CN117175920A - 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，包括多个DC‑DC变换器，相邻所述DC‑DC变换器之间均连接一个LC支路，所述LC支路用于对应所述DC‑DC变换器之间功率的传递。本发明的多端口变换器在低压侧故障时，闭锁故障端口的开关，将故障点与其他端口隔离，通过LC支路进行功率均衡，高压端口与其他健康的低压端口都可以继续收集与传输能量，运行效率更高，在高压侧故障时，将故障能量锁存在电容中，有效抑制短路电流的上升，故障清除时间更短。
Description
技术领域
本发明涉及电力应用领域，尤其涉及一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器。
背景技术
随着风电装机容量的增加，本地负荷已经足以消纳过剩的风电能量，风电系统需要被传输到其他负荷密集的地方。相对于低压直流，中压直流与高压直流具有更高的传输效率。然而，单个DC-DC变换器的输出电压较低，难以实现高效率的能量传输。
输入独立输出串联的DC-DC变换器是一种新型，简单，高效的应用于风电的直流变换器。通过子模块的级联，该变换器具有高升压比，进而实现对风电能量的高效率的收集与传输。
然而，直流短路故障是制约中压直流发展的最重要的因素。新型的直流变换器因为具有更多的端口，更加容易出现短路故障。现有的直流变换器在遇到故障时，故障清除时间长，危害直流变换器的运行安全，导致运行效率低。
发明内容
为了解决上述提出的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，以提高多端口直流变换器的故障穿越性能。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
本发明提供了一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，包括多个DC-DC变换器，所述DC-DC变换器用于将输入直流电压转换为电压不同的直流电压并输出，相邻所述DC-DC变换器之间均连接一个LC支路，所述LC支路用于对应所述DC-DC变换器之间功率的传递。
优选地，相邻所述LC支路之间均连接一个续流二极管，所述续流二极管用于高压侧故障穿越。
优选地，所述DC-DC变换器包括原边电路和副边电路，所述原边电路通过高频隔离变压器与所述副边电路耦合；
所述原边电路包括输入电容、H桥和移相电感，所述输入电容的正极与所述H桥的第一输入端连接，所述输入电容的负极与所述H桥的第二输入端连接，所述移相电感的一端与所述H桥的第一输出端连接，所述移相电感的另一端与所述高频隔离变压器的第一输入端连接，所述高频隔离变压器的第二输入端与所述H桥的第二输出端连接；
所述副边电路包括输出电容、第一二极管、第二二极管、第一NMOS管和第二NMOS管，所述高频隔离变压器的第一输出端与所述第一二极管的正极连接，所述第一二极管的负极与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极与所述高频隔离变压器的第二输出端连接，所述第二NMOS管的漏极与所述第一NMOS管的源极连接，所述第二NMOS管的源极与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第一二极管的正极连接，所述输出电容的正极与所述第一二极管的正极连接，所述输出电容的负极与所述第二二极管的负极连接。
优选地，相邻所述副边电路之间连接一个三极管，所述三级管的发射极与所述第二二极管的正极连接，所述三极管的集电极与相邻所述副边电路中的第一二极管的负极连接。
优选地，所有所述DC-DC变换器均采用输入独立输出串联结构。
优选地，所述多端口直流变换器还包括多个MPPT控制模块，所述MPPT控制模块与所述DC-DC变换器的输入端连接，用于控制风力发电单元以最大功率输出。
优选地，所有所述DC-DC变换器均采用移相控制保持输出电压的均衡。
优选地，当所述DC-DC变换器正常工作时，故障穿越拓扑不工作。
优选地，当所述DC-DC变换器的原边电路发生故障时，故障所述DC-DC变换器将所述原边电路和副边电路隔离，所述LC支路将功率传递至故障所述DC-DC变换器，支撑故障所述DC-DC变换器的输出电压。
优选地，当所述DC-DC变换器的副边电路发生故障时，故障所述DC-DC变换器将所述原边电路和副边电路隔离，所述输出电容反向串联在故障回路中抑制短路电流。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的多端口变换器在低压侧故障时，闭锁故障端口的开关，将故障点与其他端口隔离，通过LC支路进行功率均衡，高压端口与其他健康的低压端口都可以继续收集与传输能量，运行效率更高，在高压侧故障时，将故障能量锁存在电容中，有效抑制短路电流的上升，故障清除时间更短。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本发明公开的技术方案。
图1为本发明的多端口直流变换器的电路结构图；
图2为低压侧逆变电路故障穿越过程的电路示意图；
图3为低压侧逆变电路故障穿越控制原理示意图；
图4为高压侧整流电路故障隔离等效电路图；
图5为本发明与传统方案的效率对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样能够实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
