一種高壓直流-直流變壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種高壓直流-直流變壓器，包括級(jí)聯(lián)式模塊化變流器，雙繞組中低頻正弦波變壓器和輸入并聯(lián)模塊化變流器；級(jí)聯(lián)式模塊化變流器包括兩個(gè)橋臂，第一橋臂的上下半橋臂各含有一個(gè)電容器組；第二橋臂的上下半橋臂均包括至少2個(gè)半橋拓?fù)涔β誓K和1只電抗器；雙繞組中低頻正弦波變壓器包括高壓輸入繞組和低壓輸出繞組，高壓輸入繞組的兩端分別連接兩個(gè)橋臂的接點(diǎn)；輸入并聯(lián)模塊化變流器包括至少一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的變流器子模塊，每個(gè)子模塊的輸入端均與低壓輸出繞組連接，輸出端采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。此種變壓器結(jié)構(gòu)具有傳輸容量大、效率高、成本低的特點(diǎn)，對(duì)加速高壓直流-直流變壓器的實(shí)用化和市場(chǎng)化進(jìn)程具有重要意義。
【專利說明】一種高壓直流-直流變壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓直流-直流電能轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)难b置，特別涉及一種高壓直流-直流變壓器。
【背景技術(shù)】 [0002]高壓直流輸電(HVDC)具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了適應(yīng)將來將高壓直流輸電直接應(yīng)用于用電設(shè)備，需要具有和交流隔離變壓器功能類似的直流變壓裝置，將高壓直流電轉(zhuǎn)換成隔離的滿足用電設(shè)備要求的低壓直流電。
[0003]由于單個(gè)功率半導(dǎo)體器件的耐壓值通常是有限的，所以單個(gè)功率半導(dǎo)體器件無法直接應(yīng)用于高電壓場(chǎng)合。為了實(shí)現(xiàn)低壓功率器件能夠應(yīng)用在高電壓場(chǎng)合，通常采用以下幾種方法:1)多電平技術(shù)；2)多個(gè)功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)技術(shù)；3)多個(gè)功率模塊串聯(lián)技術(shù)。
[0004]文獻(xiàn)“Dragan Jovcic.^Bidirectional, High-Power DC Transformer，.IEEE Transactionson Power Delivery, Vol.24，N0.4，pp: 2276-2283，0ctober2009” 采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)、諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大功率的直流變換與傳輸。但是，高壓側(cè)和低壓側(cè)沒有電氣隔離，高壓側(cè)和低壓側(cè)晶閘管閥組均承受高壓側(cè)電壓，增加了設(shè)備成本。另外，LC諧振電路在工作過程中產(chǎn)生較大無功容量，增加了設(shè)備容量和線路損耗，降低了變換效率。
[0005]中國(guó)專利申請(qǐng)201010117551.8涉及了一種高壓直流-直流電力電子變壓器，該直流變壓器由級(jí)聯(lián)式模塊化變流器、一個(gè)雙繞組中頻或高頻變壓器和一個(gè)全控型H橋構(gòu)成。通過級(jí)聯(lián)式模塊化變流器產(chǎn)生多電平的中頻或高頻方波電壓，雙繞組中頻或高頻變壓器實(shí)現(xiàn)直流-直流的電壓變換和功率傳遞，全控型H橋?qū)⒅蓄l或高頻變壓器的副邊方波電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。
[0006]中國(guó)專利申請(qǐng)200810024744.1涉及了一種基于全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)自動(dòng)均壓直流變壓器，采用多個(gè)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變壓器功率模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)和變壓器副邊箝位作用，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊輸入側(cè)均壓。
[0007]中國(guó)專利申請(qǐng)201010117551.8和200810024744.1中均采用了中頻或者高頻方波
