CN103516221A - 一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，属于电力技术领域；主要由n个相同的直流变换器单元在低压端口并联和在高压端口串联组成，n为大于等于2的正整数；每个直流变流器单元包括：二个全桥变换器（H₁、H₂）、一个辅助电感（L）、一个隔离变压器（T）及二个直流滤波电容（C₁、C₂），直流滤波电容（C₁、C₂）分别与全桥变换器（H₁、H₂）的直流端并联，隔离变压器的原边和副边分别与全桥变换器（H₁、H₂）的交流端并联，辅助电感（L）连接在全桥变换器H₁的交流端和隔离变压器之间。本发明可以实现高低压直流环节的电压匹配，并且还可以实现功率的双向流动和电气隔离，在直流配电网和直流微电网中具有一定的应用前景。

Description

一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及到固态变压器，特别涉及一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器。

背景技术

由于具有模块化程度高、效率高、功率密度高、噪音低、智能化程度高等大量优点，目前已经有较多研究关注采用电力电子变压器（也称为固态变压器SST）取代传统交流配电变压器，尤其是随着智能电网中分布式电能、储能等的快速发展，SST作为各种分布式单元的集成***、并实现电压、潮流等灵活控制的解决方案越来越受到重视。

而目前，基于电压源变流器(Voltage Source Converter,VSC)的直流输电(VSC-HVDC)可以独立、快速控制所传输的有功功率和无功功率，因此极大地增强了输电的灵活性，使其成为最近发展起来的最有潜质的电力传输方式，特别适用于风力发电场与主网之间的稳定联结、向孤立的远方小负荷区供电等应用。近年来柔性直流输电技术在国内外都已得到了普遍的重视，柔性直流输电工程也日益增多。在配电网络方面，随着城市的发展和用电负荷的快速增加，对配电网络输送容量的要求也日益增加，需要在有限的配电网走廊上输送更大的容量。在用电密集的城市电网中采用柔性直流技术，将可以占用更少的输电走廊，并可利用它的快速可控性等特点，解决城市供电中存在的供电困难、成本高以及潮流难以控制等问题，维持城市电网的安全可靠经济运行。通过直流配网的方式，还可以减少储能***和新能源发电***接入电网的中间环节，降低接入成本、提高功率转换效率和电能质量。

相对于输电网络，柔性直流技术应用于配电网时将面临更为复杂的技术问题。由于需要应对各种不同直流电压等级的负荷、储能***和分布式发电的接入，直流配网中的直流电压变换将不可避免。但是直流配网中难以像交流变压器那样通过磁耦合的方式实现电压变换，因此必须基于电力电子技术通过DC/DC变换器实现直流电压的变换和功率的双向传递，主要方式是通过电力电子变流器实现高频变换，并通过高频变压器实现电压的变换和电气隔离。

在低压小容量领域，DC/DC变换器已经得到比较广泛的应用，对于高频隔离型DC/DC变换器也有较多的文献进行探讨。但是，由于电力电子半导体器件发展程度的限制，中高压大容量等级的高频隔离DC/DC变换器很少有文献涉及。特别的，由于柔性直流配网的概念得到重视的时间很短，目前整个国际上对固态变压器的研究基本上都停留在交流固态变压器上，对直流固态变压器的研究涉及较少。专利《基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器》提出了一种应用在高压输入、低压输出隔离型直流变压器，但是由于输出端采用不控整流桥，使得该直流变压器不具有双向功率传输能力。而是随着柔性直流配电的发展，不仅需要直流固态变压器能够将直流配电网的功率传入负载，还需要将分布式电源发出的功率回送给直流配电网，这就要求直流固态变压器具有双向功率传输能力。

发明内容

本发明的目的是为解决上述的技术问题，提出一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，不仅实现高低压直流环节的电压匹配，并且实现功率的双向流动和电气隔离。

本发明采取的技术方案如下：

一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，该双向直流固态变压器主要由n个相同的直流变换器单元组成，该n个直流变换器单元的低压端口并联在一起，该n个直流变换器单元的高压端口依次串联；n为大于等于2的正整数；每个直流变流器单元包括：二个全桥变换器（H₁、H₂）、一个辅助电感（L）、一个隔离变压器（T）及二个直流滤波电容（C₁、C₂），直流滤波电容（C₁、C₂）分别与全桥变换器（H₁、H₂）的直流端并联，隔离变压器的原边和副边分别与全桥变换器（H₁、H₂）的交流端并联，辅助电感（L）连接在全桥变换器H₁的交流端和隔离变压器之间。

