CN117458861A - 适用于深远海风电机组的直流升压变流器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器及其应用方法，本发明的直流升压变流器包括电感L1、无源箝位电路、三绕组耦合电感器、电容Cb、二极管D0、输出电容C0和m层堆叠的开关电容器，无源箝位电路包括开关S、二极管Da和电容器Ca，开关S通过电感L1与输入端相连，三绕组耦合电感器包括绕组N1～N3，绕组N1、绕组N3和电容Cb串联后与二极管Da并联，三绕组耦合电感器经m层堆叠的开关电容器和二极管D0连到输出端，输出电容C0并联布置在输出端。本发明的直流升压变流器具有电压增益高、开关上的电压应力小、输出电压低、输出电压稳定的优点，尤其适用于深远海大容量高压直流输电。
Description
技术领域
本发明涉及深远海风力发电技术领域，具体涉及一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器及其应用方法。
背景技术
由于近海区域受到内陆地形和水文气象影响，风力资源远不如深远海区域丰富和稳定，且受制于渔业、航运等重要行业的影响，不利于大容量风机和大规模风电场的建设。因此，海上风电行业必将朝向深远海区域发展，面向深远海的新型大容量海上漂浮式风电机组应运而生并且重要性愈发凸显。随着离岸距离加强，目前基于柔性直流的海上风电输送系统正成为海上风电发展的主要技术路线。鉴于现有海上风电场中存在的问题，以及柔性直流技术的不断发展，不仅使用直流技术进行风电场电能的输送和并网，在风电场内部也使用直流技术汇集电能的全直流海上风电场成为近年来的研究热点。海上风电场采用直流汇集时，期望通过使用重量更轻、功率密度更高的DC/DC变流器进行升压。但是，传统的DC/DC变流器采难以同时实现高电压增益，开关低电压应力、低开关损耗等特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器及其应用方法，本发明的直流升压变流器具有电压增益高、开关上的电压应力小、输出电压低、输出电压稳定的优点，尤其适用于深远海大容量高压直流输电。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器，包括输入电感L1、无源箝位电路、三绕组耦合电感器、电容Cb、二极管D0、输出电容C0和m层堆叠的开关电容器，所述无源箝位电路由开关S、二极管Da和电容器Ca首尾相连构成，所述开关S通过输入电感L1与输入端相连，所述三绕组耦合电感器包括三个绕组N1～N3，其中绕组N1、绕组N3和电容Cb三者串联后与二极管Da并联连接，所述三绕组耦合电感器依次经过m层堆叠的开关电容器和二极管D0后连接到输出端的正极，且输出端与输入端共负极，所述输出电容C0并联布置在输出端的正极和负极之间，其中开关电容器的堆叠层数m为大于等于1的整数。
可选地，所述开关电容器的堆叠层数m为大于1的整数，所述m层堆叠的开关电容器中，每一组开关电容器i包括两个二极管Di1和Di2和两个电容Ci1和Ci2，且m层堆叠是指所有m层开关电容器中的两个二极管Di1和Di2依次串联；且两个电容Ci1和Ci2中，电容Ci1一端与两个二极管Di1和Di2之间的中间接点电连接、另一端与绕组N3和电容Cb之间的中间接点电连接；m层开关电容器中的电容Ci2串联在绕组N2远离绕组N3侧的连接端、二极管D0之间，每组相邻层开关电容器中的电容Ci2之间均设有一个抽头并电连接到其中相邻层开关电容器中两个二极管Di1和Di2串联升压支路之间。
此外，本发明还提供一种深远海风电机组，包括相互连接的风电机组和直流升压变流器，所述直流升压变流器为所述的适用于深远海风电机组的直流升压变流器。
可选地，所述风电机组包括多个风机及其对应的发电机，各个发电机的输出端连接有整流器，且整流器首尾串联形成整流器串联升压支路，所述整流器串联升压支路与直流升压变流器的输入端电连接。
可选地，所述风机包括沿着风力方向前后布置的前叶轮、后叶轮共两组叶轮，且前叶轮、后叶轮共两组叶轮分别独立驱动一个发电机，每一个发电机包含两个绕组，每一个绕组的输出端均连接一个整流器，且多个风机的所有前叶轮对应整流器首尾串联连接形成前叶轮整流器串联升压支路，多个风机的所有后叶轮对应整流器首尾串联连接形成后叶轮整流器串联升压支路，所述前叶轮整流器串联升压支路和后叶轮整流器串联升压支路两者并联连接到直流升压变流器的输入端。
此外，本发明还提供一种前述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法，包括：在设计所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器时，通过包括改变绕组N1的匝数、绕组N2的匝数、开关电容器的堆叠层数m和用于控制开关S的占空比D来改变适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益，直至适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益等于设计增益。
