本發(fā)明涉及模塊化多電平變流器技術(shù)及直流變換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有環(huán)流反向自消除能力的對稱雙級聯(lián)直流變換單元。

背景技術(shù)：

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益短缺和環(huán)境污染的加劇，對清潔電力能源傳輸和能源供需廣域平衡等新技術(shù)的要求逐漸出現(xiàn)和提高，這給傳統(tǒng)的電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)帶來重大挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量、提高供電容量、隔離故障區(qū)域，同時(shí)方便可再生能源及儲能裝置的靈活接入，國內(nèi)外學(xué)者紛紛針對直流電網(wǎng)展開相關(guān)研究，并取得了一定的進(jìn)展。

在構(gòu)成直流電網(wǎng)所需的各類關(guān)鍵設(shè)備中，高壓大功率直流變換器無疑是直流電網(wǎng)的支撐技術(shù)，起到了類似交流電網(wǎng)中變壓器的作用。近年來，隨著以模塊化多電平變流器(modularmultilevelconverter，mmc)為代表的高壓柔性直流輸電技術(shù)的成熟，將其應(yīng)用到直流變壓器研制中，以發(fā)揮模塊化多電平變流器良好的冗余性、開關(guān)頻率低、損耗小、輸出諧波少等優(yōu)點(diǎn)，成為新的技術(shù)發(fā)展趨勢，但從已有成果來看，此類結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究尚處于初期階段，還沒有實(shí)際工業(yè)樣機(jī)的相關(guān)報(bào)道，且在系統(tǒng)容量和可靠性上依然存在一定的瓶頸，難以適應(yīng)直流電網(wǎng)中寬電壓變比的應(yīng)用需求。

文獻(xiàn)“aversatiledc-dcconverterforenergycollectionanddistributionusingthemodularmultilevelconverter”首先提出一種基于傳統(tǒng)mmc的直流變換器的拓?fù)錁?gòu)想，但在直流電壓變比較高的應(yīng)用場合，會導(dǎo)致中頻變壓器的兩側(cè)變比過大，而過大的低壓側(cè)電流需要較粗的繞線，并不利于中頻變壓器的繞制，而且由于目前單體中頻變壓器的最大容量約為5mw，因此使用單一的中頻變壓器也限制了其容量進(jìn)一步提升。

發(fā)明專利“基于級聯(lián)模塊化多電平的電力電子變壓器cn104638940a”中公開了一種一次側(cè)使用多個(gè)mmc串聯(lián)，二次側(cè)使用h橋子模塊并聯(lián)的串入并出式(input-seriesoutput-parallel，isop)直流變換器，盡管分散了交流側(cè)能量，降低了中頻變壓器的繞制難度，但由于直流并聯(lián)輸出端電壓等級較低，只能應(yīng)用于變比較大的情況。

因此，研究使用分布式隔離中頻變壓器且具有寬電壓變比的新型直流變換拓?fù)渚哂兄匾膶?shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種具有環(huán)流反向自消除能力的對稱雙級聯(lián)直流變換單元。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種具有環(huán)流反向自消除能力的對稱雙級聯(lián)直流變換單元，包括第一級聯(lián)模塊和第二級聯(lián)模塊，兩個(gè)級聯(lián)模塊的輸入端串聯(lián)，輸出端也串聯(lián)。每個(gè)級聯(lián)模塊都包括一次側(cè)的模塊化多電平逆變器、中頻變壓器以及二次側(cè)的模塊化多電平整流器；一次側(cè)模塊化多電平逆變器的交流端經(jīng)中頻變壓器連接到二次側(cè)模塊化多電平整流器的交流端。

每個(gè)級聯(lián)模塊中的模塊化多電平逆變器和模塊化多電平整流器產(chǎn)生的環(huán)流壓降可以相互抵消，實(shí)現(xiàn)環(huán)流反向自消除。

模塊化多電平逆變器及模塊化多電平整流器均由兩相四個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由若干個(gè)半橋子模塊和一個(gè)橋臂電感串聯(lián)組成。每個(gè)半橋子模塊由兩組串聯(lián)的開關(guān)器件反并聯(lián)兩個(gè)續(xù)流二極管組成，每個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)在每個(gè)開關(guān)器件兩端，串聯(lián)開關(guān)器件兩端并聯(lián)一個(gè)子模塊電容。

