CN109600049A - 一种直流固态变压器 - Google Patents

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赵晓东
张书鑫
程达
毛舒凯
付勤天
徐殿国
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Abstract

一种直流固态变压器，属于直流输配电领域，解决了现有直流固态变压器因高压侧开关器件电压应力较大而导致自身损耗和成本均较高的问题。所述直流固态变压器：每个功率模块均包括级联的前级直流变换单元和中频隔离变换单元，中频隔离变换单元包括采用中点钳位型半桥三电平逆变器实现的逆变子单元。N个前级直流变换单元串联构成前级直流变换串联单元，该串联单元的正直流输入端经滤波电感L1与中压直流电网的正极相连，该串联单元的负直流输入端经滤波电感L2与中压直流电网的负极相连。低压直流电网或者负载串接在N个中频隔离变换单元的正直流输出端的公共端与N个中频隔离变换单元的负直流输出端的公共端之间。

Description

一种直流固态变压器
技术领域
本发明涉及一种直流变压器，属于直流输配电领域。
背景技术
近年来，随着直流输配电技术的快速发展，直流固态变压器在分布式电源的并网接入以及直流配电网能量变换和管理中起到越来越重要的作用。以现有功率器件的耐压水平，为了实现中高压直流电网(10kV以上)与低压直流电网之间的直流变换，采用模块化串并联技术是有效的解决方案。
关于用于直流输配电的直流固态变压器，近年来已出现了一些报导，例如：授权公告号为CN 105743353 B的中国专利公开了一种固态变压器，申请公布号为CN 107332443 A的中国专利公开了一种直流固态变压器，申请公布号为CN 107592017 A的中国专利公开了一种DC-DC变换器，申请公布号为CN 107968572 A的中国专利公开了一种直流固态变压器。然而，对于上述直流固态变压器来说，其中频隔离DC-DC部分均采用全桥结构或两电平半桥结构，这使得上述直流固态变压器的高压侧开关器件的电压应力较大。为了适用于中高电压场合，上述直流固态变压器不可避免地要采用高耐压半导体功率器件或者较多功率模块串联的结构，进而使得自身的损耗和成本均较高。
发明内容
本发明为解决现有直流固态变压器因高压侧开关器件电压应力较大而导致自身损耗和成本均较高的问题，提出了一种直流固态变压器。
本发明所述的直流固态变压器包括滤波电感L1、滤波电感L2和具有相同电路结构的第一功率模块～第N功率模块；
每个功率模块均包括前级直流变换单元和中频隔离变换单元，前级直流变换单元与中频隔离变换单元级联，每个中频隔离变换单元均包括逆变子单元，逆变子单元采用中点钳位型半桥三电平逆变器来实现；
第一功率模块的前级直流变换单元～第N功率模块的前级直流变换单元分别为第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元；
第一功率模块的中频隔离变换单元～第N功率模块的中频隔离变换单元分别为第一中频隔离变换单元～第N中频隔离变换单元；
第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元依次串联，构成前级直流变换串联单元，前级直流变换串联单元的正直流输入端经滤波电感L1与中压直流电网的正极相连，前级直流变换串联单元的负直流输入端经滤波电感L2与中压直流电网的负极相连；
低压直流电网或者负载串接在第一中频隔离变换单元的正直流输出端～第N中频隔离变换单元的正直流输出端的公共端与第一中频隔离变换单元的负直流输出端～第N中频隔离变换单元的负直流输出端的公共端之间。
作为优选的是，每个中频隔离变换单还均包括中间交流环节、整流子单元和输出电容C3；
逆变子单元的直流输入侧与对应前级直流变换单元的直流输出侧级联，逆变子单元的交流输出侧与中间交流环节的交流输入侧级联，中间交流环节的交流输出侧与整流子单元的交流输入侧级联，整流子单元的直流输出侧与输出电容C3并联，整流子单元的直流输出侧与低压直流电网或者负载并联。
作为优选的是，每个前级直流变换单元均包括半导体开关S1～半导体开关S4、电容C1、电容C2和旁路开关K；
半导体开关S1～半导体开关S4依次串联，电容C1与串联后的半导体开关S1和半导体开关S2并联，电容C2与串联后的半导体开关S3和半导体开关S4并联，旁路开关K与串联后的半导体开关S2和半导体开关S3并联；
旁路开关K、半导体开关S1与半导体开关S2的公共端为该前级直流变换单元的第一直流输入端，旁路开关K、半导体开关S3与半导体开关S4的公共端为该前级直流变换单元的第二直流输入端；