變壓器進(jìn)行電氣隔離、電壓變換和功率傳遞。但是，目前可用的中頻或高頻方波變壓器功率容量很難達(dá)到上百千瓦以上，一定程度上限制了此類直流變壓器的應(yīng)用。
[0008]基于以上分析，目前高壓直流-直流變壓器的高壓側(cè)開關(guān)器件存在著耐壓及均壓的問題，以及現(xiàn)有直流-直流變壓器傳輸容量不足的問題，有待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的，在于提供一種高壓直流-直流變壓器，其具有傳輸容量大、效率高、成本低的特點(diǎn)，對(duì)加速高壓直流-直流變壓器的實(shí)用化和市場(chǎng)化進(jìn)程具有重要意義。
[0010]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是:[0011]一種高壓直流-直流變壓器，包括級(jí)聯(lián)式模塊化變流器，雙繞組中低頻正弦波變壓器和輸入并聯(lián)模塊化變流器；
[0012]所述級(jí)聯(lián)式模塊化變流器包括兩個(gè)橋臂，其中，第一橋臂的上、下半橋臂各含有一個(gè)電容器組，二者相接于第一橋臂的接點(diǎn)；第二橋臂的上半橋臂由首至尾依次串聯(lián)至少2個(gè)正向的半橋拓?fù)涔β誓K和I只電抗器，而下半橋臂由首至尾依次串聯(lián)I只電抗器和至少2個(gè)正向的半橋拓?fù)涔β誓K，且上、下半橋臂中的2只電抗器相接于第二橋臂的接點(diǎn)；兩個(gè)橋臂的首端共同連接高壓側(cè)正極，而尾端共同連接高壓側(cè)負(fù)極；
[0013]所述雙繞組中低頻正弦波變壓器包括I個(gè)高壓輸入繞組和I個(gè)低壓輸出繞組，且高壓輸入繞組的兩端分別連接第一、二橋臂的接點(diǎn)；
[0014]所述輸入并聯(lián)模塊化變流器包括至少一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的變流器子模塊，且每個(gè)變流器子模塊的輸入端均與雙繞組中低頻正弦波變壓器的低壓輸出繞組連接，而所有變流器子模塊的輸出端根據(jù)低壓側(cè)電壓等級(jí)要求選擇串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。
[0015]上述半橋拓?fù)涔β誓K包括兩只帶有反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件和一只電容，第一、二可關(guān)斷器件正向串聯(lián)連接，再與電容并聯(lián)，所述第一、二可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為半橋拓?fù)涔β誓K的正極，而第二可關(guān)斷器件的負(fù)極作為半橋拓?fù)涔β誓K的負(fù)極。
[0016]上述變流器子模塊包括順序串聯(lián)而成的無源濾波模塊和功率變換模塊，其中，無源濾波模塊采用LC濾波電路或LCL濾波電路，功率變換模塊采用兩電平半橋拓?fù)洹呻娖饺珮蛲負(fù)?、多電平半橋拓?fù)浠蚨嚯娖饺珮蛲負(fù)洹?br> [0017]采用上述方案后，本發(fā)明利用現(xiàn)有的功率模塊串聯(lián)技術(shù)和雙繞組中低頻正弦波變壓器，能夠很好地解決高壓直流-直流變壓器的高壓側(cè)開關(guān)器件的耐壓、均壓?jiǎn)栴}和現(xiàn)有直流-直流變壓器傳輸容量不足的問題，對(duì)加速高壓直流-直流變壓器的實(shí)用化和市場(chǎng)化進(jìn)程具有重要意義；采用模塊串聯(lián)技術(shù)可以靈活的拓展變壓器的電壓等級(jí)；采用雙繞組中低頻正弦波變壓器可以實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電氣隔離、電壓變換和功率傳遞，同時(shí)中低頻正弦波雙繞組變壓器的功率容量可以達(dá)到MW級(jí)以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平半橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平半橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖4是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖5是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖6是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平中點(diǎn)箝位半橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖7是