一種自耦式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種高壓直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種用于高壓直流輸電 的自耦式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓直流輸電（HVDC)技術(shù)具有功率調(diào)節(jié)快速靈活、線路通道造價(jià)低廉、運(yùn)行損耗 低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著越來越多的高壓直流輸電工程投運(yùn)，利用直流變壓器實(shí) 現(xiàn)不同電壓等級(jí)的直流系統(tǒng)互聯(lián)，進(jìn)而構(gòu)成運(yùn)行靈活性更強(qiáng)的多端直流甚至直流電網(wǎng)，具 有重大的工程意義。
[0003] 應(yīng)用在低壓配電領(lǐng)域的直流-直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，技術(shù)成熟，但為提高電 壓等級(jí)和輸送容量，這類變換器中橋臂需要由大量絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)串并聯(lián)而 成，然而各個(gè)元件開斷時(shí)間、伏安特性等不盡相同，由此引發(fā)的器件一致觸發(fā)、動(dòng)態(tài)均壓、電 流均衡、電磁兼容等問題難以解決。為實(shí)現(xiàn)高電壓大容量的要求，現(xiàn)有技術(shù)中有采用了多個(gè) 低壓直流-直流隔離型變換器單元級(jí)聯(lián)方式；還有采用由模塊化多電平換流器、雙繞組中 頻或高頻變壓器和一個(gè)全控型H橋構(gòu)成的直流變壓器。以上兩種結(jié)構(gòu)均利用中高頻變壓 器以實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電氣隔離，且低壓側(cè)采用單個(gè)全控型H橋，然而這種構(gòu)造事實(shí) 上不適用高壓大容量直流系統(tǒng)互聯(lián)場(chǎng)合。一方面中高頻變壓器容量有限，難以完成百兆瓦 級(jí)別的能量輸送和交換；另一方面低壓側(cè)輸出直流電壓過低（即單個(gè)H橋電壓），無法匹配 高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)。目前大容量傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)一般為±800kV、 ±660kV和±500kV，而大容量柔性直流輸電系統(tǒng)的電壓等級(jí)一般為±320kV、±200kV和 ±150kV，所以連接二者的直流變壓器基本要求是直流電壓變比在1. 5~5. 5之間。此外， 以上兩種結(jié)構(gòu)中主要采用直流-交流（隔離）-直流的基本方式構(gòu)成直流電壓變壓器，所需 的電力電子器件較多。
[0004] 對(duì)于高壓直流輸電場(chǎng)合而言，直流變壓器應(yīng)該在盡可能節(jié)省成本和實(shí)現(xiàn)高壓大容 量的目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)如下兩種基本功能：1)直流電壓變換，直流變壓器的電壓變換比率是按 照兩側(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的直流電壓設(shè)計(jì)的，直流變壓器需要從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略加以考 慮應(yīng)對(duì)。2)直流故障隔離，對(duì)于某側(cè)出現(xiàn)直流故障，必須快速有效的處理并隔離直流故障， 防止故障經(jīng)直流變壓器傳遞，進(jìn)而引起系統(tǒng)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。然而現(xiàn)有的技術(shù)手段 一般在考慮固定的直流電壓變換下實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)，特別是對(duì)直流故障隔離沒有涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種自耦式模塊化多電平高壓直流-直 流變壓器，具有傳輸容量大、直流電壓等級(jí)高、減少了器件需求，可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)、環(huán)流 抑制，控制性能較好。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案：一種自耦式模塊化多電平高壓 直流-直流變壓器，其特征在于：它包括上部換流器、下部換流器和工頻交流變壓器；所述 上部換流器交流側(cè)經(jīng)所述工頻交流變壓器與所述下部換流器連接；所述上部換流器高位直 流端口 Hl和所述下部換流器低位直流端口 L2構(gòu)成高壓直流輸出口，所述上部換流器低位 直流端口 H2和所述下部換流器高位直流端口 Ll直接連接，所述下部換流器兩個(gè)端口 L1、 L2構(gòu)成低壓直流輸出口。
[0007] 所述上部換流器采用子模塊混合型模塊化多電平換流器，其包括三相橋臂，所述 三相橋臂的中點(diǎn)位置連接所述工頻交流變壓器的三相電壓端；每相橋臂均由電感、N個(gè)半 橋子模塊組成的閥段Vl和M個(gè)箝位雙子模塊組成的閥段V2串聯(lián)構(gòu)成。
[0008] 每個(gè)所述半橋子模塊均采用由兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管和一個(gè)電容構(gòu)成的半橋 單元，所述兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)，在第一個(gè)所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極與 第二個(gè)所述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極之間連接所述電容。
[0009] 每個(gè)所述箝位雙子模塊都由兩個(gè)半橋單元、一個(gè)引導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管和兩個(gè) 二極管構(gòu)成，所述兩個(gè)半橋單元串聯(lián)連接，位于所述兩個(gè)半橋單元之間在第一個(gè)所述半橋 單元正向輸出端和負(fù)向輸出端分別串聯(lián)一個(gè)所述二極管，并在兩個(gè)所述二極管之間連接所 述引導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管。
[0010] 所述下部換流器采用半橋子模塊型模塊化多電平換流器，其包括三相橋臂，所述 三相橋臂的中點(diǎn)位置連接所述工頻交流變壓器的三相端；每相橋臂都由H個(gè)半橋子模塊和 另一電感串聯(lián)構(gòu)成。
