CN207743874U

CN207743874U - 一种高电位高压直流取能电源装置

Info

Publication number: CN207743874U
Application number: CN201820125702.6U
Authority: CN
Inventors: 李春叶; 李胜; 李刚
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2018-08-17
Anticipated expiration: 2028-01-25

Abstract

本实用新型一种高电位高压直流取能电源装置，属于电力电子技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种适用于VSC‑HVDC和STATCOM子模块控制和驱动板的供电电源；解决该技术问题采用的技术方案为：一种高电位高压直流取能电源装置，包括滤波电路、启动电路、保护及控制电路、隔离辅助电源、故障采集电路，BUCK变换器和隔离双管反激变换器，BUCK变换器的输入端与滤波电路的输出端相连，BUCK变换器的输出端与隔离双管反激变换器的输入端相连；本实用新型可广泛应用于供电领域。

Description

一种高电位高压直流取能电源装置

技术领域

本实用新型一种高电位高压直流取能电源装置，属于电力电子技术领域，具体涉及电网用模块化多电平（MMC）子模块控制板卡供电电源装置。

背景技术

随着基于MMC的静止无功补偿器（STATCOM）和柔性直流输电技术（VSC-HVDC）在电网中的推广应用，MMC子模块控制单元的供电问题逐渐显现出来。图1-图3给出了几种典型的MMC子模块电路拓扑。图1为半桥子模块，图2为全桥子模块，图3为钳位式双子模块，其中半桥子模块为最基础的拓扑，经济性能最好；全桥子模块和钳位式双子模块由于具有较强的故障处理能力也受到了重点研究。

相比于VSC-HVDC，STATCOM直接接入系统电压通常不高于35kV，MMC子模块直流电压相对比较低，子模块数相对较少，直流取能也相对容易实现，例如申请公布号为CN106981973 A的申请文件所示。VSC-HVDC MMC子模块通常处在几百千伏的高电位，工作的电磁环境恶劣，对MMC子模块工作的可靠性要求极高。子模块中的控制单元和开关管驱动单元都需要二次低压供电，从几百千伏高压直流直接取电显然既不现实也不经济。从子模块内部自身带的储能电容C上取电成为必然之选。现有专利CN 103051174B和专利CN 103683857B都采用了相近的方案。两者不同之处在于，前者采用了两级隔离，即第一级是隔离反激变换器，而后者采用了一级隔离。隔离反激变换器都采用了输入串联、输出并联的反激拓扑。这两个专利中输入电压范围在300～3000（3700）V，输入变比接近10:1。

专利CN 103051174B没有对其内部方案进行详细阐述，下面以CN 103683857B进行简单分析。隔离反激变换器采用了1200V 的MOSFET，较低的MOSFET电压虽然使得开关频率可以提高，但反激变换器会在MOSFET两端产生很高的电压尖峰，最少会大于2倍的输入电压，换而言之，每个单端反激的输入电压最高为600V，如果输入电压为3600V，则至少需要6个反激变换器串联，再加上均压电路，一方面体积将会很庞大，另一方面可靠性也会降低；此外，第二级的输出电压15V，比专利CN 103051174B也低很多，就VSC-HVDC取能电源而言，也不合适。目前已有的专利都是针对3000V及以下的直流电压进行取能，而现在MMC阀直流电压已经提升到6000V～10000V，现有的方案均无法满足实际的工程需要。

此外，如图1所示，通过几个已经投运的工程，发现在电网中应用的基于MMC的VSC-HVDC，需要的半桥子模块数量非常庞大，如已投运的厦门柔直工程，每个桥臂中半桥子模块数高达216个，整个工程12个桥臂的半桥子模块数量达到2592个，体积和重量都非常可观。随着压接式IGBT的出现，在子模块内部采用少量压接IGBT的子模块方案又被提及，即采用IGBT串联和MMC相结合的方案，而该方案的提出，势必会导致直流母线电容电压的进一步提升。如何从更高电直流电压（超过前述专利中的3700V）获取控制板和驱动板的供电能量，成为新的难题。