对于第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元，前者的第二直流输入端依次与后者的第一直流输入端相连，第一前级直流变换单元的第一直流输入端和第N前级直流变换单元的第二直流输入端分别为前级直流变换串联单元的正直流输入端和负直流输入端；
电容C1与半导体开关S1的公共端为该前级直流变换单元的第一直流输出端；
电容C1、电容C2、半导体开关S2与半导体开关S3的公共端为该前级直流变换单元的第二直流输出端；
电容C2与半导体开关S4的公共端为该前级直流变换单元的第三直流输出端；
每个前级直流变换单元的第一直流输出端～第三直流输出端分别与对应中频隔离变换单元的第一直流输入端～第三直流输入端相连。
作为优选的是，逆变子单元包括半导体开关S5～半导体开关S8、钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10，中间交流环节包括第一无源器件X1、中频变压器和第二无源器件X2，整流子单元采用H桥整流电路实现；
半导体开关S5～半导体开关S8依次串联，钳位半导体开关S9与钳位半导体开关S10串联，串联后的钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10与串联后的半导体开关S6和半导体开关S7并联；
整流子单元包括半导体开关S11～半导体开关S14，半导体开关S11与半导体开关S12串联构成整流子单元的第一桥臂，半导体开关S13与半导体开关S14串联构成整流子单元的第二桥臂；
中频变压器包括高压侧绕组和低压侧绕组，第一无源器件X1的第一端接入半导体开关S6与半导体开关S7的公共端，第一无源器件X1的第二端经高压侧绕组接入钳位半导体开关S9与钳位半导体开关S10的公共端，低压侧绕组的第一端经第二无源器件X2接入半导体开关S11与半导体开关S12的公共端，低压侧绕组的第二端接入半导体开关S13与半导体开关S14的公共端，高压侧绕组的第一端与低压侧绕组的第一端为同名端，输出电容C3的第一端接入半导体开关S11与半导体开关S13的公共端，输出电容C3的第二端接入半导体开关S12与半导体开关S14的公共端；
半导体开关S5的空闲端为对应中频隔离变换单元的第一直流输入端；
钳位半导体开关S9、钳位半导体开关S10与高压侧绕组的公共端为对应中频隔离变换单元的第二直流输入端；
半导体开关S8的空闲端为对应中频隔离变换单元的第三直流输入端；
半导体开关S11、半导体开关S13与输出电容C3的公共端为对应中频隔离变换单元的正直流输出端；
半导体开关S12、半导体开关S14与输出电容C3的公共端为对应中频隔离变换单元的负直流输出端。
作为优选的是，第一无源器件X1采用电路结构A、电路结构B、电路结构C或者并联的任意数量的电路结构C实现；
第二无源器件X2采用电路结构A、电路结构B、电路结构C或者并联的任意数量的电路结构C实现；
电路结构A为电感、电路结构B为电容，电路结构C为串联的电感与电容。
作为优选的是，钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10均为二极管或逆导型功率开关器件。
作为优选的是，第一功率模块～第N功率模块中的1～2个功率模块为冗余功率模块，其他的功率模块为主功率模块；
冗余功率模块采用热备用机制。
作为优选的是，主功率模块的数量等于中压直流电网的输出电压与主功率模块的额定电压的比值的向上取整值。
与现有的直流固态变压器相比，本发明的直流固态变压器的中频隔离变换单元的逆变子单元采用中点钳位型半桥三电平逆变器来实现，在输入电压等级相同的情况下，本发明的直流固态变压器的高压侧开关器件电压应力为现有直流固态变压器的高压侧开关器件电压应力的二分之一。因此，本发明所述的直流固态变压器能够采用更低电压等级的开关器件，进而有效地解决现有直流固态变压器因高压侧开关器件电压应力较大而导致自身损耗和成本均较高的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的直流固态变压器进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的直流固态变压器的结构框图；
图2为实施例提及的前级直流变换单元的电路原理图；
图3为实施例提及的中频隔离变换单元的电路原理图；
图4为实施例提及的采用二极管钳位的逆变子单元的电路原理图；
图5为实施例提及的采用逆导型功率开关器件钳位的电路原理图；
图6为实施例提及的电路结构A的电路原理图；