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平中點(diǎn)箝位半橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖8是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平飛跨電容半橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖9是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平飛跨電容半橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖10是本發(fā)明中級(jí)聯(lián)式模塊化變流器的等效控制方法示意圖；
[0028]其中，(a)表示Ua。的電壓波形圖，(b)表示Ual的電壓波形圖，(C)表示Ua2的電壓波形圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0029]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明提供一種高壓直流-直流變壓器，包括級(jí)聯(lián)式模塊化變流器1、雙繞組中低頻正弦波變壓器2和輸入并聯(lián)模塊化變流器3，下面分別介紹。
[0031]所述級(jí)聯(lián)式模塊化變流器I包括兩個(gè)橋臂11、12，其中，橋臂11的上、下半橋臂各含有一個(gè)電容器組C1、C2，且上、下半橋臂相接于橋臂11的接點(diǎn)；橋臂12的上、下半橋臂各包含M (M為自然數(shù)，且M > 2)個(gè)半橋拓?fù)涔β誓K和I只電抗器，所述半橋拓?fù)涔β誓K包括兩只帶有反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件Tn、T12和電容C11,具體的連接方式是:可關(guān)斷器件Tn、T12正向串聯(lián)連接，再與電容C11并聯(lián)，所述可關(guān)斷器件Tn、T12的連接點(diǎn)作為半橋拓?fù)涔β誓K的正極，而T12的負(fù)極作為半橋拓?fù)涔β誓K的負(fù)極。所述橋臂12中，上半橋臂由首至尾依次串聯(lián)M個(gè)正向的半橋拓?fù)涔β誓K和I只電抗器，而下半橋臂由首至尾依次串聯(lián)I只電抗器和M個(gè)正向的半橋拓?fù)涔β誓K，且上、下半橋臂中的2只電抗器相接于橋臂12的接點(diǎn)。橋臂11、12的首端共同連接高壓側(cè)正極，而尾端共同連接高壓側(cè)負(fù)極。
[0032]所述雙繞組中低頻正弦波變壓器2包括I個(gè)高壓輸入繞組和I個(gè)低壓輸出繞組，其中，高壓輸入繞組的兩端分別連接橋臂11、12的接點(diǎn)。
[0033]所述輸入并聯(lián)模塊化變流器3包括N (N為自然數(shù)，且NS I)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的變流器子模塊，且每個(gè)變流器子模塊的輸入端均與雙繞組中低頻正弦波變壓器2的低壓輸出繞組連接，而所有變流器子模塊的輸出端根據(jù)低壓側(cè)電壓等級(jí)要求選擇串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。
[0034]所述變流器子模塊包括順序串聯(lián)而成的無源濾波模塊和功率變換模塊，其中，無源濾波模塊可以采用LC濾波電路或LCL濾波電路，而功率變換模塊可以采用兩電平半橋拓?fù)?、兩電平全橋拓?fù)?、多電平半橋拓?fù)浠蚨嚯娖饺珮蛲負(fù)?。較為典型的模塊化變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩電平半橋LC濾波拓?fù)?如圖2 )、兩電平半橋LCL濾波拓?fù)?如圖3 )、兩電平全橋LC濾波拓?fù)?如圖4)、兩電平全橋LCL濾波拓?fù)?如圖5)、三電平中點(diǎn)箝位半橋LC濾波拓?fù)?如圖6)，三電平中點(diǎn)箝位半橋LCL濾波拓?fù)?如圖7)、三電平飛跨電容半橋LC濾波拓?fù)?如圖8)，三電平飛跨電容半橋LCL濾波拓?fù)?如圖9);前述圖2至圖9的左側(cè)連接直流端，右側(cè)連接交流端。
[0035]本發(fā)明工作時(shí)，級(jí)聯(lián)式模塊化變流器I將直流電壓整形成中低頻正弦波電壓；所述的雙繞組中低頻正弦波變壓器2進(jìn)行中低頻送能、電壓變換和電氣隔離，且中低頻頻率范圍為30Hz~500Hz ;所述的輸入并聯(lián)模塊化變流器3將中低頻正弦波電壓還原成直流電壓，進(jìn)行輸出。