输入独立输出串联的DC-DC变换器是一种新型，简单，高效的应用于风电的直流变换器。新型的直流变换器因为具有更多的端口，更加容易出现短路故障。传统的故障穿越拓扑不具备软开关特征，功率损耗大，成本高；故障穿越性能低，故障清除时间长，发热明显，危害了变换器的运行安全。本发明实施例的多端口变换器在低压侧故障时，闭锁故障端口的开关，将故障点与其他端口隔离，通过LC支路进行功率均衡，高压端口与其他健康的低压端口都可以继续收集与传输能量，提高了运行效率，在高压侧故障时，将故障能量锁存在电容中，有效抑制短路电流的上升，缩短了故障清除时间。
本实施例提供一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，参见图1，包括多个DC-DC变换器，相邻DC-DC变换器之间均连接一个LC支路，LC支路用于对应DC-DC变换器之间功率的传递。需要说明的是，LC支路包括第一电感LB,N和第一电容CB,N，第一电感LB,N的一端与DC-DC变换器的副边电路连接，第一电感LB,N的另一端与第一电容CB,N的正极连接，第一电容CB,N的负极与相邻DC-DC变换器的副边电路连接。
在本实施例中，若多端口直流变换器包括N个DC-DC变换器，则有N-1条LC支路，LC支路的两端分别连接相邻DC-DC变换器中的副边电路，N-1条LC支路依次连接，即第一LC支路的两端分别连接第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器中的副边电路，第二LC支路的第一端连接第二DC-DC变换器的副边电路并与第一LC支路的第二端连接，第二端连接第三DC-DC变换器中的副边电路，其他LC支路的连接方式以此类推。优选地，相邻LC支路之间均连接一个续流二极管DN，续流二极管DN用于高压侧故障穿越。
在本实施例中，若第一续流二极管D1连接于第一LC支路和第二LC支路之间，其连接方式为第一续流二极管D1的正极连接第三DC-DC变换器中第二二极管D3,2的正极，第一续流二极管D1的负极连接第一LC支路中第一电容LB,1的正极，其他续流二极管的连接方式以此类推。
优选地，DC-DC变换器包括原边电路和副边电路，原边电路通过高频隔离变压器与副边电路耦合；
原边电路包括输入电容、H桥和移相电感，输入电容的正极与H桥的第一输入端连接，输入电容的负极与H桥的第二输入端连接，移相电感的一端与H桥的第一输出端连接，移相电感的另一端与高频隔离变压器的第一输入端连接，高频隔离变压器的第二输入端与H桥的第二输出端连接；
副边电路包括输出电容、第一二极管DN,1、第二二极管DN,2、第一NMOS管SN,5和第二NMOS管SN,6，高频隔离变压器的第一输出端与第一二极管DN,1的正极连接，第一二极管DN,1的负极与第一NMOS管SN,5的漏极连接，第一NMOS管SN,5的源极与高频隔离变压器的第二输出端连接，第二NMOS管SN,6的漏极与第一NMOS管SN,5的源极连接，第二NMOS管SN,6的源极与第二二极管DN,2的正极连接，第二二极管DN,2的负极与第一二极管DN,1的正极连接，输出电容的正极与第一二极管DN,1的正极连接，输出电容的负极与第二二极管DN,2的负极连接。
在本实施例中，高频隔离变压器的原边电路为低压侧电路，副边电路为高压侧电路。原边电路中的H桥由4个NMOS管SN,1、SN,2、SN,3和SN,4组成，将4个NMOS管两两正向串联后进行并联，构成含有两个桥臂的桥式电路结构，桥臂两端并联输入电容，构成H桥的两个直流输入端，桥臂中点分别连接移相电感和高频隔离变压器的第二输入端。
其中，N下标表示第N个DC-DC变换器里的电子器件。
优选地，相邻副边电路之间连接一个三极管，三级管的发射极与第二二极管的正极连接，三极管的集电极与相邻副边电路中的第一二极管的负极连接。
优选地，所有DC-DC变换器均采用输入独立输出串联结构。
需要说明的是，所有DC-DC变换器的输入端与风力发电单元独立连接，DC-DC变换器的副边级联，将输出电压串联输出到直流母线上。
优选地，多端口直流变换器还包括多个MPPT控制模块，MPPT控制模块与DC-DC变换器的输入端连接，用于控制风力发电单元以最大功率输出。
需要说明的是，MPPT控制模块连接于风力发电单元和DC-DC变换器的输入端之间，每个DC-DC变换器都进行MPPT控制，实现独立的最大功率跟踪控制，保持风力发电单元的最大功率输出。
优选地，所有DC-DC变换器均采用移相控制保持输出电压的均衡。
在本实施例中，当DC-DC变换器正常工作时，故障穿越拓扑不工作。
具体地，当所有DC-DC变换器都正常工作时，故障穿越拓扑不工作，每个DC-DC变换器采用移相控制，通过控制原边开关与副边开关的相位差，调整适用于MPPT的运行状态。每个DC-DC变换器都进行MPPT，保证风力发电单元的最大功率输出。同样的制造工艺下，各个风力发电单元的输出功率可以认为是相似的，表示如下：
P1≈P2≈…≈PN
每个DC-DC变换器的电压是保持稳定的，电容电流可以忽略不计。根据基尔霍夫电流定律，每个DC-DC变换器的输出电流可以表示如下：
i1＝i2＝…＝iN
即可以得到每个DC-DC变换器的稳定电压值为：
综上可以看出，在正常工作时，每个DC-DC变换器的电压是均衡的，不会超出变换器的调压范围，进而保证所有风力发电单元都工作在最大功率点。
当DC-DC变换器的原边电路发生故障时，故障DC-DC变换器将原边电路和副边电路隔离，LC支路将功率传递至故障DC-DC变换器，支撑故障DC-DC变换器的输出电压。