图7为实施例提及的电路结构B的电路原理图；
图8为实施例提及的电路结构C的电路原理图；
图9为实施例提及的并联的多个电路结构C的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的直流固态变压器作进一步说明。
实施例：下面结合图1至图9详细地说明本实施例。
本实施例所述的直流固态变压器包括滤波电感L1、滤波电感L2和具有相同电路结构的第一功率模块～第N功率模块；
每个功率模块均包括前级直流变换单元和中频隔离变换单元，前级直流变换单元与中频隔离变换单元级联，每个中频隔离变换单元均包括逆变子单元，逆变子单元采用中点钳位型半桥三电平逆变器来实现；
第一功率模块的前级直流变换单元～第N功率模块的前级直流变换单元分别为第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元；
第一功率模块的中频隔离变换单元～第N功率模块的中频隔离变换单元分别为第一中频隔离变换单元～第N中频隔离变换单元；
第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元依次串联，构成前级直流变换串联单元，前级直流变换串联单元的正直流输入端经滤波电感L1与中压直流电网的正极相连，前级直流变换串联单元的负直流输入端经滤波电感L2与中压直流电网的负极相连；
低压直流电网或者负载串接在第一中频隔离变换单元的正直流输出端～第N中频隔离变换单元的正直流输出端的公共端与第一中频隔离变换单元的负直流输出端～第N中频隔离变换单元的负直流输出端的公共端之间。
本实施例的每个中频隔离变换单还均包括中间交流环节、整流子单元和输出电容C3；
逆变子单元的直流输入侧与对应前级直流变换单元的直流输出侧级联，逆变子单元的交流输出侧与中间交流环节的交流输入侧级联，中间交流环节的交流输出侧与整流子单元的交流输入侧级联，整流子单元的直流输出侧与输出电容C3并联，整流子单元的直流输出侧与低压直流电网或者负载并联。
本实施例的每个前级直流变换单元均包括半导体开关S1～半导体开关S4、电容C1、电容C2和旁路开关K；
半导体开关S1～半导体开关S4依次串联，电容C1与串联后的半导体开关S1和半导体开关S2并联，电容C2与串联后的半导体开关S3和半导体开关S4并联，旁路开关K与串联后的半导体开关S2和半导体开关S3并联；
旁路开关K、半导体开关S1与半导体开关S2的公共端为该前级直流变换单元的第一直流输入端，旁路开关K、半导体开关S3与半导体开关S4的公共端为该前级直流变换单元的第二直流输入端；
对于第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元，前者的第二直流输入端依次与后者的第一直流输入端相连，第一前级直流变换单元的第一直流输入端和第N前级直流变换单元的第二直流输入端分别为前级直流变换串联单元的正直流输入端和负直流输入端；
电容C1与半导体开关S1的公共端为该前级直流变换单元的第一直流输出端；
电容C1、电容C2、半导体开关S2与半导体开关S3的公共端为该前级直流变换单元的第二直流输出端；
电容C2与半导体开关S4的公共端为该前级直流变换单元的第三直流输出端；
每个前级直流变换单元的第一直流输出端～第三直流输出端分别与对应中频隔离变换单元的第一直流输入端～第三直流输入端相连。
本实施例的逆变子单元包括半导体开关S5～半导体开关S8、钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10，中间交流环节包括第一无源器件X1、中频变压器和第二无源器件X2，整流子单元采用H桥整流电路实现；
半导体开关S5～半导体开关S8依次串联，钳位半导体开关S9与钳位半导体开关S10串联，串联后的钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10与串联后的半导体开关S6和半导体开关S7并联；
整流子单元包括半导体开关S11～半导体开关S14，半导体开关S11与半导体开关S12串联构成整流子单元的第一桥臂，半导体开关S13与半导体开关S14串联构成整流子单元的第二桥臂；
中频变压器包括高压侧绕组和低压侧绕组，第一无源器件X1的第一端接入半导体开关S6与半导体开关S7的公共端，第一无源器件X1的第二端经高压侧绕组接入钳位半导体开关S9与钳位半导体开关S10的公共端，低压侧绕组的第一端经第二无源器件X2接入半导体开关S11与半导体开关S12的公共端，低压侧绕组的第二端接入半导体开关S13与半导体开关S14的公共端，高压侧绕组的第一端与低压侧绕组的第一端为同名端，输出电容C3的第一端接入半导体开关S11与半导体开关S13的公共端，输出电容C3的第二端接入半导体开关S12与半导体开关S14的公共端；
