CN104158401A - 一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器 - Google Patents

一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器 Download PDF

Info

Publication number
CN104158401A
CN104158401A CN201410361071.4A CN201410361071A CN104158401A CN 104158401 A CN104158401 A CN 104158401A CN 201410361071 A CN201410361071 A CN 201410361071A CN 104158401 A CN104158401 A CN 104158401A
Authority
CN
China
Prior art keywords
brachium pontis
transformer
modular multilevel
direct current
multilevel converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410361071.4A
Other languages
English (en)
Inventor
赵彪
宋强
刘文华
刘国伟
赵宇明
姚森敬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Power Supply Co ltd
Tsinghua University
Original Assignee
Shenzhen Power Supply Co ltd
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Power Supply Co ltd, Tsinghua University filed Critical Shenzhen Power Supply Co ltd
Priority to CN201410361071.4A priority Critical patent/CN104158401A/zh
Publication of CN104158401A publication Critical patent/CN104158401A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，属于电力技术领域；主要由两个模块化多电平变换器和变压器组成。第一模块化多电平变换器由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块串联；变压器的原、副边均由k个绕组组成；第二模块化多电平变换器由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块SM串联；第一模块化多电平变换器中各个桥臂的中点分别与变压器的原边引线相连；第二模块化多电平变换器各个桥臂的中点分别与变压器的副边引线相连。本发明可实现高压和低压或高压直流输配电网的电压匹配，并且实现功率的双向流动和电气隔离。