可选地，所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益的计算函数表达式为：
上式中，B为升压电压增益，Vo为输出电压，Vg为输入电压，n1为绕组N1的匝数，n2为绕组N2的匝数、m为开关电容器的堆叠层数，D为控制开关S的占空比，k1～k3分别为绕组N1、N2、N3的耦合系数。
可选地，所述绕组N1、N2、N3的耦合系数的计算函数表达式为：
上式中，LN1、LN2和LN3分别为绕组N1、N2、N3的电感，L1k、L2k、L3k分别为绕组N1、N2、N3的漏感。
此外，本发明还提供一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
1、本发明适用于深远海风电机组的直流升压变流器包括电感L1、无源箝位电路、三绕组耦合电感器、电容Cb、二极管D0、输出电容C0和m层堆叠的开关电容器，所述无源箝位电路由开关S、二极管Da和电容器Ca首尾相连构成，通过将三绕组耦合电感器和m层堆叠开关电容器集成到改进的准Z源网络中，在不增加耦合电感器的磁芯尺寸和总电感的同时增大了转换器的电压增益，能够有效地提升风力发电机组的升压等级。
2、本发明适用于深远海风电机组的直流升压变流器可通过多个调制因子，包括优化占空比、匝数比和开关电容器m的层数以实现高效率直流升压，不需要修改主电路，调整升压增益方式灵活多样。
3、本发明适用于深远海风电机组的直流升压变流器由于输入电感L1的存在，输入电流纹波小；而且通过无源箝位电路，能够回收漏感能量。
附图说明
图1为本发明实施例一中直流升压变流器的结构示意图。
图2为本发明实施例二中直流升压变流器的结构示意图。
图3为本发明实施例二中深远海风电机组的结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器，包括输入电感L1、无源箝位电路(图中表示为Clamp)、三绕组耦合电感器、电容Cb、二极管D0、输出电容C0和m层堆叠的开关电容器，无源箝位电路由开关S、二极管Da和电容器Ca首尾相连构成，开关S通过输入电感L1与输入端相连，三绕组耦合电感器包括三个绕组N1～N3，其中绕组N1、绕组N3和电容Cb三者串联后与二极管Da并联连接，三绕组耦合电感器依次经过m层堆叠的开关电容器和二极管D0后连接到输出端的正极，且输出端与输入端共负极，输出电容C0并联布置在输出端的正极和负极之间，其中开关电容器的堆叠层数m为等于1的整数。本实施例适用于深远海风电机组的直流升压变流器通过将三绕组耦合电感器和m层堆叠开关电容器集成到改进的准Z源网络中，在不增加耦合电感器的磁芯尺寸和总电感的同时增大了转换器的电压增益，能够有效地提升风力发电机组的升压等级。
实施例二：
本实施例为对实施例一的扩展(本实施例中开关电容器的堆叠层数m为大于1的整数)。
如图2所示，本实施例中m层堆叠的开关电容器中，每一组开关电容器i包括两个二极管Di1和Di2和两个电容Ci1和Ci2，且m层堆叠是指所有m层开关电容器中的两个二极管Di1和Di2依次串联；且两个电容Ci1和Ci2中，电容Ci1一端与两个二极管Di1和Di2之间的中间接点电连接、另一端与绕组N3和电容Cb之间的中间接点电连接；m层开关电容器中的电容Ci2串联在绕组N2远离绕组N3侧的连接端、二极管D0之间，每组相邻层开关电容器中的电容Ci2之间均设有一个抽头并电连接到其中相邻层开关电容器中两个二极管Di1和Di2串联升压支路之间。图3中，Lm表示励磁电感，L1k、L2k、L3k分别表示绕组N1、N2、N3的漏感。
如图3所示，本实施例还提供一种深远海风电机组，包括相互连接的风电机组和直流升压变流器，直流升压变流器为本实施例前述适用于深远海风电机组的直流升压变流器。本实施例的风电机组包括多个风机(图3中为两个风机，记为风机1和风机2)及其对应的发电机，各个发电机的输出端连接有整流器，且整流器首尾串联形成整流器串联升压支路，整流器串联升压支路与直流升压变流器的输入端电连接。如图3所示，本实施例的风机包括沿着风力方向前后布置的前叶轮、后叶轮共两组叶轮，且前叶轮、后叶轮共两组叶轮分别独立驱动一个发电机(风机1包括前叶轮的发电机1和后叶轮的发电机1，风机2包括前叶轮的发电机2和后叶轮的发电机2)，每一个发电机包含两个绕组(图3中表示为绕组1和绕组2)，每一个绕组的输出端均连接一个整流器，且多个风机的所有前叶轮对应整流器(本实施例中具体为4台整流器)首尾串联连接形成前叶轮整流器串联升压支路，多个风机的所有后叶轮对应整流器(本实施例中具体为4台整流器)首尾串联连接形成后叶轮整流器串联升压支路，前叶轮整流器串联升压支路和后叶轮整流器串联升压支路两者并联连接到直流升压变流器的输入端。可选地，本实施例中前叶轮、后叶轮为X型叶轮，即前叶轮、后叶轮均为沿同一直线分布的两个叶片，且两者投影到同一平面后交叉呈X状。