实用新型内容

本实用新型一种高电位高压直流取能电源装置，克服了现有技术存在的不足，提供了一种适用于VSC-HVDC和STATCOM子模块控制和驱动板的供电电源。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高电位高压直流取能电源装置，包括滤波电路、启动电路、保护及控制电路、隔离辅助电源、故障采集电路，还包括BUCK变换器和隔离双管反激变换器，BUCK变换器的的输入端与滤波电路的输出端相连，BUCK变换器的输出端与隔离双管反激变换器的输入端相连。

进一步，所述BUCK变换器的输出电压为直流90～900V，所述隔离双管反激变换器的输出电压为直流±15V。

进一步，所述BUCK变换器包括一个MOS管，所述MOS管的源极和所述滤波电路的负极输出端共地。

进一步，所述BUCK变换器包括不多于五个MOS管串联形成的MOS管阵列、门极驱动电路、动态和静态均压网络和隔离变压器，隔离变压器的输出端与门极驱动电路的输入端相连，所述MOS管阵列中的每个MOS管的门极与单个门极驱动电路的输出端相连，源极和漏极分别与单个动态和静态均压网络的两个输入端相连。

进一步，所述隔离双管反激变换器包括电容C1、电容C2、MOS管Q1、MOS管Q2、钳位二极管D1、钳位二极管D2、二极管D3、反激变压器T、电阻R，MOS管Q1的源极与钳位二极管D1的负极相连形成第一支路，钳位二极管D2的正极与MOS管Q2的漏极相连形成第二支路，第一支路、第二支路与电容C1并联，反激变压器T的初级线圈的两端分别与钳位二极管D1的负极和钳位二极管D2的正极相连，反激变压器T的次级线圈、二极管D3与电容C2串联形成回路，电阻R与电容C2并联设置，反激变压器T的初级线圈上端与次级线圈下端为同名端。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

1.本实用新型能够大幅提高输入电压的变比范围，尤其适用于采用压接式IGBT串联的子模块。

2.理论上本实用新型的输入电压可以高达20kV，为后续高压直流取能电源的开发提供了技术指导。

3.本实用新型电源的输入范围宽，能够在高达200:1的范围内实现。

4.本实用新型对于输入范围变化要求不是非常高的取能电源，由于隔离双管反激变换器为宽范围输入，前级BUCK电路能够采用开环控制，降低了控制系统的复杂性。

5.本实用新型前级BUCK电路开关管采用与输入直流高压负极供地方式，简化了前级BUCK电路的驱动，在4000V 输入电压和现有器件水平下，单支MOS管即可满足要求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

图1为MMC半桥子模块的电路拓扑。

图2为MMC全桥子模块的电路拓扑。

图3为MMC钳位式双子模块的电路拓扑。

图4为本实用新型电路结构框图。

图5为本实用新型实施例一由单MOS管实现BUCK变换器电路原理图。

图6为本实用新型实施例二由MOS管阵列实现BUCK变换器的局部电路示意图。

图7位本实用新型隔离双管反激变换器的电路原理图。

具体实施方式

如图4所示，本实用新型包括滤波电路、启动电路、保护及控制电路、隔离辅助电源、故障采集电路，BUCK变换器和隔离双管反激变换器，BUCK变换器的的输入端与滤波电路的输出端相连，BUCK变换器的输出端与隔离双管反激变换器的输入端相连。

如图7所示，隔离双管反激变换器包括电容C1、电容C2、MOS管Q1、MOS管Q2、钳位二极管D1、钳位二极管D2、二极管D3、反激变压器T、电阻R，MOS管Q1的源极与钳位二极管D1的负极相连形成第一支路，钳位二极管D2的正极与MOS管Q2的漏极相连形成第二支路，第一支路、第二支路与电容C1并联，反激变压器T的初级线圈的两端分别与钳位二极管D1的负极和钳位二极管D2的正极相连，反激变压器T的次级线圈、二极管D3与电容C2串联形成回路，电阻R与电容C2并联设置，反激变压器T的初级线圈上端与次级线圈下端为同名端。

