二端，第i个第一桥间开关器件130的阴极可以连接到第i个第二桥臂120的第二端，其中，i可以为1至N(或者说，M)。
如图2所示，第1个第一桥间开关器件130可以标记为TA1，第N个第一桥间开关器件130可以标记为TAN。这里，以第1个第一桥间开关器件TA1和第N个第一桥间开关器件TAN为例进行说明。
第1个第一桥间开关器件TA1的阳极可以连接到第1个第一桥臂110的第二端，第1个第一桥间开关器件130的阴极可以连接到第1个第二桥臂120的第二端。类似地，第N个第一桥间开关器件TAN的阳极可以连接到第N个第一桥臂110的第二端，第N个第一桥间开关器件130的阴极可以连接到第N个第二桥臂120的第二端。
第二桥间开关器件140可以为N-1个(或者说，M-1个)，具体来说，第j个第二桥间开关器件140的阴极连接到第j个第二桥臂120的第一端，第j个第二桥间开关器件140的阳极连接到第j+1个第一桥臂110的第一端，其中，j可以为1至N-1(或者说，M-1)。
如图2所示，第1个第二桥间开关器件140可以标记为DA1。这里，以第1个第二桥间开关器件DA1为例进行说明。第1个第二桥间开关器件DA1的阴极连接到第1个第二桥臂120的第一端，第1个第二桥间开关器件DA1的阳极连接到第2个第一桥臂110的第一端(图2未示出)。
作为示例，图2示出了第一桥间开关器件130可以是晶闸管，第二桥间开关器件140可以为二极管，然而，第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140不限于此，例如，第二桥间开关器件140也可以为晶闸管。此外，第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140也可以是其他开关器件，例如可以是能够控制为导通或断开的任意开关器件。例如，第一桥间开关器件130可以包括反向并联的二极管和晶闸管，第二桥间开关器件140可以包括反向并联的两个晶闸管。
上面描述了桥臂单元100的具体结构及其变型方式，下面将描述第一桥端开关器件210。
如图2所示，第一桥端开关器件210可以包括并联的二极管DAM和晶闸管TLA，二极管DAM的阳极和晶闸管TLA的阴极可以连接到机侧第一端口，二极管DAM的阴极和晶闸管TLA的阳极可以连接到第M个第二桥臂120的第一端。在直流风力发电机组的启动状态下，机侧端口可以为低压侧端口(在图2中与UL对应)，网侧端口可以为高压侧端口(在图2中与UH对应)，通过与低压侧端口连接的晶闸管TLA可以允许实现能量的反向传输，以启动直流风力发电机组。而在直流风力发电机组的正常运行状态下，与低压侧端口连接的二极管DAM可以允许能量的正向传输。如此，可以使得DC/DC变换器在减少电能转换环节且不引入交流变压器的情况下满足直流风力发电机组的双向能量传输需求。
需要说明的是，第一桥端开关器件210的结构不限于上述示例，例如其也可以是能够被控制双向导通和断开的开关器件。
此外，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器还可以包括第三桥端开关器件300，第三桥端开关器件300的一端可以连接到网侧第一端口，第三桥端开关器件300的另一端可以连接到第1个第一桥臂110的第二端。
具体来说，如图2所示，第三桥端开关器件300可以包括并联的二极管DHA和晶闸管THA，二极管DHA的阳极和晶闸管THA的阴极可以连接到第1个第一桥臂110的第二端，二极管DHA的阴极和晶闸管THA的阳极连接到网侧第一端口。
如此，在直流风力发电机组的启动状态下，与高压侧端口连接的二极管DHA可以断开，与高压侧端口连接的晶闸管THA可以导通，从而实现对直流风力发电机组的启动。
此外，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以包括三个相电路，即A相、B相和C相，每个相电路可以包括如上所述的桥臂单元100和第一桥端开关器件210。
如图2所示，三个相电路可以并联在DC/DC变换器的机侧端口与网侧端口之间，三个相电路的结构可以相同。这里，为了简化示出，在图2中，仅示出了A相的具体结构，应理解的是，B相和C相分别具有与A相相同的结构。
此外，DC/DC变换器还可以包括充电电路400。充电电路400的第一端可以连接到第三桥端开关器件300，其第二端可以连接到网侧第一端口。
作为示例，如图2所示，充电电路400可以包括限流电阻Rlim、第一开关Q1和第二开关Q2。
具体来说，限流电阻Rlim的一端可以连接到网侧第一端口和第二开关Q2的一端，限流电阻Rlim的另一端可以连接到第一开关Q1的一端和第二开关Q2的另一端，第一开关Q1的另一端连接到第三桥端开关器件300。