Description

一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及到直流输配电，特别涉及一种用于直流输配电的模块化直流固态变压器。
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。但总的来说，整个国际上目前对SST的研究基本上都停留在交流SST上，对直流SST的研究较少涉及。
而目前，基于电压源变流器(Voltage Source Converter,VSC)的柔性高压直流输电(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VSC-HVDC技术在国内外都已得到了普遍的重视，VSC-HVDC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。
在直流输配电中，需要实现不同直流电压等级电网之间的电压变换和功率流动，而在直流电网中，难以像交流电网中通过交流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直流SST实现直流电压的变换和功率的双向传递。
虽然在低压小容量领域DC/DC变换器已经得到比较广泛的应用，但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直流SST仍有待研究和应用。目前已有的直流SST技术方案中，大多采用低压小容量DC/DC变换器在高压端串联和在低压端并联的方案，而这种方案可以实现高压和低压直流端的电压和功率转换，却无法实现高压和高压直流端的电压和功率转换，应用领域受限。
发明内容
本发明的目的是为解决上述的技术问题，提出一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，实现高压和低压或者高压和高压直流输配电网的电压匹配，并且实现功率的双向流动和电气隔离，减小***的重量和体积。
本发明采取的技术方案如下：
一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：该***主要由模块化多电平变换器1、变压器2和模块化多电平变换器3组成。模块化多电平变换器1由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块SM串联，k≥2，n≥2；变压器2的原、副边均由k个绕组组成；模块化多电平变换器3由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块SM串联，m≥2；模块化多电平变换器1中k个桥臂均与高压直流端A并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器2的原边各绕组引线相连；模块化多电平变换器3中k个桥臂均与高压直流端B并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器2的副边各绕组引线相连。
所述的每个桥臂可以包含两个电感模块，所述的电感模块一个串联在上半桥臂下端和桥臂中点之间，一个串联在下半桥臂上端和桥臂中点之间，两个电感的电感量Lc≥0。
所述的模块化多电平变换器1和3中的子模块SM由一个全控型桥臂与一个直流电容C并联组成，全控型桥臂由第一开关S1、第二开关S2、第一二级管D1和第二二极管D2构成，第一开关S1与第一二级管D1反并联，第二开关S2与第二二级管D2反并联，第一开关S1与第二开关S2串联，第一开关S1的上端与直流电容C的正极相连，第二开关S2的下端与直流电容C的负极相连。
所述的变压器2为中频或者高频隔离变压器，工作频率f≥200。
本发明可通过改变每个桥臂上串联的子模块SM的数量，可以实现不同电压等级直流电网的接入。
本发明的直流固态变压器的功率不仅可以从输入端流入输出端，还可以从输出端流入输入端。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1)可以作为直流输配电网的接口***，实现高压和低压或者高压和高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)采用高频隔离的方案，可以有效的缩小***的重量体积，提高功率密度。
3)采用模块化多电平结构，电压等级和容量可以通过增减子模块单元数量进行灵活调节，并且可以提供冗余模块提高***可靠性。
附图说明
图1是本发明的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器的拓扑结构图。
图2是模块化多电平变换器1和3中的子模块SM的拓扑结构图。
图3(a)模块化直流固态变压器高压直流端A的电压和电流波形；
图3(b)模块化直流固态变压器高压直流端B的电压和电流波形。
具体实施方式
本发明提出的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器的拓扑结构如图1所示，由模块化多电平变换器1、变压器2和模块化多电平变换器3组成。模块化多电平变换器1由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块SM串联，k≥2，n≥2；变压器2的原、副边均由k个绕组组成；模块化多电平变换器3由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块SM串联，m≥2；模块化多电平变换器1中k个桥臂均与高压直流端A并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器2的原边的各绕组引线相连；模块化多电平变换器3中k个桥臂均与高压直流端B并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器2的副边各绕组引线相连；
模块化多电平变换器1和模块化多电平变换器3中的每个桥臂均包含两个电感模块，电感模块一个串联在上半桥臂下端和桥臂中点之间，一个串联在下半桥臂上端和桥臂中点之间，两个电感的电感量Lc≥0。
通过控制模块化多电平变换器1和3在高频和中频变压器原副边产生高频交流电压，便可以通过控制两个高频交流电压的相角差就可以控制功率流动的大小和方向；或者通过控制模块化多电平变换器1和3分别工作在逆变或者整流状态，便可以通过控制逆变输出交流电压的占空比来控制功率流动的大小和方向。
本发明各器件的具体实施方式分别说明如下：
本发明的模块化多电平变换器1和3中的子模块SM的拓扑结构如图2所示，由一个全控型桥臂与一个直流电容C并联组成，全控型桥臂由第一开关S1、第二开关S2、第一二级管D1和第二二极管D2构成，第一开关S1与第一二级管D1反并联，第二开关S2与第二二级管D2反并联，第一开关S1与第二开关S2串联，第一开关S1的上端与直流电容C的正极相连，第二开关S2的下端与直流电容C的负极相连。
本发明的模块化多电平变换器1和3中的电感模块为中频或者高频电感，可采用非晶、铁氧体或纳米晶软磁材料等常规材料制作，工作频率与变压器2的工作频率相同。
本发明的变压器2为中频或者高频隔离变压器，可采用非晶、铁氧体或纳米晶软磁材料等常规材料制作，工作频率f≥200。
通过改变每个桥臂上串联的子模块SM的数量，可以实现不同电压等级直流电网的接入。
本发明的直流固态变压器的功率不仅可以从输入端流入输出端，还可以从输出端流入输入端。
本发明的一种实施例：模块化多电平变换器1和3均由2个相同的桥臂组成，模块化多电平变换器1的上半桥臂和下半桥臂由3个子模块SM串联，模块化多电平变换器3的上半桥臂和下半桥臂由4个子模块SM串联，每个电感模块的电感均为0.1mH，变压器采用高频隔离变压器T，变比为1:1，工作频率10kHz，所有子模块SM的结构如图2所示，其中电容C均为450uF。本实施例高压直流端A的电压600V，高压直流端B的电压800V。
控制模块化多电平变换器1和3在高频和中频变压器原副边产生10kHz高频交流电压，通过控制两个高频交流电压的相角差就可以控制功率流动的大小和方向。
本实施例中模块化直流固态变压器高压直流端A的电压和电流波形如图3(a)所示,模块化直流固态变压器高压直流端B的电压和电流波形如图3(b)所示。图中上面曲线为电压，下面为电流；可以看出，高压直流端A和B的电压分别稳定在600V和800V，模块化直流固态变压器的功率从高压直流端B流入高压直流端A，模块化直流固态变压器工作正常。

Claims (5)

1.一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：该***主要由第一模块化多电平变换器(1)、变压器(2)和第二模块化多电平变换器(3)组成；第一模块化多电平变换器(1)由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块(SM)串联，k≥2，n≥2；变压器(2)的原、副边均由k个绕组组成；第二模块化多电平变换器(3)由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块(SM)串联，m≥2；第一模块化多电平变换器(1)中k个桥臂均与高压直流端(A)并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器(2)的原边各绕组引线相连；第二模块化多电平变换器(3)中k个桥臂均与高压直流端(B)并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器(2)的副边各绕组引线相连。 
2.如权利要求1所述的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：所述的第一模块化多电平变换器和第二模块化多电平变换器中的每个桥臂包含两个电感模块，所述的电感模块一个串联在上半桥臂下端和桥臂中点之间，一个串联在下半桥臂上端和桥臂中点之间，两个电感的电感量Lc≥0。 
3.如权利要求1所述的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：所述的第一、第二模块化多电平变换器中的每个子模块(SM)由一个全控型桥臂与一个直流电容(C)并联组成，全控型桥臂由第一开关(S1)、第二开关(S2)、第一二级管(D1)和第二二极管(D2)构成，第一开关(S1)与第一二级管(D1)反并联，第二开关(S2)与第二二级管(D2)反并联，第一开关(S1)与第二开关(S2)串联，第一开关(S1)的上端与直流电容(C)的正极相连，第二开关(S2)的下端与直流电容(C)的负极相连。 
4.如权利要求1所述的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：所述的变压器(2)为中频或者高频隔离变压器，工作频率f≥200。 
5.如权利要求1所述的用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：直流固态变压器的功率从输入端流入输出端，或从输出端流入输入端。 
CN201410361071.4A 2014-07-25 2014-07-25 一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器 Pending CN104158401A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410361071.4A CN104158401A (zh) 2014-07-25 2014-07-25 一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410361071.4A CN104158401A (zh) 2014-07-25 2014-07-25 一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104158401A true CN104158401A (zh) 2014-11-19

