CN207530714U - 一种多重模块化直流变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多重模块化直流变压器，包括中压/高压直流母线、n个输入端串联/并联、输出端串联/并联的子模块单元，n为任意正整数；子模块单元包括依次连接的高频直流变换模块、高频隔离变换模块和低压直流变换模块；本实用新型通过将现有技术中集中的高频交流变压器离散为多个变压器的模块化设计，在减小高频交流变压器制造难度的同时减小了高频隔离环节电压应力；且每个子模块均是一个直流变换器，可以独立调试和运行，也可以串并联组合成高压大容量的直流变压器运行，有效提高了系统效率。

Description

一种多重模块化直流变压器

技术领域

本实用新型属于电力技术领域，涉及到固态变压器，特别涉及一种多重模块化直流变压器。

背景技术

在直流电网中，由于全控型电压源换流器(VSC)技术的成熟，柔性直流输电技术发展迅速，在风电场接入、孤立负荷供电、非同步电网联网等方面具有很大的应用前景。尤其是多端柔性直流输电的发展，为直流组网提供了有效的技术途径，并且激励着柔性直流技术向配电侧延伸。

为了实现直流配电网高、中压直流配电母线与低压直流微电网母线或各种不同直流电压等级的负荷、储能系统和分布式发电的连接，直流变压器得到广泛的研究；而模块化提高直流变压器电压等级和容量是现有技术的重要研究方向。

比如专利《一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器》 (申请号：CN201510181572.9)，主要由依次相连的低压直流变换级、高频隔离变换级和高压直流变换级组成，低压直流变换级中的m个全桥变换器的直流侧并联引出低压直流端，交流侧与高频隔离变换级中m个高频隔离变压器的原边分别相连，高频隔离变压器副边依次串联后与串联电感联组成高压高频交流端，高压高频交流端与高压直流变换级中模块化多电平变换器(MC)的交流端连接，模块化多电平变换器(MC)的直流侧引出高压直流端，模块化多电平变换器(MC)由包含多个子模块的子桥臂组成。

比如专利《一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器》(申请号：CN201410361071.4)，由两个模块化多电平变换器和变压器组成，第一模块化多电平变换器由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块串联；变压器的原、副边均由k个绕组组成；第二模块化多电平变换器由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块SM串联；第一模块化多电平变换器中各个桥臂的中点分别与变压器的原边引线相连；第二模块化多电平变换器各个桥臂的中点分别与变压器的副边引线相连。本实用新型可实现高压和低压或高压直流输配电网的电压匹配。

以上现有技术均通过模块化技术提高直流变压器电压等级和容量来满足高、中压直流配电网或低压直流微电网母线间不同直流电压等级的连接，但其高频隔离环节均是在两级变换中间进行集中隔离变换，但这种设计方式导致变压器高频电压都非常高，往往等于高压、中压直流侧的电压，这样在开关过程中将会带来很大的电压应力，容易造成电子器件损坏；另外在调试中、低压直流变换级或者高压直流变换级时需要将该变换级作为一个整体进行调试，降低了安装和调试的灵活性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种多重模块化直流变压器，通过将现有技术中集中的高频交流变压器离散为多个变压器的模块化设计，在减小高频交流变压器制造难度的同时减小了高频隔离环节电压应力；且每个子模块均是一个直流变换器，可以独立调试和运行，也可以串并联组合成高压大容量的直流变压器运行，有效提高了系统效率。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种多重模块化直流变压器，包括中压/高压直流母线、n个输入端串联/并联、输出端串联/并联的子模块单元，n为任意正整数；子模块单元包括依次连接的高频直流变换模块、高频隔离变换模块和低压直流变换模块；其中，n个子模块单元的高频隔离变换模块高压侧电压之和为中压/高压直流母线电压。

进一步的，高频直流变换模块采用H桥结构，高频直流变换模块子桥臂均设有相同数目的至少一个的由全控型桥臂与直流电容并联构成的开关模块。当开关模块的数目大于或等于2时，子桥臂的开关模块相互串联设置。

具体的，开关模块由第一开关、第二开关、第一二级管、第二二极管和直流电容构成，第一开关与第一二级管反并联，第二开关与第二二级管反并联，第一开关与第二开关串联，第一开关的集电极与直流电容的正极相连，第二开关的发射极与直流电容的负极相连。

进一步的，高频直流变换模块子桥臂上的开关模块均通过桥臂电感与对应桥臂中点连接。

进一步的，高频隔离变换模块包括高频隔离变压器、谐振电容和谐振电感,高频直流变换模块通过谐振电容和谐振电感与高频隔离变压器原边绕组相连。

作为本实用新型低压直流变换模块第一实施例，低压直流变换模块包括由四个开关管作为开关构成的低压侧H全桥结构，四个开关管分别反向并联有二极管，低压侧H全桥结构右侧并联直流电容后串接在高频隔离变压器副边绕组与低压侧直流微网间。