此外，本实施例还提供一种前述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法，包括：在设计适用于深远海风电机组的直流升压变流器时，通过包括改变绕组N1的匝数、绕组N2的匝数、开关电容器的堆叠层数m和用于控制开关S的占空比D来改变适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益，直至适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益等于设计增益。
本实施例直流升压变流器的升压电压增益的计算函数表达式为：
上式中，B为升压电压增益，VO为输出电压，Vg为输入电压，n1为绕组N1的匝数，n2为绕组N2的匝数，m为开关电容器的堆叠层数，D为控制开关S的占空比，k1～k3分别为绕组N1、N2、N3的耦合系数。
其中，绕组N1、N2、N3的耦合系数的计算函数表达式为：
上式中，LN1、LN2和LN3分别为绕组N1、N2、N3的电感，L1k、L2k、L3k分别为绕组N1、N2、N3的漏感。
本实施例中直流升压变流器的升压电压增益的计算函数表达式的推导过程如下：根据图2所示电路，当开关S导通时，输入端电压Vg为输入电感L1供电，二极管Do由输出电压Vo反向偏置。二极管D11、D21和Dm1分别由电容C11、C21和Cm1的电容电压VC11、VC21和VC(m1)反向偏置。二极管D12、D22和Dm2导通，电容C11、C21和Cm1中存储的能量被传输到电容C12、C22、Cm2和绕组N2。电容Ca将其能量传输到磁化电感器Lm、漏电电感器L1k、绕组N3和电容Cb。因此，在开关导通时有：
上式中，VL1_ON、VN1_ON、VN2_ON和VN3_ON分别为输入电感L1、绕组N1、绕组N2和绕组N3在接通状态期间两端的电压，Vg为输入电压，VCa和VCb分别为电容Ca和电容Cb两端的电压，VC11和VC12分别为电容C11和电容C12两端的电压，n1为绕组N1的匝数，n2为绕组N2的匝数。
当开关S关断时，存储在输入电感器L1中的能量通过二极管Do传输到输出电容和负载。二极管D12、D22和Dm2分别由电容电压VC12、VC22和VCm2反向偏置。电容C12、C22、...、Cm2和绕组N2中的存储能量通过二极管D11、D21和Dm1和二极管Do传输到电容C12、C22、...、Cm2和输出电容Co。绕组N2将其能量传递给电容C11。此时，电容Ca充电，电容Cb放电。因此，在开关断时有：
上式中，VL1_OFF、VN1_OFF、VN2_OFF和VN3_OFF分别为输入电感L1、绕组N1、绕组N2和绕组N3在关断状态期间两端的电压。
基于伏秒平衡定律，结合(3)和(4)，电容电压可以表示为：
上式中，VCm1和VCm2分别为电容Cm1和电容Cm2两端的电压，Vo为输出电压，n1为绕组N1的匝数，n2为绕组N2的匝数，m为开关电容器的堆叠层数，D为控制开关S的占空比，k1～k3分别为绕组N1、N2、N3的耦合系数。因此，输出电压VO可被写成：
从而可以得到直流升压变流器的升压电压增益的计算函数表达式为：
上式中，B为升压电压增益，VO为输出电压，Vg为输入电压，n1为绕组N1的匝数，n2为绕组N2的匝数，m为开关电容器的堆叠层数，D为控制开关S的占空比，k1～k3分别为绕组N1、N2、N3的耦合系数。
此外，本实施例还提供一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用系统，包括相互连接的微处理器和存储器，微处理器被编程或配置以执行前述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行前述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器，其特征在于，包括输入电感L1、无源箝位电路、三绕组耦合电感器、电容Cb、二极管D0、输出电容C0和m层堆叠的开关电容器，所述无源箝位电路由开关S、二极管Da和电容器Ca首尾相连构成，所述开关S通过输入电感L1与输入端相连，所述三绕组耦合电感器包括三个绕组N1～N3，其中绕组N1、绕组N3和电容Cb三者串联后与二极管Da并联连接，所述三绕组耦合电感器依次经过m层堆叠的开关电容器和二极管D0后连接到输出端的正极，且输出端与输入端共负极，所述输出电容C0并联布置在输出端的正极和负极之间，其中开关电容器的堆叠层数m为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的适用于深远海风电机组的直流升压变流器，其特征在于，所述开关电容器的堆叠层数m为大于1的整数，所述m层堆叠的开关电容器中，每一组开关电容器i包括两个二极管Di1和Di2和两个电容Ci1和Ci2，且m层堆叠是指所有m层开关电容器中的两个二极管Di1和Di2依次串联；且两个电容Ci1和Ci2中，电容Ci1一端与两个二极管Di1和Di2之间的中间接点电连接、另一端与绕组N3和电容Cb之间的中间接点电连接；m层开关电容器中的电容Ci2串联在绕组N2远离绕组N3侧的连接端、二极管D0之间，每组相邻层开关电容器中的电容Ci2之间均设有一个抽头并电连接到其中相邻层开关电容器中两个二极管Di1和Di2串联升压支路之间。