[0011] 所述工頻交流變壓器的額定變比nt為：
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在于；它包括上部換流器、 下部換流器和工頻交流變壓器；所述上部換流器交流側(cè)經(jīng)所述工頻交流變壓器與所述下部 換流器連接；所述上部換流器高位直流端口H1和所述下部換流器低位直流端口L2構(gòu)成高 壓直流輸出口，所述上部換流器低位直流端口肥和所述下部換流器高位直流端口L1直接 連接，所述下部換流器兩個(gè)端口L1、L2構(gòu)成低壓直流輸出口。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在于： 所述上部換流器采用子模塊混合型模塊化多電平換流器，其包括=相橋臂，所述=相橋臂 的中點(diǎn)位置連接所述工頻交流變壓器的=相電壓端；每相橋臂均由電感、N個(gè)半橋子模塊 組成的閥段VI和M個(gè)猜位雙子模塊組成的閥段V2串聯(lián)構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在于： 每個(gè)所述半橋子模塊均采用由兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管和一個(gè)電容構(gòu)成的半橋單元，所述 兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)，在第一個(gè)所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極與第二個(gè)所述 絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極之間連接所述電容。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在于： 每個(gè)所述猜位雙子模塊都由兩個(gè)半橋單元、一個(gè)引導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管和兩個(gè)二極管構(gòu) 成，所述兩個(gè)半橋單元串聯(lián)連接，位于所述兩個(gè)半橋單元之間在第一個(gè)所述半橋單元正向 輸出端和負(fù)向輸出端分別串聯(lián)一個(gè)所述二極管，并在兩個(gè)所述二極管之間連接所述引導(dǎo)絕 緣柵雙極型晶體管。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在于： 每個(gè)所述猜位雙子模塊都由兩個(gè)半橋單元、一個(gè)引導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管和兩個(gè)二極管構(gòu) 成，所述兩個(gè)半橋單元串聯(lián)連接，位于所述兩個(gè)半橋單元之間在第一個(gè)所述半橋單元正向 輸出端和負(fù)向輸出端分別串聯(lián)一個(gè)所述二極管，并在兩個(gè)所述二極管之間連接所述引導(dǎo)絕 緣柵雙極型晶體管。
6. 如權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器， 其特征在于；所述下部換流器采用半橋子模塊型模塊化多電平換流器，其包括=相橋臂，所 述=相橋臂的中點(diǎn)位置連接所述工頻交流變壓器的=相端；每相橋臂都由H個(gè)半橋子模塊 和另一電感串聯(lián)構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器， 其特征在于；所述工頻交流變壓器的額定變比nt為：
式中，叫。1為所述上部換流器的直流輸出電壓；Ude2分別為所述下部換流器的直流輸出 電壓；ki、k2分別為所述上、下部換流器交流輸出電壓調(diào)制比；Uml為所述上部換流器的交流 輸出相電壓幅值；Um2分別為所述下部換流器的交流輸出相電壓幅值；n為所述工頻交流變 壓器變比，n=叫。1/叫。2。
8. 如權(quán)利要求6所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在于： 所述工頻交流變壓器的額定變比nt為：
式中，叫。1為所述上部換流器的直流輸出電壓；Ude2分別為所述下部換流器的直流輸出 電壓；ki、k2分別為所述上、下部換流器交流輸出電壓調(diào)制比；Uml為所述上部換流器的交流 輸出相電壓幅值；Um2分別為所述下部換流器的交流輸出相電壓幅值；n為所述工頻交流變 壓器變比，n=叫。1/叫。2。
9. 如權(quán)利要求1~5、8任一項(xiàng)所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓 器，其特征在于；所述上部換流器橋臂內(nèi)半橋子模塊和猜位雙子模塊的數(shù)量關(guān)系如下： 卿+2M)Ue=Udei-Ud。， 式中，N為半橋子模塊的個(gè)數(shù)，M為猜位雙子模塊的個(gè)數(shù)，U。為所述半橋子模塊中的電 容電壓。
10. 如權(quán)利要求6所述的一種自禪式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，其特征在 于；所述上部換流器橋臂內(nèi)半橋子模塊和猜位雙子模塊的數(shù)量關(guān)系如下： 卿+2M)Ue=Udei-Ud。， 式中，N為半橋子模塊的個(gè)數(shù)，M為猜位雙子模塊的個(gè)數(shù)，U。為所述半橋子模塊中的電 容電壓。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種自耦式模塊化多電平高壓直流-直流變壓器，本實(shí)用新型變壓器上部換流器采用全橋子模塊、半橋子模塊混合型模塊化多電平換流器，下部換流器采用半橋子模塊型模塊化多電平換流器，上下?lián)Q流器通過自耦形式實(shí)現(xiàn)能量交互。根據(jù)給定交流變壓器的最優(yōu)額定變比和子模塊選取原則，在保留直流故障隔離能力的前提下，最大限度減少器件需求從而降低成本。基于精確反饋線性控制策略，可充分利用直流變壓器交流側(cè)部分沒有電網(wǎng)擾動(dòng)，系統(tǒng)參數(shù)可以精確測(cè)量等特點(diǎn)，取得良好的控制性能。本實(shí)用新型的直流故障快速隔離可有效防止兩個(gè)直流電網(wǎng)間直流故障傳遞和擴(kuò)大，具有傳輸容量大、直流電壓等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，適用于高壓大容量直流電網(wǎng)輸電場(chǎng)合。
【IPC分類】H02M3-335
【公開號(hào)】CN204497991
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520080619
【發(fā)明人】薛英林, 馬為民, 聶定珍, 楊一鳴, 張濤, 吳方劼, 張宗鑫, 申笑林, 趙崢, 季一鳴
【申請(qǐng)人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年2月4日