一种用于直流电网模块化的lcl谐振型主电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力电子系统，具体讲设及一种用于直流电网模块化的LCL谐振型主 电路。
【背景技术】
[0002] 如今，传统能源的短缺和环境的日益恶化，极大地推动了绿色可再生能源的开发 与利用，但受限于局部电力系统的消纳能力，大部分可再生能源未得到有效利用，甚至出现 "弃风"、"弃光"现象，因此，急需开展风、光等电力的大规模、高效率、安全外送等研究。此外 海上风电的大规模开发和利用，W及大型城市电网负荷的快速增长，也促进了对新型输电 技术的需求。常规直流及柔性直流技术是解决运一现状的有效手段之一，而阻碍直流电网 形成的主要因素在于，直流电网中高压大容量DC/DC变换器的缺失，其使得各个不同电压等 级的直流输电线路不能直接相连，进而形成的大规模直流输电系统降低了直流输电系统的 灵活性与可靠性。
[0003] 在交流输电中，实现不同电压等级之间转换的关键设备是交流变压器，而在直流 电网中，实现不同等级直流电压互联和电压变换的关键设备是DC/DC变换器，其主要作用包 括实现不同电压等级、不同直流技术和不同拓扑型式直流网络的联接;从而实现了不同子 系统之间的功率交换，发电厂或负荷在远距离直流传输线路中部的接入，长距离小容量的 功率传输。
[0004] 目前，世界范围内对DC/DC变换器研究多集中在中低压小功率领域，部分研究机构 开展了实验样机研制。其中的绝大部分样机均采用输入串联、输出并联（ISOP)隔离型电路 拓扑形式，图1所示的该种电路拓扑的典型结构，由于受限于器件串联数量、现有的开关频 率W及大容量高功率密度高频隔离变压器的技术水平，该种电路拓扑的DC/DC变换器最高 电压等级只有12kV，容量很难突破10MW，与直流电网电压等级及容量要求相差甚远。因此， 需要提出一种适用于直流电网快速发展需求的新型电路拓扑结构，W提高DC/DC变换器的 电压等级和容量的技术方案。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种用于直流电网模块化的LCL谐 振型主电路，其包括:IXL谐振型交流模块、直流低压模块和直流高压模块;IXL谐振型交流 模块设于直流低压模块和直流高压模块之间形成H型结构。
[0006] IXL谐振型交流模块为工字型结构；竖直部分设有谐振电容器的工字型结构的四 端各设有一个谐振电感。直流低压模块包括:两相桥臂构成的串联回路，每相桥臂的中点处 设有中性点。
[0007] 直流高压模块包括:两相桥臂构成的串联回路，每相桥臂的中点处设有中性点。直 流低压模块和直流高压模块的桥臂中性点分别与工字结构的四个端点连接。
[000引桥臂包括:桥臂电抗和依次串联的子模块;子模块包括:旁路开关、两个二极管、子 模块电容器和两个全控半导体器件串联构成的全控半导体器件支路;子模块电容器并联在 全控半导体器件支路的两端;二极管反并联在全控半导体器件的两端;旁路开关并联在其 中一个全控半导体器件的两端。
[0009] 功率的流向由直流高压模块和所述直流低压模块的交流电压相位差拉决定：当 日<龄n时，直流低压模块的相位超前于直流高压模块的相位，功率从直流低压模块传输至 直流高压模块；当日〉0>-n时，直流低压模块的相位落后于直流高压的相位，功率从直流低 压模块传输至直流高压模块。
[0010] 与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
[00川 1、本发明采用LCL谐振电路连接两个模块化多电平(匪C)换流器，避免了基于匪C 的隔离型DC/DC变换器中高压大容量高频隔离变压器的制造限制；
[0012 ] 2、本发明LCL谐振电路中电感所需的无功功率由电容提供，实现两侧MMC的零无功 功率输出，即实现两侧交流基波电压与电流同相位，提高装置容量利用率的同时，降低器件 开关损耗；
[0013] 3、本发明的LCL谐振电路的对称设计，既实现了低压侧和高压侧各自交流与直流 中性点等电位，即正负对称;又实现了两侧中性点等电位，适用于不同电压等级、正负极对 称的直流线路联网。
【附图说明】
[0014] 图1是一种典型的ISOP隔离型DC/DC变换器；
[0015] 图2是本发明的电路原理图；
[0016] 图3是本发明低压侧和高压侧的交流电压波形图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图2对本发明的试验方法作进一步详细的描述。