所述的一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，所述的全桥变换器（H₁、H₂）为单相全桥变换器或三相全桥变换器；

所述的一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，所述的辅助电感和隔离变压器均为高频磁性元件，频率大于等于10kHz；

所述的一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，所述的辅助电感即可以为独立的元件，也可以为隔离变压器的漏感；

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1）直流固态变压器可以作为高压直流配电网和低压直流微电网间的接口***，实现高低压直流环节的电压匹配，并且实现功率的双向流动和电气隔离。

2）直流固态变压器采用高频隔离的方案，可以有效的缩小变流器体积，提高功率密度。

3）直流固态变压器采用模块化的全桥变换器结构，容量可以通过增减变流器单元灵活调节，并且可以提供冗余模块提高***可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器的组成结构图。

图2是本发明的另一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器的组成结构图。

图3是本发明的双向直流固态变压器的平均模型等效电路。

图4是本发明的双向直流固态变压器的控制方法。

图5是本发明的双向直流固态变压器的传输功率模型。

图6（a）是本发明的双向直流固态变压器高压端的电压和电流波形；

图6（b）是本发明的双向直流固态变压器低压端的电压和电流波形。

图7(a)是本发明的双向直流固态变压器中各直流变流器单元在串联端的电压波形；

图7(b)是本发明的双向直流固态变压器中各直流变流器单元在高频交流隔离环节的电流波形。

图8（a）是本发明的双向直流固态变压器的传输功率方向变换时，高压端的电压和电流波形；

图8（b）是本发明的双向直流固态变压器的传输功率方向变换时，低压端的电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本发明的一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器的组成结构如图1所示。该双向直流固态变压器主要由n个相同的直流变换器单元组成，n为大于等于2的正整数；每个直流变换器单元的一个端口（低压端）相互并联，每个直流变换器单元的另一个端口（高压端）依次串联。

每个直流变流器单元的拓扑结构为单相结构，包括：二个全桥变换器H₁、H₂、一个辅助电感L、一个隔离变压器T及二个直流滤波电容C₁、C₂，直流滤波电容C₁、C₂分别与全桥变换器H₁、H₂的直流端并联，隔离变压器的原边和副边分别与全桥变换器H₁、H₂的交流端并联，辅助电感L连接在全桥变换器H₁的交流端和隔离变压器之间。

本发明提出的另一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器的组成结构如图2所示，该双向直流固态变压器主要由n个相同的直流变换器单元组成，该n个直流变换器单元的低压端口并联在一起，该n个直流变换器单元的高压端口依次串联；n为大于等于2的正整数；

每个直流变流器单元的拓扑结构包括：二个三相全桥变换器（H₁、H₂）、一个三相隔离变压器（T）及二个直流滤波电容（C₁、C₂），直流滤波电容（C₁、C₂）分别与三相全桥变换器（H₁、H₂）的直流端并联，三相隔离变压器的原边和副边分别与全桥变换器（H₁、H₂）的交流端并联；三相隔离变压器（T）的漏感作为辅助电感。

图1和2中的辅助电感和隔离变压器均为高频磁性元件，本实施例中取20kHz，也可以取其它大于等于10kHz的值。

在图1中辅助电感为独立的元件，而在图2中辅助电感采用隔离变压器的漏感。

本发明的实施例中由三个并联的相同直流变流器单元组成，每个单元中取二个单相全桥变换器H₁、H₂的开关频率为20kHz、辅助电感L为0.1mH、隔离变压器T变比为200/200，二个直流滤波电容C₁、C₂均为3300uF。低压直流母线电压200V，高压直流母线电压600V。根据不同的应用情况，也可取其它值。

本发明的工作原理：

图3给出了本发明的双向直流固态变压器的平均模型等效电路。其中，V_HV和V_LV分别为双向直流固态变压器高低压直流母线电压，I_HVi和I_LVi分别为各直流变流器单元在高低压端的平均电流，V_i1和V_i2分别为各直流变流器单元在高低压端的平均电压，I_i1和I_i2分别为各直流变流器单元在高低压端的全桥变换器的平均电流，P_i为各直流变流器单元传输功率的平均值；在上述变量中，i=1，2，3，...n。

图4给出了本发明的双向直流固态变压器的控制方法。除了在各直流变流器单元两边全桥变换器之间存在外移相比D_i2外，在各全桥变换器内部还存在内移相比D_i1。在图4和5中，v_hi1，v_hi2分别为各直流变流器单元全桥变换器（H₁、H₂）的交流端电压，i_Li为各直流变流器单元全桥变换器（H₁、H₂）的交流端电流，T_hs为半个开关周期。