这里，设置如上所述的充电电路400可以在直流风力发电机组的启动状态下通过限流电阻消耗一部分电能，避免启动功率(或者说，电流)过大，对风力发电机造成损坏，然而，本公开的DC/DC变换器不限于此，也可以根据实际需要，省去充电电路400。
上面描述了根据本公开的第一示例的DC/DC变换器的结构，下面将结合直流风力发电机的不同运行状态，参照图3A、图3B和图3C描述DC/DC变换器的不同工作状态。
具体来说，根据直流风力发电机组运行状态的不同，DC/DC变换器的运行状态也有所不同，当直流风力发电机组处于启动状态时，DC/DC变换器也处于启动状态；当直流风力发电机组处于正常运行状态时，DC/DC变换器处于并联充电状态和串联放电状态交替运行的状态。
DC/DC变换器在处于启动状态时的能量回路如图3A所示，其中，当DC/DC变换器处于启动状态时，电能由高压侧向低压侧传输，电能由网侧第一端口(图3A中的高压侧正极端口)流入DC/DC变换器，然后，在依次通过充电电路400中的限流电阻Rlim和第一开关Q1、高压侧晶闸管阀THA、N个第一桥臂、M个第二桥臂后，流至网侧第二端口(图3A中的高压侧负极端口)。在此状态下，第一桥间开关器件130可以被控制为断开。
在此状态下，N个第一桥臂和M个第二桥臂串联连接，连接在机侧(即，低压侧)的器件通过第一桥端开关器件210的晶闸管阀TLA与第M个第二桥臂并联，从而实现电压的建立，DC/DC变换器完成启动过程。
DC/DC变换器在处于充电状态时的能量回路如图3B所示，其中，当DC/DC变换器处于充电状态时，电能由低压侧向桥臂单元充电，电能由机侧第一端口(图3B中的低压侧正极端口)流入DC/DC变换器，然后，在依次通过第一桥端开关器件210的二极管阀DAM、N-1个第二桥间开关器件140、M个第二桥臂、N个第一桥臂、N个第一桥间开关器件130后流至低压侧负极端口。
在此状态下，该充电状态可称为并联充电状态，即，连接在机侧(即，低压侧)的器件、M个第二桥臂和N个第一桥臂并联。如此，低压侧电压UL与桥臂单元100中的每个桥臂的电压相同，从而实现DC/DC变换器的充电。
DC/DC变换器在处于放电状态时的能量回路如图3C所示，当DC/DC变换器处于串联放电状态时，电能由桥臂向高压侧放电，电能依次通过M个第二桥臂、N个第一桥臂、第三桥端开关器件的高压侧二极管阀DHA以及充电电路400中的第一开关Q1和第二开关Q2流至网侧端口。在此状态下，第一桥间开关器件130可以被控制为断开。
在此状态下，该放电状态可称为串联放电状态，即，M个第二桥臂与N个第一桥臂串联。如此，高压侧端口电压为桥臂单元100中的所有桥臂电压之和，从而实现DC/DC变换器的放电。
如上面所述，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以减少直流风力发电机组内部的电能变换环节，降低由电能变换造成的损耗。
此外，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以采用非隔离型的结构，无需中高频交流变压器，降低直流变换器的体积和成本。
此外，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以采用并联充电、串联放电的方式运行，可以实现高比例的电压变换，从而提高直流风力发电机组的输出端口电压等级。
上面参照图1至图3C描述了根据本公开的示例性实施例的第一示例的DC/DC变换器，然而，根据本公开的DC/DC变换器不限于此，下面将参照图4至图5C描述根据本公开的示例性实施例的第二示例的DC/DC变换器。
如图4所示，根据本公开的第二示例的DC/DC变换器可以包括桥臂单元100和第二桥端开关器件220。
桥臂单元100可以包括N个第一桥臂110、M个第二桥臂120、第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140，其中，N和M可以是大于或等于1的正整数。在该示例中，N＝M+1。
与上面的示例类似，如图4所示，N个第一桥臂110中的第1个第一桥臂110的第一端可以连接到M个第二桥臂120中的第1个第二桥臂120的第一端。第1个第一桥臂110的第二端连接到DC/DC变换器的网侧第一端口。
从第1个第一桥臂110开始，N个第一桥臂110和M个第二桥臂120可以交替设置。
具体来说，第1个第二桥臂120的第一端可以与第2个第一桥臂110的第一端之间连接有第二桥间开关器件140，第1个第二桥臂120的第二端可以连接到第2个第一桥臂110的第二端。