[0018] 图2所示的该主电路结构图中，主要有直流低压侧、高压侧和交流部分=部分组 成。直流低压侧和高压侧的结构相同，均由四个桥臂构成，每个桥臂由串联的子模块SMiU =1、2……）、桥臂电抗LaL(H) W及正负直流极母线构成。其中，每个子模块包含两只全控半导 体器件Tii和Ti2,分别称作上管和下管，Tii和Ti2分别反并联一只二极管，子模块电容器Csm与 两只串联全控器件并联，旁路开关K与下管Ti2并联，上管与下管之间和下管的阴极分别引出 导线作为子模块的输出端子。桥臂电抗的主要作用是发生桥臂短路情形时限制短路电流上 升速度，W及正常运行时限制桥臂谐波电流大小。
[0019] 正常工作时，子模块电容充有一定的电量形成稳定的直流电压Usm。当子模块上管 开通下关关断时，子模块投入，对外输出电压为Usm;当子模块上管关断下管开通时，子模块 切出，对外输出电压为0。若子摸块出现故障时，投入开关K将子模块永久切除。
[0020] 交流部分由上下正负对称的"工型LCL电路组成，左侧上下为低压侧谐振电感^， 右侧上下为高压侧谐振电感L2,中间为谐振电容器C。交流部分的两侧端部分别联接在高低 压两侧桥臂中性点A、B、a、b。
[0021] 正常工作时，低压侧和高压侧上下桥臂各个子模块电容器保持一定的电压水平， 上下桥臂投入的子模块数量之和保持恒定，保证上下桥臂电压之和等于各侧的直流电压。 按照参考波形改变上下桥臂投入子模块数量分配及切换时刻，两相桥臂中性点之间形成交 流电压，图3所示为参考波为正弦波时的交流电压波形，交流电压峰值和相位均可由桥臂子 模块投入数量差和参考波相位进行调节。高压侧和低压侧的交流电压相位差0决定功率流 向：
[0022] 0< i < 时，低压侧相位超前于高压侧，功率由低压侧传输至高压侧；
[0023] 0》0 :>-n时，低压侧相位落后于高压侧，功率由低压侧传输至高压侧。
[0024] 最后应当说明的是：W上实施例仅用W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应当理解:依然 可W对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何 修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种用于直流电网模块化的IXL谐振型主电路，其特征在于，包括:1XL谐振型交流模 块、直流低压板块和直流局压板块； 所述LCL谐振型交流模块设于所述直流低压模块和所述直流高压模块之间形成Η型结 构。2. 根据权利要求1所述的LCL谐振型主电路，其特征在于， 所述LCL谐振型交流模块为工字型结构； 竖直部分设有谐振电容器的所述工字型结构的四端各设有一个谐振电感。3. 根据权利要求2所述的LCL谐振型主电路，其特征在于， 所述直流低压模块包括:两相桥臂构成的串联回路，每相桥臂的中点处设有中性点。4. 根据权利要求2所述的LCL谐振型主电路，其特征在于， 所述直流高压模块包括:两相桥臂构成的串联回路，每相桥臂的中点处设有中性点。5. 根据权利要求3或4所述的LCL谐振型主电路，其特征在于， 所述直流低压模块和所述直流高压模块的桥臂中性点分别与所述工字结构的四个端 点连接。6. 根据权利要求5所述的LCL谐振型主电路，其特征在于， 所述桥臂包括:桥臂电抗和依次串联的子模块； 所述子模块包括:旁路开关、两个二极管、子模块电容器和两个全控半导体器件串联构 成的全控半导体器件支路； 所述子模块电容器并联在所述全控半导体器件支路的两端； 所述二极管反并联在所述全控半导体器件的两端； 所述旁路开关并联在其中一个全控半导体器件的两端。7. 根据权利要求6所述的LCL谐振型主电路，其特征在于， 功率的流向由所述直流高压模块和所述直流低压模块的交流电压相位差0诀定： 当〇<0< η时，所述直流低压模块的相位超前于所述直流高压模块的相位，功率从所述直 流低压模块传输至所述直流高压模块； 当〇〉0>-π时，所述直流低压模块的相位落后于所述直流高压的相位，所述功率从所述 直流低压模块传输至所述直流高压模块。
【专利摘要】本发明提供了一种用于直流电网模块化的LCL谐振型主电路，其包括：LCL谐振型交流模块、直流低压模块和直流高压模块；LCL谐振型交流模块设于直流低压模块和直流高压模块之间形成H型结构。本发明采用LCL谐振电路连接两个模块化多电平(MMC)换流器，避免了基于MMC的隔离型DC/DC变换器中高压大容量高频隔离变压器的制造限制。
【IPC分类】H02M1/00, H02M3/155
【公开号】CN105576969
【申请号】CN201511009932
【发明人】魏晓光, 高冲, 丁骁, 王秀环, 王高勇
【申请人】国网智能电网研究院, 国网浙江省电力公司, 国家电网公司
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月29日