半导体开关S5的空闲端为对应中频隔离变换单元的第一直流输入端；
钳位半导体开关S9、钳位半导体开关S10与高压侧绕组的公共端为对应中频隔离变换单元的第二直流输入端；
半导体开关S8的空闲端为对应中频隔离变换单元的第三直流输入端；
半导体开关S11、半导体开关S13与输出电容C3的公共端为对应中频隔离变换单元的正直流输出端；
半导体开关S12、半导体开关S14与输出电容C3的公共端为对应中频隔离变换单元的负直流输出端。
本实施例的第一无源器件X1采用电路结构A、电路结构B、电路结构C或者并联的任意数量的电路结构C实现；
本实施例的第二无源器件X2采用电路结构A、电路结构B、电路结构C或者并联的任意数量的电路结构C实现；
电路结构A为电感、电路结构B为电容，电路结构C为串联的电感与电容。
本实施例的钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10均为二极管或逆导型功率开关器件。
本实施例的第一功率模块～第N功率模块中的1～2个功率模块为冗余功率模块，其他的功率模块为主功率模块；
冗余功率模块采用热备用机制。
本实施例的主功率模块的数量等于中压直流电网的输出电压与主功率模块的额定电压的比值的向上取整值。
下面以一台±10kV/±375V的直流固态变压器为例详细说明本实施例所述的直流固态变压器能够有效地降低自身高压侧开关器件的电压应力：
高压侧直流电压为±10kV，低压侧直流电压为±375V，取每个功率模块的额定电压为2kV，需要10个主功率模块，并设置2个冗余功率模块。电容C1和电容C2的额定电压为1kV。前级直流变换单元的半导体开关半导体开关S1～半导体开关S4可采用低电压应力的开关器件(如1.7kV)，旁路开关K的电压应力为2kV。逆变子单元的半导体开关S5～半导体开关S8、钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10的电压应力均为1kV(功率模块额定电压的1/2)，可采用低电压应力的开关器件(如1.7kV)。输出电容C3的额定电压为750V，半导体开关S13和半导体开关S14的电压应力为750V，也可采用低电压等级开关器件(如1.2kV)。
作为比较的是，当现有的直流固态变压器采用相同电压等级的功率模块时，其逆变器的半导体开关电压应力均为2kV(功率模块额定电压)。
本实施例所述的直流固态变压器，通过对前级直流变换单元和/或中频隔离变换单元的控制，可实现直流电能的变换，并可实现单极结构或双极结构。
本实施例所述的直流固态变压器的N个功率模块中设置有2个冗余功率模块，正常工况下N个功率模块均处于正常运行状态，N个功率模块均分功率，利于散热、降损以及提高器件寿命。
本实施例所述的直流固态变压器具备在线冗余能力，当1～2个功率模块故障时，***不停机保持正常运行。
本实施例所述的直流固态变压器具有体积小、效率高和成本低的特点，适用于中压直流电网与低压直流电网的互联。
虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种直流固态变压器，其特征在于，所述直流固态变压器包括滤波电感L1、滤波电感L2和具有相同电路结构的第一功率模块～第N功率模块；
每个功率模块均包括前级直流变换单元和中频隔离变换单元，前级直流变换单元与中频隔离变换单元级联，每个中频隔离变换单元均包括逆变子单元，逆变子单元采用中点钳位型半桥三电平逆变器来实现；
第一功率模块的前级直流变换单元～第N功率模块的前级直流变换单元分别为第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元；
第一功率模块的中频隔离变换单元～第N功率模块的中频隔离变换单元分别为第一中频隔离变换单元～第N中频隔离变换单元；
第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元依次串联，构成前级直流变换串联单元，前级直流变换串联单元的正直流输入端经滤波电感L1与中压直流电网的正极相连，前级直流变换串联单元的负直流输入端经滤波电感L2与中压直流电网的负极相连；
低压直流电网或者负载串接在第一中频隔离变换单元的正直流输出端～第N中频隔离变换单元的正直流输出端的公共端与第一中频隔离变换单元的负直流输出端～第N中频隔离变换单元的负直流输出端的公共端之间。
2.如权利要求1所述的直流固态变压器，其特征在于，每个中频隔离变换单还均包括中间交流环节、整流子单元和输出电容C3；