作为本实用新型低压直流变换模块第二实施例，低压直流变换模块结构与高频直流变换模块结构相同。

作为本实用新型低压直流变换模块第三实施例，低压直流变换模块包括由四个二极管作为开关构成的低压侧H全桥结构，低压侧H全桥结构右侧并联直流电容后串接在高频隔离变压器副边绕组与低压侧直流微网间。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型提供的多重模块化直流变压器将现有技术集中设置的高频交流变压器离散为n个子模块单元高频隔离变换模块中的变压器，使得n个子模块单元中高频隔离环节的电压都很低，是现有技术中中压/高压直流母线电压的1/n，因此电压应力小，在减小高频交流变压器制造难度的同时减小了高频环节的dv/dt，避免了变压器寄生电容造成的过电流。

(2)本实用新型提供的多重模块化直流变压器通过采用基于半桥结构改进的H桥结构，实现冗余设计和故障隔离。

(3)本实用新型提供的多重模块化直流变压器中每个子模块单元均是一个DC/DC变换器，可以独立调试和运行，也可以串并联组合成高压大容量的直流变压器运行。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本实用新型提供的多重模块化直流变压器拓扑结构图；

图2为本实用新型提供的对低压侧进行改进的多重模块化直流变压器拓扑结构图；

图3为本实用新型提供应用于功率单向传输的多重模块化直流变压器拓扑结构图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。

现在将参照附图更全面地描述示例实施例；然而，示例实施例可以以不同的形式被实现并且不应该被解释为限于在这里阐述的实施例。相反，这些实施例被提供以使本公开是全面的和完整的，并且将向本领域技术人员完全地传达示例性实施方式。相同的标号始终表示相同的元件。

还将理解，当一个元件被称为在另一元件“之间”、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可以直接在另一元件之间、直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”在另一元件“之间”、直接“连接到”或“结合到”另一元件时，不存在中间元件。

本实用新型提供一种应用于中压直流(MVDC)/高压直流(HVDC) 电网的多重模块化直流变压器，包括中压/高压直流母线，其拓扑结构如图1所示，包括n个相同的模块化的子模块单元：子模块单元1、子模块单元2、…子模块单元i、…子模块单元n，其中n为任意正整数，1≤i≤n。每个子模块单元包括依次连接的高频直流变换模块、高频隔离变换模块和低压直流变换模块。

本实用新型将现有技术集中设置的高频交流变压器离散为n个子模块单元高频隔离变换模块中的变压器，使得n个子模块单元中高频隔离环节的电压都很低，n个子模块单元的高频隔离变换模块高压侧电压之和为中压/高压直流母线电压，因此电压应力小，在减小高频交流变压器制造难度的同时减小了高频环节的dv/dt，避免了变压器寄生电容造成的过电流。

高频直流变换模块采用基于半桥结构改进的H桥结构，如图1所示， H桥结构的两个桥臂(第一桥臂和第二桥臂)均由上下子桥臂组成，每个子桥臂均设有结构相同的若干个相互串联的由全控型桥臂与直流电容并联构成的开关模块，图1中仅画出每个子桥臂设置一个开关模块的实施例，但在实际应用中，每个子桥臂可设置多个相互串联的开关模块。以下仅以设置一个开关模块的为例进行说明。

其中，第一桥臂上桥臂设有第一开关模块，第一开关模块的全控型桥臂由第一开关S_i111、第二开关S_i112、第一二级管D_i111、第二二极管D_i112和直流电容C_i11构成，第一开关S_i111与第一二级管D_i111反并联，第二开关S_i112与第二二级管D_i112反并联，第一开关S_i111与第二开关S_i112串联，第一开关S_i112的集电极与直流电容C_i11的正极相连，第二开关S_i112的发射极与直流电容C_i11的负极相连。

类似的，第一桥臂下桥臂设有第二开关模块，第二开关模块由第一开关S_i121、第二开关S_i122、第一二级管D_i121、第二二极管D_i122和直流电容C_i12构成，其连接结构与上述第一开关模块相同；第二桥臂上桥臂设有第三开关模块，第三开关模块由第一开关S_i131、第二开关S_i132、第一二级管D_i131、第二二极管D_i132和直流电容C_i13构成，其连接结构与上述第一开关模块相同；第二桥臂上桥臂设有第四开关模块，第四开关模块由第一开关S_i141、第二开关S_i142、第一二级管D_i141、第二二极管D_i142和直流电容C_i14构成，其连接结构与上述第一开关模块相同。

进一步的，上述第一开关模块、第二开关模块分别通过桥臂电感L_A与第一桥臂中点连接，第三开关模块、第四开关模块分别通过桥臂电感 L_A与第二桥臂中点连接。

当n个子模块单元中的某个子模块单元发生故障时，将高频直流变换模块H桥中的四个开关模块中第二开关导通，四个开关模块中的第一开关和低压直流变换模块中开关驱动脉冲均关断，可以旁路该故障子模块单元，从而实现冗余设计和故障隔离，另外当高压/中压直流侧短路时，关断高频直流变换模块所有开关的驱动脉冲，可以切断短路电流。