一種直流變換器，包括若干具有環(huán)流反向自消除能力的對稱雙級聯(lián)直流變換單元，輸入側(cè)和輸出側(cè)進(jìn)行串并聯(lián)組合，共有4種結(jié)構(gòu)，直流變換單元的輸入側(cè)串聯(lián)，輸出側(cè)串聯(lián)；直流變換單元的輸入側(cè)串聯(lián)，輸出側(cè)并聯(lián)；直流變換單元的輸入側(cè)并聯(lián)，輸出側(cè)串聯(lián)；直流變換單元的輸入側(cè)并聯(lián)，輸出側(cè)并聯(lián)。

有益效果：本發(fā)明將直流變換單元進(jìn)行不同形式的串并聯(lián)模塊化組合可得到適用于不同電壓等級的高壓大功率直流變換器，接入直流電網(wǎng)，最終達(dá)到直流互聯(lián)的目的。本發(fā)明將能量分散傳遞，避免使用可能在高壓大容量場合中成為系統(tǒng)應(yīng)用瓶頸的單一的中頻變壓器，因此相比傳統(tǒng)mmc型直流變換器有著中頻變壓器更易繞制的優(yōu)勢。本發(fā)明使用對稱雙級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可通過控制使每個(gè)級聯(lián)模塊中兩個(gè)mmc所產(chǎn)生的環(huán)流反向自消除；又因?yàn)槭褂胢mc與串并聯(lián)模塊化組合相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更寬變比的直流變換。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的具有環(huán)流反向自消除能力的對稱雙級聯(lián)直流變換單元；

圖2是模塊化多電平逆變器mmcl和模塊化多電平整流器mmc2的電路拓?fù)鋱D；

圖3是半橋子模塊的電路拓?fù)鋱D；

圖4是本發(fā)明直流變換單元的整體原理圖；

圖5是單相mmc的環(huán)流等效電路圖；

圖6是直流變換單元的環(huán)流等效電路圖；

圖7(a)是串入串出式直流變換器；圖7(b)是串入并出式直流變換器；圖7(c)是并入串出式直流變換器；圖7(d)是并入并出式直流變換器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

如圖l所示是本發(fā)明所述的具有環(huán)流反向自消除能力的對稱雙級聯(lián)直流變換單元，由兩個(gè)對稱的級聯(lián)模塊組成，包括第一級聯(lián)模塊l和第二級聯(lián)模塊2，兩個(gè)級聯(lián)模塊的輸入端串聯(lián)，輸入電壓為vin，輸出端也串聯(lián)，輸出電壓為vout。第一級聯(lián)模塊1和第二級聯(lián)模塊2中，包括按電路依次連接的一次側(cè)的模塊化多電平逆變器mmc1、中頻變壓器以及二次側(cè)的模塊化多電平整流器mmc2；一次側(cè)mmc1交流端經(jīng)中頻變壓器連接到二次側(cè)mmc2交流端；級聯(lián)模塊將直流變換單元輸入直流電壓的一半vin/2經(jīng)mmcl逆變成交流，經(jīng)變比為k的中頻變壓器進(jìn)行交流電壓變換，然后經(jīng)mmc2整流成直流變換單元輸出直流電壓的一半vout/2；中頻變壓器同時(shí)提供電氣隔離。

如圖2所示是模塊化多電平逆變器mmc1和模塊化多電平整流器mmc2的結(jié)構(gòu)圖，第一級聯(lián)模塊l和第二級聯(lián)模塊2中，模塊化多電平逆變器mmc1由兩相四個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由n個(gè)半橋子模塊與一個(gè)橋臂電感l(wèi)p串聯(lián)組成；模塊化多電平整流器mmc2由兩相四個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由m個(gè)半橋子模塊與一個(gè)橋臂電感l(wèi)s串聯(lián)組成。