[0036]本發(fā)明處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，高壓側(cè)直流母線電壓為Udc’則橋臂11中的上、下半橋臂電容器組兩端電壓為Udc;/2，橋臂12中的上、下半橋臂中半橋拓?fù)涔β誓K箝位電容上的電壓為Udc;/M，g卩:橋臂11中的上、下半橋臂電容器組電壓之和、橋臂12中上、下半橋臂的半橋拓?fù)涔β誓K箝位電容電壓之和都等于直流母線電壓Ud。，同時(shí)，由于離散控制算法的誤差以及開關(guān)器件和磁芯元件的非線性特性，造成電容器組電壓Udt和半橋拓?fù)涔β誓K箝位電容電壓1存在一定的波動(dòng)，一般控制在Ude/2-H≤Uek≤Ude/2+H、Ude/2-h ≤ Ucx ≤ Udc/2+h,其中H、h為滯環(huán)帶。
[0037]為了清楚地分析高壓直流-直流變壓器的工作原理，現(xiàn)對(duì)高壓直流-直流變壓器的高壓側(cè)級(jí)聯(lián)式模塊化變流器進(jìn)行分析，高壓側(cè)直流母線為Ud。，橋臂11的接點(diǎn)電壓為Udc/2,橋臂12的上半橋臂輸出電壓為Ual、下半橋臂輸出電壓為Ua2，兩橋臂輸出電壓為Uac’則有下列關(guān)系式成立
[0038]Ual+Ua2=Udc (1.1)
[0039]Ual-Udc/2=Uac (1.2)
[0040]根據(jù)KVL定律可知，還存在下列電壓關(guān)系式
[0041]Ual=Udc/2-Uac (1.3)
[0042]Ua2=Udc/2+Uac (1.4)
[0043]其中，Ua。、Ud。為已知量，所以Ual和Ua2就可以通過(1.3),(1.4)式計(jì)算得到，從而可以得出上下半橋臂半橋拓?fù)涔β誓K的參考電壓值，高壓直流-直流變壓器的高壓側(cè)級(jí)聯(lián)式模塊化變流器的等效控制方法如圖10所示。
[0044]此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實(shí)施例僅僅是例證性的，而不是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍有所附的權(quán)利要求定義。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓直流-直流變壓器，其特征在于:包括級(jí)聯(lián)式模塊化變流器，雙繞組中低頻正弦波變壓器和輸入并聯(lián)模塊化變流器； 所述級(jí)聯(lián)式模塊化變流器包括兩個(gè)橋臂，其中，第一橋臂的上、下半橋臂各含有一個(gè)電容器組，二者相接于第一橋臂的接點(diǎn)；第二橋臂的上半橋臂由首至尾依次串聯(lián)至少2個(gè)正向的半橋拓?fù)涔β誓K和I只電抗器，而下半橋臂由首至尾依次串聯(lián)I只電抗器和至少2個(gè)正向的半橋拓?fù)涔β誓K，且上、下半橋臂中的2只電抗器相接于第二橋臂的接點(diǎn)；兩個(gè)橋臂的首端共同連接高壓側(cè)正極，而尾端共同連接高壓側(cè)負(fù)極； 所述雙繞組中低頻正弦波變壓器包括I個(gè)高壓輸入繞組和I個(gè)低壓輸出繞組，且高壓輸入繞組的兩端分別連接第一、二橋臂的接點(diǎn)； 所述輸入并聯(lián)模塊化變流器包括至少一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的變流器子模塊，且每個(gè)變流器子模塊的輸入端均與雙繞組中低頻正弦波變壓器的低壓輸出繞組連接，而所有變流器子模塊的輸出端采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高壓直流-直流變壓器，其特征在于:所述半橋拓?fù)涔β誓K包括兩只帶有反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件和一只電容，第一、二可關(guān)斷器件正向串聯(lián)連接，再與電容并聯(lián)，所述第一、二可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為半橋拓?fù)涔β誓K的正極，而第二可關(guān)斷器件的負(fù)極作為半橋拓?fù)涔β誓K的負(fù)極。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種高壓直流-直流變壓器，其特征在于:所述變流器子模塊包括順序串聯(lián)而成的無源濾波模塊和功率變換模塊，其中，無源濾波模塊采用LC濾波電路或LCL濾波電路，功率變換模塊米用兩電平半橋拓?fù)?、兩電平全橋拓?fù)?、多電平半橋拓?fù)浠蚨嚯娖饺珮蛲負(fù)洹?br> 【文檔編號(hào)】H02M3/28GK103457468SQ201310333179
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】石巍, 方太勛, 楊浩, 王宇, 楊兵, 呂瑋 申請(qǐng)人:南京南瑞繼保電氣有限公司, 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司