类似地，第2个第一桥臂110的第一端可以连接到第2个第二桥臂120的第一端，第2个第一桥臂110的第二端与第2个第二桥臂120的第二端之间连接有第一桥间开关器件130。
以此类推，第i个第一桥臂110的第二端与第i个第二桥臂120的第二端之间连接有第一桥间开关器件130，第i个第一桥臂110的第一端连接到第i个第二桥臂120的第一端，其中，i可以为1至M，
第j个第二桥臂120的第一端与第j+1个第一桥臂110的第一端之间连接有第二桥间开关器件140，第j个第二桥臂120的第二端连接到第j+1个第一桥臂110的第二端，在该示例中，j为1至M。
如此，可以将N个第一桥臂110、M个第二桥臂120、第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140连接形成桥臂单元100。
结合上述桥臂单元100的连接结构，第二桥端开关器件220的一端可以连接到第N个第一桥臂110(即，桥臂单元100的连接结构中的最后一个第一桥臂)的第二端，第二桥端开关器件220的另一端连接到DC/DC变换器的机侧第二端口。
上面结合图4描述的桥臂单元100和第二桥端开关器件220的整体连接方式，下面将具体描述桥臂单元100和第二桥端开关器件220的内部结构。
在图4所示的示例中，桥臂单元100中的第一桥臂110、第二桥臂120、第一桥间开关器件130和第二桥间开关器件140的具体结构、变型方式及有益效果可以与上面参照图2描述的相同或相似，故这里不再赘述。下面将参照图4详细描述第二桥端开关器件220。
如图4所示，第二桥端开关器件220可以为晶闸管(例如，图4中的晶闸管TLA)，晶闸管TLA的阳极可以连接到第N个第一桥臂110的第二端，晶闸管TLA的阴极可以连接到机侧第二端口(如图4所示的机侧负极端口)。
在直流风力发电机组的启动状态下，通过关闭与低压侧端口连接的晶闸管TLA可以允许实现能量的反向传输，为风力发电机充电，从而启动直流风力发电机组。而在直流风力发电机组的正常运行状态下，低压侧端口与第N个第一桥臂110并联连接或串联连接，从而可以允许能量的正向传输。如此，可以使得DC/DC变换器在减少电能转换环节且不引入交流变压器的情况下满足直流风力发电机组的双向能量传输需求。
需要说明的是，第二桥端开关器件220的结构不限于上述示例，例如其也可以是能够被控制导通和断开的开关器件。
此外，根据本公开的第二示例的DC/DC变换器也可以包括第三桥端开关器件300，第三桥端开关器件300的具体结构、变型方式及有益效果可以与上面参照图2描述的相同或相似，故这里不再赘述。
此外，与图2类似地，根据本公开的第二示例的DC/DC变换器也可以包括三个相电路，即A相、B相和C相，每个相电路可以包括如上所述的桥臂单元100和第二桥端开关器件220。
如图4所示，三个相电路可以并联在DC/DC变换器的机侧端口与网侧端口之间，三个相电路的结构可以相同。这里，为了简化示出，在图4中，仅示出了A相的具体结构，应理解的是，B相和C相分别具有与A相相同的结构。
此外，与图2类似地，图4所示的DC/DC变换器也可以包括充电电路400。充电电路400的连接方式、具体结构及有益效果与上面参照图2描述的相同，这里不再赘述。
上面描述了根据本公开的第二示例的DC/DC变换器的结构，下面将结合直流风力发电机的不同运行状态，参照图5A、图5B和图5C描述DC/DC变换器的不同工作状态。
DC/DC变换器在处于启动状态时的能量回路如图5A所示，其中，当DC/DC变换器处于启动状态时，电能由高压侧向低压侧传输，电能由网侧第一端口(图5A中的高压侧正极端口)流入DC/DC变换器，然后，在依次通过充电电路400中的限流电阻Rlim和第一开关Q1、高压侧晶闸管阀THA、N个第一桥臂、M个第二桥臂后，流至网侧第二端口(图5A中的高压侧负极端口)。在此状态下，第一桥间开关器件130可以被控制为断开。
在此状态下，N个第一桥臂和M个第二桥臂串联连接，连接在机侧(即，低压侧)的器件也与N个第一桥臂和M个第二桥臂串联连接，从而实现电压的建立，DC/DC变换器完成启动过程。
DC/DC变换器在处于充电状态时的能量回路如图5B所示，其中，当DC/DC变换器处于充电状态时，电能由低压侧向桥臂单元充电，电能由机侧第一端口(图5B中的低压侧正极端口)流入DC/DC变换器，然后，在依次通过M个第二桥间开关器件140、M个第二桥臂、N个第一桥臂、M个第一桥间开关器件130以及第二桥端开关器件220的晶闸管TLA后流至低压侧负极端口。
