一种用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法与流程

本发明涉及一种直流变压器及其实现方法，具体涉及一种用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法。

背景技术：

随着全球环境污染加剧、能源短缺和制造业技术升级等诸多问题的升级，以风电和太阳能发电为代表的新能源发电在规模和容量上不断提高，大规模远距离高效率的输电方式对于新能源电力外送的问题则显得尤为重要。相比交流输电，高压直流输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点，因此在我国电网中得到了大规模的应用。从输电领域看，传统的电力系统很难满足提升用户供电质量、超远距离输送电能的要求。从发电领域看，随着各种大规模可再生能源的接入，传统的电力装备、电网结构和运行技术在接纳超大规模、高波动性、低质的可再生能源方面越来越力不从心，必须采用新的技术、装备和电网结构来满足未来能源格局的变化。从配电领域看，考虑到以分布式光伏、直流负荷设备为代表的直流端口逐步增加，通过建立直流配电网可以在增大输送容量的同时减少输电走廊需求，降低损耗，减少换流环节。因此，直流电网成为一种具有发展前景电力输送的解决方案。

对于大规模的新能源发电来说，其输出端口电压与直流电网的电压之间存在着较大的电压幅值的差别，大功率型直流变压器将可以实现不同电压等级的变换或直流功率调节，是解决大规模新能源电源与直流电网的互联接口问题的有效方案，也是直流电网中关键设备之一。

对于有效的大功率型直流变压器，需具备以下功能：

1)具备高电压与低电压的直流网络的互联功能；

2)具备功率的双向流动、快速调节和分配潮流功能

3)具备一定的故障电流耐受能力和故障隔离功能。

目前，国内外高校与研究机构均对直流变压器有一定的研究，AlonsoAR等人其中提出一种双侧有源式DC/DC变换器，其存在用于高压直流输电中需要IGBT桥臂承受全部电压的器件均压问题，应用于高压大功率下需采用串联或并联的结构问题；Jovcic D等人提出一种谐振式DC/DC变换器，其存在用于高压直流输电中需要IGBT桥臂承受全部电压以及不具备电气隔离功能的问题，Kish G J等人提出一种基于MMC技术拓扑的DC/DC变换器，其存在功率器件的损耗和变换器效率低，经济成本高等问题。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法，该方法实现大功率高效的直流变压器在直流电网中的应用。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种用于新能源接入直流电网的直流变压器，所述直流变压器采用隔离型DC/DC变换器方式，其改进之处在于，所述直流变压器包括低压侧(24V-1kV)的全桥变换器和高压侧(1kV及以上)的模块化多电平变换器，所述低压侧的单相全桥变换器和高压侧的单相模块化多电平变换器通过高频(400Hz及以上)变压器连接。

进一步地，所述单相全桥变换器由四个桥臂构成，每个桥臂由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成，所述的高频变压器的一次侧一端连接在上下桥臂之间的一个支路上，另一端通过一个电容-电感串联支路连接在上下桥臂之间的另一支路上。

进一步地，所述模块化多电平变换器由两相四个桥臂单元构成，每一相由上下两个桥臂组成；每个桥臂由一个电抗器L与N个结构相同的子模块串联组成。

本发明提供一种用于新能源接入直流电网的直流变压器的实现方法，其改进之处在于，所述方法包括：

①确定直流变压器中低压侧与高压侧等效交流电压关系；

②确定直流变压器中低压侧输出电压的吸收功率；

③确定直流变压器中模块化多电平换流器的桥臂输出电压的开关频率。

进一步地，所述步骤①中，直流变压器低压侧输出电压v_AB和高压侧输出电压v_abp均为正弦波形，均等效为两个正弦电压源，通过将高压侧的桥臂电感折算到高频变压器原边，得到直流变压器交流环节等效电路；所述直流变压器中的低压侧与高压侧交流电压表示为：

其中，L_P为模块化多电平变换器的桥臂电抗器L折算到高频变压器原边的值，L_1k为中间高频变压器漏电感，i_s为传输线路上的电流；v_abp为直流变压器高压侧输出电压，v_AB为直流变压器低压侧输出电压，t为电压和电流的时域值。

进一步地，所述步骤②中，通过调节低压侧输出电压v_AB和高压侧输出电压v_abp的相位差与幅值控制功率的流动方向和大小，当v_abp滞后于v_AB的相位为σ角度，得到v_AB的吸收功率为：

其中，L_P为模块化多电平变换器的桥臂电抗器L折算到高频变压器原边的值，L_1k为中间高频变压器漏电感，i_s为传输线路上的电流；v_abp为直流变压器高压侧输出电压，v_AB为直流变压器低压侧输出电压，σ为直流变压器低压侧输出电压v_AB和直流变压器高压侧输出电压v_abp的相位差角度，ω为等效电路上电感的角频率。