实施例一

如图5所示，BUCK变换器包括一个MOS管，MOS管的源极和滤波电路的负极输出端共地。与经典BUCK电路不同之处在于，本实用新型BUCK电路的MOS管与输入直流电压的负极共地。这样修改的好处是，MOS管的驱动相对容易实现，尤其是在不需要开关管串联时。比如，如果输入电压小于4000V，选择4500V 高压MOS来实现的话，可以由驱动电路直接驱动而不需要隔离。

实施例二

如图6所示，实施例一中的单个MOS管还可以由以下结构替代，该结构包括三个MOS管串联形成的MOS管阵列、门极驱动电路、动态和静态均压网络和隔离变压器，隔离变压器的输出端与门极驱动电路的输入端相连， MOS管阵列中的每个MOS管的门极与单个门极驱动电路的输出端相连，源极和漏极分别与单个动态和静态均压网络的两个输入端相连。动态均压网络和静态均压网络的存在是为了解决MOS串联的均压问题。

下面对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型输入高压直流电压，经过第一级BUCK变换器输出，直流高压可以降低为输入的5%～10%，基本上第二级隔离双管反激变换器的输入电压进入到900V以内。为提高供电效率，两级转换均采用DC/DC来实现。

第一级BUCK变换器的最小占空比可以设置在5%，即第一级BUCK变换器的变比在20:1，整个变换器的变比可以高达200倍。

第二级隔离双管反激变压器的绝缘强度和局部放电水平应该按照输入直流高压来确定。第二级隔离双管反激变压器采用了双端反激的DC/DC拓扑，一方面取能电源功率通常在100W以内，双端反激较为合适；另一方面，由于钳位二极管D1、D2的存在，使得BUCK变换器中的MOS管电压不会超过900V，也就是说，可以选用市面上常用的MOS管，具有较好的经济型。如以市面上现有的4500V 高压MOSFET为例，5只串联，可以处理的输入电压理论上可以高达22.5kV，足以满足大部分MMC模块需求。反激变压器副边驱动回路的一致性对MOS串联是否成功至关重要，如果串联的MOS管过多，反激变压器副边就会过多，从而导致一致性变差，最终导致MOS管串联失败，这也是本实用新型强调不宜超过5支MOS管串联的原因。其他，诸如保证器件的一致性等，在实际中也必须考虑。

上面结合附图对本实用新型的实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种高电位高压直流取能电源装置，包括滤波电路、启动电路、保护及控制电路、隔离辅助电源、故障采集电路，其特征在于：包括BUCK变换器和隔离双管反激变换器，BUCK变换器的的输入端与滤波电路的输出端相连，BUCK变换器的输出端与隔离双管反激变换器的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种高电位高压直流取能电源装置，其特征在于：所述BUCK变换器的输出电压为直流90～900V，所述隔离双管反激变换器的输出电压为直流±15V。

3.根据权利要求1所述的一种高电位高压直流取能电源装置,其特征在于：所述BUCK变换器包括一个MOS管，所述MOS管的源极和所述滤波电路的负极输出端共地。

4.根据权利要求2所述的一种高电位高压直流取能电源装置，其特征在于：所述BUCK变换器包括不多于五个MOS管串联形成的MOS管阵列、门极驱动电路、动态和静态均压网络和隔离变压器，隔离变压器的输出端与门极驱动电路的输入端相连，所述MOS管阵列中的每个MOS管的门极与单个门极驱动电路的输出端相连，源极和漏极分别与单个动态和静态均压网络的两个输入端相连。

5.根据权利要求1所述的一种高电位高压直流取能电源装置，其特征在于：所述隔离双管反激变换器包括电容C1、电容C2、MOS管Q1、MOS管Q2、钳位二极管D1、钳位二极管D2、二极管D3、反激变压器T、电阻R，MOS管Q1的源极与钳位二极管D1的负极相连形成第一支路，钳位二极管D2的正极与MOS管Q2的漏极相连形成第二支路，第一支路、第二支路与电容C1并联，反激变压器T的初级线圈的两端分别与钳位二极管D1的负极和钳位二极管D2的正极相连，反激变压器T的次级线圈、二极管D3与电容C2串联形成回路，电阻R与电容C2并联设置，反激变压器T的初级线圈上端与次级线圈下端为同名端。