在此状态下，该充电状态可称为并联充电状态，即，连接在机侧(即，低压侧)的器件、M个第二桥臂和N个第一桥臂并联。如此，低压侧电压UL与桥臂单元100中的每个桥臂的电压相同，从而实现DC/DC变换器的充电。
DC/DC变换器在处于放电状态时的能量回路如图5C所示，当DC/DC变换器处于串联放电状态时，电能由桥臂单元向高压侧和低压侧二者放电，电能依次通过M个第二桥臂、N个第一桥臂、第三桥端开关器件的高压侧二极管阀DHA以及充电电路400中的第一开关Q1和第二开关Q2流至网侧端口。
在此状态下，该放电状态可称为串联放电状态，即，M个第二桥臂与N个第一桥臂串联。如此，高压侧端口电压为桥臂单元100中的所有桥臂电压和低压侧的电压之和，从而实现DC/DC变换器的放电。
如上面所述，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以减少直流风力发电机组内部的电能变换环节，降低由电能变换造成的损耗。
此外，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以采用非隔离型的结构，无需中高频交流变压器，降低直流变换器的体积和成本。
此外，根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器可以采用并联充电、串联放电的方式运行，可以实现高比例的电压变换，提高直流风力发电机组的输出端口电压等级。
根据本公开的第二方面，提供一种直流风力发电机组，该直流风力发电机组可以包括根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器。
图6示出了包括根据本公开的第一示例的DC/DC变换器的直流风力发电机组。
如图6所示，直流风力发电机组可以包括风机叶片1、齿轮箱2、风力发电机3、机侧整流器4、耗能电路20、支撑电容5、DC/DC变换器10和隔离开关7。
这里，机侧整流器4可以为两电平PWM(Pulse Width Modulation)整流器或者三电平整流器，其可以对来自风力发电机3的电流进行整流。
耗能电路20可以包括耗能电阻RC和开关管KR，具体来说，耗能电路20的两端分别可以连接到DC/DC变换器10的机侧正极端口和机侧负极端口，耗能电阻RC和开关管KR串联连接在耗能电路20的两端之间。
当直流风力发电机组处于启动状态时，电能由直流端口的正极流入，通过DC/DC变换器10向支撑电容5充电，实现直流电压的建立，完成启动。此时，DC/DC变换器10的充电电路中的第一开关Q1闭合、第二开关Q2断开，隔离开关7中的第三开关K1和第四开关K2闭合，耗能电路20中的开关管KR断开，机侧整流器4中的开关器件闭锁。
当直流风力发电机组处于正常运行状态时，风机叶片1将风能转化为机械能，通过齿轮箱2变速后由风力发电机3将机械能转化为交流电能，再由机侧整流器4转为直流电能，最后通过DC/DC变换器10升压后输出到直流端口。此时，机侧整流器4中的开关器件正常通断，第三开关K1和第四开关K2闭合，耗能电路20中的开关管KR断开，DC/DC变换器10的充电电路中的第一开关Q1和第二开关Q2闭合，从而将直流风力发电机组发出的功率全部传输到直流端口。
当直流风力发电机组发生故障时，直流风力发电机组中的电能通过耗能电路20进行释放，此时，机侧整流器4中的开关器件闭锁，耗能电路20中的开关管KR闭合、第三开关K1和第四开关K2断开，DC/DC变换器10的充电电路中的第一开关Q1和第二开关Q2闭合。
如此，根据本公开的示例性实施例的直流风力发电机组可以在不使用隔离型DC/DC变换器的情况下满足启动和正常运行的工作需求。此外，还可以在直流风力发电机组发生故障时，及时控制电能从耗能电路释放，避免损坏机组的其他部件。
此外，根据本公开的示例性实施例的直流风力发电机组还可以具有与根据本公开的示例性实施例的DC/DC变换器相同的其他有益效果，在此不再赘述。
图6示出了直流风力发电机组可以半直驱直流风力发电机组，但是本公开不限于此，根据本公开的示例性实施例的直流风力发电机组也可以是直驱直流风力发电机组。
如图7所示，直流风力发电机组可以包括风机叶片1、风力发电机3、机侧整流器4、耗能电路20、支撑电容5、DC/DC变换器10和隔离开关7，其可以不包括如图6所示的齿轮箱2。
图7所示的直流风力发电机组的其他部分可以与上面参照图6描述的第一示例的直流风力发电机组相同，在此不再赘述。
需要说明的是，尽管图6和图7中示出了直流风力发电机组包括如上面所述的第一示例的DC/DC变换器，但是本公开不限于此，直流风力发电机组也可以如上面所述的第二示例的DC/DC变换器，并且还可以包括根据本公开的示例性实施例的其他变型形式的DC/DC变换器，这里，本公开对DC/DC变换器和直流风力发电机组的实施例不作穷举。