Family

ID=51883837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410361071.4A Pending CN104158401A (zh) 2014-07-25 2014-07-25 一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104158401A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105429468A (zh) * 2015-11-16 2016-03-23 上海交通大学 一种模块化隔离型电池储能变换器及其调制方法
CN107546983A (zh) * 2017-01-17 2018-01-05 湖南大学 一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器
EP4307551A1 (fr) * 2022-07-12 2024-01-17 Supergrid Institute Convertisseur dc/dc comprenant deux modules de conversion electrique

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103280977A (zh) * 2013-01-15 2013-09-04 国网智能电网研究院 一种基于模块化多电平换流器的隔离型dc/dc变换器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103280977A (zh) * 2013-01-15 2013-09-04 国网智能电网研究院 一种基于模块化多电平换流器的隔离型dc/dc变换器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STEPHAN KENZELMANN ET AL: "A Versatile DC-DC Converter for Energy Collection and Distribution using the Modular Multilevel Converter", 《POWER ELECTRONICS AND APPLICATION（EPE 2011）》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105429468A (zh) * 2015-11-16 2016-03-23 上海交通大学 一种模块化隔离型电池储能变换器及其调制方法
CN105429468B (zh) * 2015-11-16 2018-07-03 上海交通大学 一种模块化隔离型电池储能变换器及其调制方法
CN107546983A (zh) * 2017-01-17 2018-01-05 湖南大学 一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器
CN107546983B (zh) * 2017-01-17 2019-08-02 湖南大学 一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器
EP4307551A1 (fr) * 2022-07-12 2024-01-17 Supergrid Institute Convertisseur dc/dc comprenant deux modules de conversion electrique
FR3138019A1 (fr) * 2022-07-12 2024-01-19 Supergrid Institute Convertisseur DC/DC comprenant deux modules de conversion électrique

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019136576A1 (zh) 串联同时供电正激直流斩波型单级多输入高频环节逆变器
CN102577066B (zh) 带无功功率补偿的变换器
CN102334274B (zh) 转换器
CN103187879B (zh) 基于导抗网络的双向直流变换器及其数字控制***和方法
CN105191108A (zh) 变换器
CN101958657A (zh) 电源转换电路及设备、功率因数矫正电路交错控制方法
CN103516221A (zh) 一种具有高频交流隔离环节的双向直流固态变压器
CA2839189A1 (en) Converter
EP3637611B1 (en) Voltage-type single-stage multi-input high frequency link inverter having built-in parallel time-sharing selection switches
CN103036451B (zh) 电子电力变压器
CN103973121A (zh) 单相电力电子变压器
CN204089603U (zh) 一种基于boost隔离升压拓扑的太阳能并网变流器
CN102624267A (zh) 逆变器及其在三相***中的应用电路
CN104158211A (zh) 基于模块化多电平变换器的多电源并网***控制方法
CN202586797U (zh) 一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用
CN102664546A (zh) 一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用
Liao et al. An LLC-DAB bidirectional DCX converter with wide load range ZVS and reduced switch count
WO2012010055A1 (zh) 基于模块化多电平变换器的无变压器电感储能拓扑结构
CN111541260B (zh) 一种具有直流潮流控制的模块化多电平换流器及调制方法
CN102832838A (zh) 基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器
Lian et al. An LCLC-LC-compensated capacitive power transferred battery charger with near-unity power factor and configurable charging profile
CN103236713A (zh) 一种微电网组网及其控制方法及微电网用双向变流器
Cai et al. Design of a high-frequency isolated DTHB cLLC bidirectional resonant DC-DC converter
CN104158401A (zh) 一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器
CN210405078U (zh) 三相多重工频隔离型光伏并网逆变器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 518001 No. 4020 Shennan East Road, Guangdong, Shenzhen

Applicant after: Shenzhen Power Supply Co.,Ltd.

Applicant after: TSINGHUA University

Address before: 100084 Haidian District Tsinghua Yuan Beijing No. 1

Applicant before: Tsinghua University

Applicant before: Shenzhen Power Supply Co.,Ltd.

COR Change of bibliographic data
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20141119