如圖3所示是半橋子模塊sm的電路圖，每個(gè)半橋子模塊由兩組串聯(lián)的開關(guān)器件第一開關(guān)管s1、第二開關(guān)管s2反并聯(lián)兩個(gè)續(xù)流二極管第一二極管d1、第二二極管d2組成，每個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)在每個(gè)開關(guān)器件兩端，串聯(lián)開關(guān)器件兩端并聯(lián)一個(gè)子模塊電容c。通過控制開關(guān)器件s1、s2的通斷，可以使子模塊工作在：(1)投入狀態(tài)；此時(shí)s1導(dǎo)通，s2關(guān)斷，子模塊電容按照橋臂電流方向的不同充電或放電，子模塊輸出電壓為電容電壓值uc；(2)切除狀態(tài)；此時(shí)s1關(guān)斷，s2導(dǎo)通，橋臂電流只能從s2或續(xù)流二極管d2中流動，子模塊電容不接入主電路，電容電壓保持穩(wěn)定，子模塊輸出電壓為0。通過一定的調(diào)制和控制方式，控制子模塊在投入或切除狀態(tài)轉(zhuǎn)換，就可以使得mmc的交流輸出端產(chǎn)生多電平波形的輸出電壓，并實(shí)現(xiàn)mmc的四象限運(yùn)行。

如圖4所示是本發(fā)明的整體原理圖，mmc的四象限運(yùn)行特點(diǎn)保證了該直流變換單元可以雙向運(yùn)行；從圖中可見，由于本發(fā)明使用多個(gè)中頻變壓器進(jìn)行能量分散傳遞，因此相比傳統(tǒng)mmc型直流變換器避免了使用單一的中頻變壓器從而變壓器難以繞制的缺陷。

如圖5所示是單相mmc的環(huán)流等效電路圖，mmc變流器存在環(huán)流問題，從圖中可見，a相產(chǎn)生了一個(gè)頻率為基頻兩倍的激勵(lì)電壓u2fa，b相產(chǎn)生了一個(gè)頻率為基頻兩倍的激勵(lì)電壓u2fb，在這兩個(gè)電壓的激勵(lì)下，兩相與直流側(cè)之間各自有二倍頻環(huán)流i2fa、i2fb流通。

如圖6所示是本發(fā)明的直流變換單元的環(huán)流等效電路圖，根據(jù)該環(huán)流模型可知，由于mmc1與mmc2串聯(lián)，如果通過一定控制使mmc2產(chǎn)生的環(huán)流激勵(lì)電壓與mmc1產(chǎn)生的環(huán)流激勵(lì)電壓大小相等方向相反，便可在直流變換單元內(nèi)部實(shí)現(xiàn)環(huán)流自消除。

將本發(fā)明進(jìn)行不同形式串并聯(lián)模塊化組合，得到直流變換器示意圖，如圖7。圖中將n個(gè)本發(fā)明所述的直流變換單元(直流變換單元1、直流變換單元2、…直流變換單元n)的輸入側(cè)和輸出側(cè)進(jìn)行串并聯(lián)組合，共有4種結(jié)構(gòu)，圖7(a)的串入串出式、圖7(b)的串入并出式、圖7(c)的并入串出式、圖7(d)的并入并出式。

圖7中vdc1為直流變換器的輸入直流電壓值，vin1、vin2、…vinn分別為直流變換單元1、直流變換單元2、…直流變換單元n的輸入直流電壓值；vdc2為直流變換器的輸出直流電壓值，vout1、vout2、…voutn分別為直流變換單元l、直流變換單元2、…直流變換單元n的輸出直流電壓值。經(jīng)過各直流變換單元的功率傳遞和電壓變換，該直流變換器實(shí)現(xiàn)電壓等級為vdc1的直流母線與電壓等級為vdc2的直流母線之間的直流互聯(lián)。

不同串并聯(lián)組合系統(tǒng)有不同的應(yīng)用場合：串入串出系統(tǒng)適用于輸入電壓和輸出電壓均較高的場合；串入并出系統(tǒng)適用于輸入電壓較高而輸出電流較大的場合；并入串出系統(tǒng)適用于輸入電壓較低而輸出電壓較高的場合，并入并出系統(tǒng)適用于輸出電流較大的場合。此外由于mmc本身具有模塊化組合特點(diǎn)，可通過變更mmcl的子模塊數(shù)量n或mmc2的子模塊數(shù)量m來適應(yīng)不同電壓等級的直流電壓，因此本發(fā)明所適用的電壓變比范圍較寬。此外，由于直流變換單元內(nèi)部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)流自消除，經(jīng)串并聯(lián)組合而成的直流變換器的環(huán)流也得到了抑制。