高压直流变压器及其控制方法
【专利摘要】一种高压直流变压器及其控制方法，由N台隔离型低压DC-DC变换器构成。每台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧包含第一机械式旁路开关（K1），低压侧包含第二机械式旁路开关（K2）。正常工作时，控制系统使R台隔离型低压DC-DC变换器处于冗余状态，其余N-R台隔离型低压DC-DC变换器处于正常状态，0<R<N；当内部任一台隔离型低压DC-DC变换器出现故障时，其高压侧第一机械式旁路开关（K1）闭合，低压侧第二机械式旁路开关（K2）断开；无论内部电路是否出现故障，任意时刻只有N-R台隔离型低压DC-DC变换器承受高压直流电压，因此某部分电路被旁路时不影响输入、输出电压。
【专利说明】高压直流变压器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高压直流(IOkV以上)输配电领域的一种高可靠性的高压直流变压器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]IOkV以上的高压直流(High Voltage Direct Current,HVDC)技术通常应用于从远距离的发电厂向用电设备传输大功率电能，输电线路可以是架空线路或海底电缆。当传统的交流联网方案不可行时，HVDC技术也可以用于连接两个独立的电网。一般HVDC输电系统比交流输电系统有更低的成本和更高的效率。在交流输电系统当中，可以在电力传输线沿线通过电力变压器将主干网电力分接给负载。但是对于HVDC输电系统而言，由于电力变压器无法传递直流电能，当需要向沿线负载供电时一般需要建立换流站。但是，换流站通常容量很大，不适合直流电力的分配或负载分接。
[0003]现有的高压直流变压器电路拓扑方案中，一般均是将低压DC-DC变换器的输入侧直流电容直接串联连接到高压直流侧。例如，美国专利US 8345457、欧洲专利EP 1184963A2、中国专利CN 201830144 U、中国专利CN 102185480 A、中国专利CN 102522897 A等在高压直流侧都是采用了这种方案。
[0004]这些已有方案的缺点是，当某一台低压DC-DC变换器出现故障或损坏时，若将其高压输入侧的直流电容旁路则会将此电容短路，会直接损坏此电容；同时，由于共有N台DC-DC变换器的高压侧直流电容直接串联，若一台DC-DC变换器的高压侧直流电容被旁路，则承受高压直流电压的电容数量会减少为N-1个，也就说，其余未发生故障的电容承受的直流电压会升高为原来的N/(N-1)，这会影响直流电容的安全运行；并且，由于每一台低压DC-DC变换器的输入电压发生变化，整个直流变压器的输出电压也会直接受到影响。因此，现有专利中的高压直流变压器方案一旦其中的部分电路发生故障将会对整个高压直流变压器的输入、输出特性产生严重影响，甚至造成损坏，导致系统停止运行，难以实现主电路部分的故障冗余及高可靠性运行。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有HVDC配电系统高压直流变压器的难以实现主电路故障冗余运行导致系统可靠性低的缺点，提出一种高压直流变压器及其控制方法。本发明不仅可以在高压直流配电系统内部的部分电路出现损坏或故障时，可以将其与其余电路隔离开，且不影响整个直流变压器的正常工作，同时也不会改变高压和低压侧的直流电压等级，可以提高高压直流到低压直流变换器运行的可靠性。
[0006]本发明高压直流变压器由N台隔离型低压DC-DC变换器构成，N为任意正整数。其中，所述的隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一连接端子和第二连接端子之间并联有第一机械式旁路开关；所述的隔离型低压DC-DC变换器的低压侧第三连接端子和第四连接端子之间串联有第二机械式旁路开关；第一台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一连接端子与高压直流侧的正极连接在一起；第N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第二连接端子与高压直流侧的负极连接在一起；第m台隔离型低压DC-DC变换器高压侧第二连接端子与第m+1台隔离型低压DC-DC变换器高压侧第一连接端子连接在一起，l<m<N ;N台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧连接端子与低压直流侧的正极共同连接一起；N台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧连接端子与低压直流侧的负极共同连接一起。
[0007]本发明高压直流变压器的特征在于其隔离型低压DC-DC变换器由机械式旁路开关、半导体开关、电容器、高频变压器以及无源器件构成；第一机械式旁路开关与第二半导体开关并联；第一半导体开关与第二半导体开关串联连接，即第一半导体开关的发射极与第二半导体开关的集电极连接在第一连接端子；第一电容器与第二电容器串联连接在第一公共连接点；第三半导体开关与第四半导体开关串联连接，即第三半导体开关的发射极与第四半导体开关的集电极连接在第二公共连接点；第三电容器与第四电容器串联连接在第四公共连接点；第五半导体开关与第六半导体开关串联连接，即第五半导体开关的发射极与第六半导体开关的集电极连接在第三公共连接点；第一半导体开关的集电极与第一电容器的正极、第三半导体开关的集电极连接在第五连接点；第二半导体开关的发射极与第二电容器的负极、第四半导体开关的发射极连接在第二连接端子；第五半导体开关的集电极与第三电容器的正极连接于第六连接点；第六半导体开关的发射极与第四电容器的负极连接在第四连接端子；第二机械机械式旁路开关的一端连接到第六连接点，第二机械机械式旁路开关的另一端作为第三连接端子；第一、第二两个公共连接点与第一无源器件以及高频变压器的高压侧绕组串联连接；第三公共连接点和第四公共连接点与第二无源器件以及高频变压器的低压侧绕组串联连接。