具体地，当出现低压短路故障时，故障模块输出电压变为零，非故障模块电压上升，出现电压不均衡的问题，导致器件可能过压损坏。当检测到低压侧存在故障时，闭锁故障模块将低压侧与高压侧隔离。参见图2，当模块i发生故障时，其他模块的能量逐步向故障模块传递，用来支撑模块i的输出电压。经过4个模态，模块i-1的能量传递到模块i，用来支撑模块i的输出电压。参见图3，采样所有模块输出电压，并将相邻模块的输出电压进行比较，并送入PI控制器。PI控制器输出量为相邻模块开关运行的相角差。根据移相控制，可以实现相邻模块差分功率的传递，从而实现电压均衡。经过模块间的移相控制，所有模块的输出电压都保持在额定值，系统可以正常运行。
本实施例针对低压侧故障情况，与传统方案相比，所有开关具有软开关特征，运行效率更高。
当DC-DC变换器的副边电路发生故障时，故障DC-DC变换器将原边电路和副边电路隔离，输出电容反向串联在故障回路中抑制短路电流。
具体地，参见图4，当高压侧发生短路故障时，闭锁所有开关，输出电容与故障回路反向串联，迅速抑制短路电流，将短路电路抑制为零，实现高压侧故障自隔离，从而保护装置。
本实施例针对高压侧故障情况，与传统方案相比，故障清除时间缩短一半，有效降低故障电流引起的发热，进而保护设备。
参见图5，图中一组的数据比较中，左边的为本发明的效率，右边的为传统方案效率。可以看出，本实施例的多端口直流变换器的最高效率和最低效率均比传统方案的高，且在故障模块越多的情况下，效率优势更加明显。本发明的多端口变换器在低压侧故障时，闭锁故障端口的开关，将故障点与其他端口隔离，通过LC支路进行功率均衡，高压端口与其他健康的低压端口都可以继续收集与传输能量，运行效率更高，在高压侧故障时，将故障能量锁存在电容中，有效抑制短路电流的上升，故障清除时间更短。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，包括多个DC-DC变换器，所述DC-DC变换器用于将输入直流电压转换为电压不同的直流电压并输出，相邻所述DC-DC变换器之间均连接一个LC支路，所述LC支路用于对应所述DC-DC变换器之间功率的传递。
2.根据权利要求1所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，相邻所述LC支路之间均连接一个续流二极管，所述续流二极管用于高压侧故障穿越。
3.根据权利要求2所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器包括原边电路和副边电路，所述原边电路通过高频隔离变压器与所述副边电路耦合；
所述原边电路包括输入电容、H桥和移相电感，所述输入电容的正极与所述H桥的第一输入端连接，所述输入电容的负极与所述H桥的第二输入端连接，所述移相电感的一端与所述H桥的第一输出端连接，所述移相电感的另一端与所述高频隔离变压器的第一输入端连接，所述高频隔离变压器的第二输入端与所述H桥的第二输出端连接；
所述副边电路包括输出电容、第一二极管、第二二极管、第一NMOS管和第二NMOS管，所述高频隔离变压器的第一输出端与所述第一二极管的正极连接，，所述第一二极管的负极与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极与所述高频隔离变压器的第二输出端连接，所述第二NMOS管的漏极与所述第一NMOS管的源极连接，所述第二NMOS管的源极与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第一二极管的正极连接，所述输出电容的正极与所述第一二极管的正极连接，所述输出电容的负极与所述第二二极管的负极连接。
4.根据权利要求3所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，相邻所述副边电路之间连接一个三极管，所述三级管的发射极与所述第二二极管的正极连接，所述三极管的集电极与相邻所述副边电路中的第一二极管的负极连接。
5.根据权利要求1所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，所有所述DC-DC变换器均采用输入独立输出串联结构。
6.根据权利要求5所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，所述多端口直流变换器还包括多个MPPT控制模块，所述MPPT控制模块与所述DC-DC变换器的输入端连接，用于控制风力发电单元以最大功率输出。
7.根据权利要求1所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，所有所述DC-DC变换器均采用移相控制保持输出电压的均衡。
8.根据权利要求1所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，当所述DC-DC变换器正常工作时，故障穿越拓扑不工作。
9.根据权利要求3所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，当所述DC-DC变换器的原边电路发生故障时，故障所述DC-DC变换器将所述原边电路和副边电路隔离，所述LC支路将功率传递至故障所述DC-DC变换器，支撑故障所述DC-DC变换器的输出电压。
10.根据权利要求3所述的一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器，其特征在于，当所述DC-DC变换器的副边电路发生故障时，故障所述DC-DC变换器将所述原边电路和副边电路隔离，所述输出电容反向串联在故障回路中抑制短路电流。
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