逆变子单元的直流输入侧与对应前级直流变换单元的直流输出侧级联，逆变子单元的交流输出侧与中间交流环节的交流输入侧级联，中间交流环节的交流输出侧与整流子单元的交流输入侧级联，整流子单元的直流输出侧与输出电容C3并联，整流子单元的直流输出侧与低压直流电网或者负载并联。
3.如权利要求2所述的直流固态变压器，其特征在于，每个前级直流变换单元均包括半导体开关S1～半导体开关S4、电容C1、电容C2和旁路开关K；
半导体开关S1～半导体开关S4依次串联，电容C1与串联后的半导体开关S1和半导体开关S2并联，电容C2与串联后的半导体开关S3和半导体开关S4并联，旁路开关K与串联后的半导体开关S2和半导体开关S3并联；
旁路开关K、半导体开关S1与半导体开关S2的公共端为该前级直流变换单元的第一直流输入端，旁路开关K、半导体开关S3与半导体开关S4的公共端为该前级直流变换单元的第二直流输入端；
对于第一前级直流变换单元～第N前级直流变换单元，前者的第二直流输入端依次与后者的第一直流输入端相连，第一前级直流变换单元的第一直流输入端和第N前级直流变换单元的第二直流输入端分别为前级直流变换串联单元的正直流输入端和负直流输入端；
电容C1与半导体开关S1的公共端为该前级直流变换单元的第一直流输出端；
电容C1、电容C2、半导体开关S2与半导体开关S3的公共端为该前级直流变换单元的第二直流输出端；
电容C2与半导体开关S4的公共端为该前级直流变换单元的第三直流输出端；
每个前级直流变换单元的第一直流输出端～第三直流输出端分别与对应中频隔离变换单元的第一直流输入端～第三直流输入端相连。
4.如权利要求3所述的直流固态变压器，其特征在于，逆变子单元包括半导体开关S5～半导体开关S8、钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10，中间交流环节包括第一无源器件X1、中频变压器和第二无源器件X2，整流子单元采用H桥整流电路实现；
半导体开关S5～半导体开关S8依次串联，钳位半导体开关S9与钳位半导体开关S10串联，串联后的钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10与串联后的半导体开关S6和半导体开关S7并联；
整流子单元包括半导体开关S11～半导体开关S14，半导体开关S11与半导体开关S12串联构成整流子单元的第一桥臂，半导体开关S13与半导体开关S14串联构成整流子单元的第二桥臂；
中频变压器包括高压侧绕组和低压侧绕组，第一无源器件X1的第一端接入半导体开关S6与半导体开关S7的公共端，第一无源器件X1的第二端经高压侧绕组接入钳位半导体开关S9与钳位半导体开关S10的公共端，低压侧绕组的第一端经第二无源器件X2接入半导体开关S11与半导体开关S12的公共端，低压侧绕组的第二端接入半导体开关S13与半导体开关S14的公共端，高压侧绕组的第一端与低压侧绕组的第一端为同名端，输出电容C3的第一端接入半导体开关S11与半导体开关S13的公共端，输出电容C3的第二端接入半导体开关S12与半导体开关S14的公共端；
半导体开关S5的空闲端为对应中频隔离变换单元的第一直流输入端；
钳位半导体开关S9、钳位半导体开关S10与高压侧绕组的公共端为对应中频隔离变换单元的第二直流输入端；
半导体开关S8的空闲端为对应中频隔离变换单元的第三直流输入端；
半导体开关S11、半导体开关S13与输出电容C3的公共端为对应中频隔离变换单元的正直流输出端；
半导体开关S12、半导体开关S14与输出电容C3的公共端为对应中频隔离变换单元的负直流输出端。
5.如权利要求4所述的直流固态变压器，其特征在于，第一无源器件X1采用电路结构A、电路结构B、电路结构C或者并联的任意数量的电路结构C实现；
第二无源器件X2采用电路结构A、电路结构B、电路结构C或者并联的任意数量的电路结构C实现；
电路结构A为电感、电路结构B为电容，电路结构C为串联的电感与电容。
6.如权利要求5所述的直流固态变压器，其特征在于，钳位半导体开关S9和钳位半导体开关S10均为二极管或逆导型功率开关器件。
7.如权利要求6所述的直流固态变压器，其特征在于，第一功率模块～第N功率模块中的1～2个功率模块为冗余功率模块，其他的功率模块为主功率模块；
冗余功率模块采用热备用机制。
8.如权利要求7所述的直流固态变压器，其特征在于，主功率模块的数量等于中压直流电网的输出电压与主功率模块的额定电压的比值的向上取整值。
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