对于各直流变流器单元，传输功率P_i可以表示为，

$P_i=\frac{n_T{V}_{i1}{V}_{i2}}{2f_{s}L}[D_{i2}(1-D_{i2})-\frac{1}{2}{D}_{i1}^2]---\left(1\right)$

其中，f_s为开关频率，n_T为变压器变比，L为辅助电感和高频变压器的漏感之和。

对于双向直流固态变压器，各直流变流器单元在串联侧的电流相等，在并联侧的电压相等，可以得到

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{HV}}=V_{11}+V_{21}+\·\·\·+V_{n1}\\ I_{\mathrm{HV}}=I_{\mathrm{HV}1}=I_{\mathrm{HV}2}=\·\·\·=I_{\mathrm{HVn}}\\ V_{\mathrm{LV}}=V_{12}=V_{22}=\·\·\·=V_{n2}\\ P_{\mathrm{DCSST}}=P_1+P_2+\·\·\·+P_n\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，P_DCSST为双向直流固态变压器的传输功率。当各直流变流器单元的控制方法和参数完全一致，有

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1=D_{11}=D_{21}=\·\·\·=D_{n1}\\ D_2=D_{12}=D_{22}=\·\·\·=D_{n2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据式（1）—（3）可以得到，

$P_{\mathrm{DCSST}}=\frac{n_T{V}_{\mathrm{HV}}{V}_{\mathrm{LV}}}{2f_{s}L}[D_2(1-D_2)-\frac{1}{2}{D_1}^2]---\left(4\right)$

根据式（4），可以得到双向直流固态变压器的最大传输功率P_{DCSST_max}在D₁=0，D₂=0.5处取得，且最大值为，

$P_{\mathrm{DCSST}\_\max }=\frac{n_T{V}_{\mathrm{HV}}{V}_{\mathrm{LV}}}{8f_{s}L}---\left(5\right)$

图5给出了双向直流固态变压器的传输功率模型。由此可见，通过调节各直流变流器单元两边全桥变换器之间的内外移相比D₁和D₁，便可以调节传输功率的大小和方向，进而也可以调节直流固态变压的输出电压。

本实施例的双向直流固态变压器高压端的电压和电流波形如图6（a）所示,双向直流固态变压器低压端的电压和电流波形如图6（b）所示。从图中可以看出，高低压端电压分别稳定在600V和200V，直流固态变压器的电压和电流变换均工作正常。

本实施例的双向直流固态变压器中各直流变流器单元在串联端的电压波形如图7(a)所示，双向直流固态变压器中各直流变流器单元在高频交流隔离环节的电流波形如图7(b)所示。从中可以看出，各直流变流器单元的串联电压均相等，表现了较好的电压平衡效果；各高频交流隔离环节的电流也相等，表现了较好的功率平衡效果。

本实施例的双向直流固态变压器的传输功率方向变换时，高压端的电压和电流波形如图8（a）所示,双向直流固态变压器的传输功率方向变换时，低压端的电压和电流波形如图8（b）所示。从图中可以看出，t0之前，直流固态变压器的功率从高压端流向低压端；而t0之后，功率从低压端流向高压端。当传输功率方向切换时，高压端电压基本维持恒定，而其他电压和电流在经过一段暂态后很快恢复稳定，并且保持固定的电压和电流变换比。

Claims (4)

1.一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，该双向直流固态变压器主要由n个相同的直流变换器单元组成，该n个直流变换器单元的低压端口并联在一起，该n个直流变换器单元的高压端口依次串联；n为大于等于2的正整数；每个直流变流器单元包括：二个全桥变换器（H₁、H₂）、一个辅助电感（L）、一个隔离变压器（T）及二个直流滤波电容（C₁、C₂），直流滤波电容（C₁、C₂）分别与全桥变换器（H₁、H₂）的直流端并联，隔离变压器的原边和副边分别与全桥变换器（H₁、H₂）的交流端并联，辅助电感（L）连接在全桥变换器H₁的交流端和隔离变压器之间。 

2.如权利要求1所述一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，所述的全桥变换器（H₁、H₂）为单相全桥变换器或三相全桥变换器。 

3.如权利要求1所述一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，所述的辅助电感和隔离变压器均为高频磁性元件，频率大于等于10kHz。 

4.如权利要求1所述一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器，其特征在于，所述的辅助电感为独立的元件或为隔离变压器的漏感。 

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