高频隔离变换模块包括高频隔离变压器T、谐振电容Cs和谐振电感 L_s,高频直流变换模块与高频隔离变压器T之间串联谐振电容Cs和谐振电感L_s，通过在交流环节采用谐振方案，可以提高系统效率。其中谐振电容Cs、谐振电感Ls以及上述桥臂电感L_A的值为大于或等于零的任何值。当谐振电容Cs、谐振电感Ls以及上述桥臂电感L_A的值等于零，即等效为不包含谐振电容Cs、谐振电感Ls以及上述桥臂电感L_A的应用情形。

作为本实用新型低压直流变换模块第一种实施方式，如图1所示，低压直流变换模块包括由四个开关管S_i21，S_i22，S_i23，S_i24作为开关构成的低压侧H全桥结构，四个开关管S_i21，S_i22，S_i23，S_i24分别反向并联有二极管D_i21，D_i22，D_i23，D_i24，该低压侧H全桥结构右侧并联有一直流电容C_i2后串接在高频隔离变压器T副边绕组与低压侧直流(LVDC)微网间。

作为本实用新型低压直流变换模块第二种实施方式，如图2所示，为了使低压直流变换模块同样具有了冗余结构设计与直流故障处理能力，低压直流变换模块采用与高频直流变换模块相同的基于半桥结构改进的H桥结构，然后串接在高频隔离变压器T副边绕组与低压侧直流 (LVDC)微网间。

作为本实用新型低压直流变换模块第三种实施方式，当应用于功率单向传输的场景时，低压直流变换模块包括由四个二极管D_i21，D_i22， D_i23，D_i24作为开关构成的低压侧H全桥结构，然后并联直流电容C_i2后串接在高频隔离变压器T副边绕组与低压侧直流(LVDC)微网间。从而在满足功率单向传输的同时提高了经济性。

本实用新型提供的多重模块化直流变压器在具体工作过程中，中(高) 压侧高频直流变换模块H桥开关管采用脉冲宽度调制，在交流输出侧产生两电平或三电平高频波；低压侧同样是采用脉冲宽度调制，在交流输出侧产生两电平或三电平高频波。

除了上述连接方式以外，以上述子模块单元为基本单元，根据应用场景的不同，本实用新型提供的变多重模块化直流变压器还可以进行中 (高)压侧串联-低压侧串联、中(高)压侧并联-低压侧并联以及中(高)压侧并联-低压侧串联的结构。

本实用新型提供的多重模块化直流变压器中每个子模块单元均是一个DC/DC变换器，可以独立调试和运行，也可以串并联组合成高压大容量的直流变压器运行，提高安装和调试的灵活性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，另外，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多重模块化直流变压器，其特征在于：包括中压/高压直流母线、n个输入端串联/并联、输出端串联/并联的子模块单元，所述n为任意正整数；所述子模块单元包括依次连接的高频直流变换模块、高频隔离变换模块和低压直流变换模块；所述n个子模块单元的高频隔离变换模块高压侧电压之和为中压/高压直流母线电压。

2.根据权利要求1所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述高频直流变换模块采用H桥结构，所述高频直流变换模块子桥臂均设有一个由全控型桥臂与直流电容并联构成的开关模块。

3.根据权利要求1所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述高频直流变换模块采用H桥结构，所述高频直流变换模块子桥臂均设有相同数目的至少两个相串联的由全控型桥臂与直流电容并联构成的开关模块。

4.根据权利要求2或3所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述开关模块由第一开关、第二开关、第一二级管、第二二极管和直流电容构成，所述第一开关与第一二级管反并联，所述第二开关与第二二级管反并联，所述第一开关与第二开关串联，所述第一开关的集电极与直流电容的正极相连，所述第二开关的发射极与直流电容的负极相连。

5.根据权利要求2或3所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述高频直流变换模块子桥臂上的近对应桥臂中点的开关模块通过桥臂电感与对应桥臂中点连接，其中桥臂电感的取值为大于或等于零的任何值。

6.根据权利要求1所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述高频隔离变换模块包括高频隔离变压器、谐振电容和谐振电感,所述高频直流变换模块通过谐振电容和谐振电感与高频隔离变压器原边绕组相连；其中谐振电容和谐振电感的取值为大于或等于零的任何值。

7.根据权利要求1所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述低压直流变换模块包括由四个开关管作为开关构成的低压侧H全桥结构，所述四个开关管分别反向并联有二极管，所述低压侧H全桥结构右侧并联直流电容后串接在高频隔离变压器副边绕组与低压侧直流微网间。

8.根据权利要求1所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述低压直流变换模块结构与所述高频直流变换模块结构相同。

9.根据权利要求1所述的一种多重模块化直流变压器，其特征在于：所述低压直流变换模块包括由四个二极管作为开关构成的低压侧H全桥结构，所述低压侧H全桥结构右侧并联直流电容后串接在高频隔离变压器副边绕组与低压侧直流微网间。