3.一种深远海风电机组，包括相互连接的风电机组和直流升压变流器，其特征在于，所述直流升压变流器为权利要求1或2所述的适用于深远海风电机组的直流升压变流器。
4.根据权利要求3所述的适用于深远海风电机组，其特征在于，所述风电机组包括多个风机及其对应的发电机，各个发电机的输出端连接有整流器，且整流器首尾串联形成整流器串联升压支路，所述整流器串联升压支路与直流升压变流器的输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的适用于深远海风电机组，其特征在于，所述风机包括沿着风力方向前后布置的前叶轮、后叶轮共两组叶轮，且前叶轮、后叶轮共两组叶轮分别独立驱动一个发电机，每一个发电机包含两个绕组，每一个绕组的输出端均连接一个整流器，且多个风机的所有前叶轮对应整流器首尾串联连接形成前叶轮整流器串联升压支路，多个风机的所有后叶轮对应整流器首尾串联连接形成后叶轮整流器串联升压支路，所述前叶轮整流器串联升压支路和后叶轮整流器串联升压支路两者并联连接到直流升压变流器的输入端。
6.一种权利要求1或2所述的适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法，其特征在于，包括：在设计所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器时，通过包括改变绕组N1的匝数、绕组N2的匝数、开关电容器的堆叠层数m和用于控制开关S的占空比D来改变适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益，直至适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益等于设计增益。
7.根据权利要求6所述的适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法，其特征在于，所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的升压电压增益的计算函数表达式为：
上式中，B为升压电压增益，Vo为输出电压，Vg为输入电压，n1为绕组N1的匝数，n2为绕组N2的匝数、m为开关电容器的堆叠层数，D为控制开关S的占空比，k1～k3分别为绕组N1、N2、N3的耦合系数。
8.根据权利要求7所述的适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法，其特征在于，所述绕组N1、N2、N3的耦合系数的计算函数表达式为：
上式中，LN1、LN2和LN3分别为绕组N1、N2、N3的电感，L1k、L2k、L3k分别为绕组N1、N2、N3的漏感。
9.一种适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求6～8中任意一项所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行权利要求6～8中任意一项所述适用于深远海风电机组的直流升压变流器的应用方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117674591A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-08 | 南京信息工程大学 | 一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器 |
-
2023
- 2023-09-27 CN CN202311267008.XA patent/CN117458861A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117674591A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-08 | 南京信息工程大学 | 一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器 |
| CN117674591B (zh) * | 2024-01-30 | 2024-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种基于改进型准z源网络的单开关dc-dc变换器 |
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