进一步地，所述步骤③中，采用移相控制技术CPS-SPWM确定直流变压器中模块化多电平换流器的桥臂输出电压的开关频率；

CPS-SPWM的调制策略为模块化多电平变换器每相桥臂中的N个子模块，均采用开关频率低的SPWM控制技术，并使其所对应的三角载波依次移开2π/N相位角，即1/N三角载波周期，随后通过与同一条正弦调制波进行比较，产生出N组PWM调制波信号，用于驱动N个子模块，决定开关管的状态；将投入的各SM子模块输出电压U_SM相叠加，即得到模块化多电平换流器的桥臂输出电压波形。

进一步地，直流变压器控制策略为直流变压器接受上级控制层功率或电压给定指令，减去功率反馈值，经过PI控制器得到移相控制角度θ，再经过子模块均衡算法得到每个半桥子模块的驱动信号。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1)直流变压器可以实现低电压等级的新能源直流发电站与高电压等级的直流电网的互联，低压侧单相全桥结构应用于连接低电压等级的新能源直流发电站(例如光伏电站、电池储能电站、小型风电电场)。高压侧所采用的模块化多电平结构应用于连接高电压等级的直流电网(如高压直流输电、柔性直流输电)。

2)可以满足不同直流电压等级的变换接入并具备功率双向流动能力。

3)直流变压器采用操作简单的移相SPWM控制技术更具有优势，该技术能够在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率的效果，具有良好的谐波特性。

4)直流变压器采用隔离型拓扑结构实现低压侧与高压侧的电气隔离，其中间高频变压器可以实现一定的故障电流耐受能力和防止故障扩散的能力。

附图说明

图1是本发明提供的直流变压器的拓扑结构图；

图2是本发明提供的直流变压器交流环节等效电路图；

图3是本发明提供的直流变压器交流环节原副边电压波形图；

图4是本发明提供的直流变压器控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提出了一种适用于新能源接入直流电网的直流变压器，所述的直流变压器采用隔离型DC/DC变换器方式，为新能源大规模接入直流电网提供一种可行的技术方案。

本发明提出的一种适用于新能源接入直流电网的直流变压器，其拓扑结构对应图1。所述的直流变压器在低压侧采用四个IGBT全控型器件组成的单相全桥变换器，在高压侧采用单相模块化多电平变换器，中间采用高频变压器实现低压侧与高压侧的互联并实现电压的变比和电气隔离的功能。

本发明提出的高压侧模块化多电平的拓扑结构，共有四个桥臂单元，每一相由上下两个桥臂组成。其中，每个桥臂由一个电抗器L与N个结构相同的子模块(Sub-module，SM)串联组成，各桥臂电抗值与各子模块的电气参数分别相同。

本发明提出的直流变压器工作原理，低压侧输出电压V_AB和高压侧输出电压V_abp均为正弦波形，可以等效为两个正弦电压源，通过将高压侧的桥臂电感折算到变压器原边，得到直流变压器交流环节等效电路图对应图2，所述直流变压器中的低压侧与高压侧交流电压可表示为

其中，L_P为模块化多电平变换器的桥臂电感L折算到变压器原边的值，L_1k为中间高频变压器漏电感，i_s为传输线路上的电流，t为电压和电流的时域值。

本发明提出的直流变压器的功率流动工作原理对应图3，通过调节低压侧输出电压V_AB和高压侧输出电压V_abp的相位差与幅值可以控制功率的流动方向和大小。当V_abp滞后于V_AB的相位为σ角度，可以得到V_AB吸收的功率为

其中，L_P为模块化多电平变换器桥臂电感L折算到变压器原边的值，L_1k为中间高频变压器漏电感，i_s(t)为传输线路上的电流，σ为V_AB和V_abp的相位差角度，ω为等效电路上电感的角频率。

本发明采用操作简单的移相PWM(Carrier Phase Shift-Sinusoidal Pulse Width Modulation，CPS-SPWM)控制技术更具有优势，该技术能够在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率，且具有良好的谐波特性。

CPS-SPWM具体的调制策略为每相桥臂中的N个子模块，均采用开关频率较低的SPWM控制技术，并使它们所对应的三角载波依次移开2π/N相位角，即1/N三角载波周期，随后通过与同一条正弦调制波进行比较，产生出N组PWM调制波信号，用于驱动N个SM子模块单元，决定开关管的状态。将投入的各SM子模块输出电压U_SM相叠加，即可得到模块化多电平换流器的桥臂输出电压波形。

直流变压器控制策略图对应图4，DC/DC变压器接受上级控制层功率或电压给定指令，减去功率反馈值，经过PI控制器得到移相控制角度θ，再经过子模块均衡算法得到每个半桥子模块的驱动信号。

本发明提供的一种适用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法，其中采用隔离型DC/DC变换器方式，为新能源大规模接入直流电网提供一种可行的技术方案。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。