本公开所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
以上对本公开的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本公开的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于直流风力发电机组的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括桥臂单元和第一桥端开关器件；或，所述DC/DC变换器包括桥臂单元和第二桥端开关器件，
其中，所述桥臂单元包括N个第一桥臂、M个第二桥臂、第一桥间开关器件和第二桥间开关器件，N＝M或N＝M+1，所述第一桥臂为全桥桥臂，所述第二桥臂为全桥桥臂或半桥桥臂，
其中，第i个第一桥臂的第二端与第i个第二桥臂的第二端之间连接有所述第一桥间开关器件，第i个第一桥臂的第一端连接到第i个第二桥臂的第一端，其中，i为1至M，
其中，第j个第二桥臂的第一端与第j+1个第一桥臂的第一端之间连接有所述第二桥间开关器件，第j个第二桥臂的第二端连接到第j+1个第一桥臂的第二端，其中，在N＝M的情况下，j为1至M-1，在N＝M+1的情况下，j为1至M，
其中，所述桥臂单元中的第1个第一桥臂的第二端连接到所述DC/DC变换器的网侧第一端口，
在N＝M的情况下，所述第一桥端开关器件的一端连接到第M个第二桥臂的第一端，所述第一桥端开关器件的另一端连接到所述DC/DC变换器的机侧第一端口，其中，所述机侧第一端口与所述网侧第一端口的极性相同，
在N＝M+1的情况下，所述第二桥端开关器件的一端连接到第N个第一桥臂的第二端，所述第二桥端开关器件的另一端连接到所述DC/DC变换器的机侧第二端口。
2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，第i个第一桥间开关器件的阳极连接到第i个第一桥臂的第二端，第i个第一桥间开关器件的阴极连接到第i个第二桥臂的第二端，第j个第二桥间开关器件的阴极连接到第j个第二桥臂的第一端，第j个第二桥间开关器件的阳极连接到第j+1个第一桥臂的第一端。
3.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述第一桥端开关器件包括并联的二极管和晶闸管，所述二极管的阳极和所述晶闸管的阴极连接到所述机侧第一端口，所述二极管的阴极和所述晶闸管的阳极连接到所述第M个第二桥臂的第一端。
4.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述第二桥端开关器件为晶闸管，所述晶闸管的阳极连接到所述第N个第一桥臂的第二端，所述晶闸管的阴极连接到所述机侧第二端口。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括第三桥端开关器件，所述第三桥端开关器件的一端连接到所述网侧第一端口，所述第三桥端开关器件的另一端连接到所述第1个第一桥臂的第二端。
6.根据权利要求5所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述第三桥端开关器件包括并联的二极管和晶闸管，所述二极管的阳极和所述晶闸管的阴极连接到所述第1个第一桥臂的第二端，所述二极管的阴极和所述晶闸管的阳极连接到所述网侧第一端口。
7.根据权利要求5所述的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器还包括充电电路，所述充电电路包括限流电阻、第一开关和第二开关，所述限流电阻的一端连接到所述网侧第一端口和所述第二开关的一端，所述限流电阻的另一端连接到所述第一开关的一端和所述第二开关的另一端，所述第一开关的另一端连接到所述第三桥端开关器件的所述一端。
8.一种直流风力发电机组，其特征在于，所述直流风力发电机组包括根据权利要求1至7中的任一项所述的DC/DC变换器。
9.根据权利要求8所述的直流风力发电机组，其特征在于，所述直流风力发电机组还包括耗能电路，所述耗能电路的两端分别连接到所述DC/DC变换器的机侧正极端口和机侧负极端口。
10.根据权利要求8或9所述的直流风力发电机组，其特征在于，所述直流风力发电机组为半直驱直流风力发电机组或直驱直流风力发电机组。
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