[0008]对本发明高压直流变压器的控制通过高压直流变压器的控制系统实现，具体方法如下:
[0009]所述的控制方法使得高压直流变压器N台隔离型低压DC-DC变换器中的R台处于冗余工作状态，且0〈R〈N;正常情况下，N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一机械式旁路开关均处于关断状态，而其低压侧第二机械式旁路开关均处于闭合状态；在任意一个控制周期内，N-R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到高压直流侧，即隔离型低压DC-DC变换器高压侧的第一半导体开关为导通状态，而第二半导体开关为关断状态；同时，其余的R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一半导体开关为关断状态，而第二半导体开关为导通状态，即R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧未被串联到高压直流中；由于每台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧并联在一起且变换器功率能够双向流动，因此N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧电压均相等，且均等于高压直流电压的1/(N-R);当任意一台隔离型低压DC-DC变换器的内部出现损坏或故障时，其高压侧的第一机械式旁路开关闭合，同时其低压侧的机械式旁路开关断开，使得此模块与其余部分电路的联系切断；出现故障的隔离型低压DC-DC变换器被旁路之后，在任意一个控制周期内仍然只有N-R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到了高压直流侧，不会影响整个高压直流变压器的正常工作，也不会影响输入、输出电压的额定设计值。另外，本发明直流变压器中的所有机械式旁路开关只需要承受低压直流电压，避免了机械式高压直流开关难以物理实现的困难。
[0010]因此，与现有的高压直流变压器相比，本发明可以实现高压直流变压器内部部分电路出现故障时依然正常运行，提高了其运行的可靠性，尤其适用于对可靠性要求较高的IOkV以上的高压直流电网输配电领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明高压直流变压器电路原理图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0013]如图1所示本发明高压直流变压器的电路原理图，本发明高压直流变压器由N台隔离型低压DC-DC变换器构成，N为任意正整数。其中，所述的隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一连接端子T1和第二连接端子T2之间并联有第一机械式旁路开关K1 ;所述的隔离型低压DC-DC变换器的低压侧第三连接端子T3和第四连接端子T4之间串联有第二机械式旁路开关K2);第一台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一连接端子T1与高压直流侧的正极连接在一起；第N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第二连接端子T2与高压直流侧的负极连接在一起；第m台隔离型低压DC-DC变换器高压侧第二连接端子T2与第m+1台隔离型低压DC-DC变换器高压侧第一连接端子T1连接在一起，l<m<N ；N台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧连接端子T3与低压直流侧的正极共同连接一起；N台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧连接端子T4与低压直流侧的负极共同连接一起。
[0014]本发明高压直流变压器中的隔离型低压DC-DC变换器由机械式旁路开关KpK2、半导体开关S1-S6、电容器C1-C4、高频变压器HFT以及无源器件ZpZ2构成；第一机械式旁路开关K1与第二半导体开关S2并联；第一半导体开关SI)与第二半导体开关S2串联连接，即第一半导体开关S1的发射极与第二半导体开关S2)的集电极连接在第一连接端子T1 ;第一电容器C1与第二电容器C2串联连接在第一公共连接点a ;第三半导体开关S3与第四半导体开关S4串联连接，即第三半导体开关S3的发射极与第四半导体开关S4的集电极连接在第二公共连接点b ;第三电容器C3与第四电容器C4串联连接，其连接点为第四公共连接点d ;第五半导体开关S5与第六半导体开关S6串联连接，即第五半导体开关S5的发射极与第六半导体开关S6的集电极连接在第三公共连接点c ;第一半导体开关S1的集电极与第一电容器C1的正极、第三半导体开关S3的集电极连接在第五连接点P5 ;第二半导体开关S2的发射极与第二电容器C2的负极、第四半导体开关S4的发射极连接在第二连接端子T2 ;第五半导体开关S5的集电极与第三电容器C3的正极连接于第六公共连接点P6 ;第六半导体开关S6的发射极与第四电容器C4的负极连接在第四连接端子T4第二机械机械式旁路开关K2的一端连接到第六公共连接点P6,第二机械机械式旁路开关K2的另一端作为第三连接端子T3 ;第一、第二两个公共连接点a、b与第一无源器件Z1以及高频变压器HFT的高压侧绕组串联连接；第三公共连接点c和第四公共连接点d与第二无源器件Z2以及高频变压器HFT的低压侧绕组串联连接。
[0015]本发明高压直流变压器的控制方法如下:
[0016]本发明通过高压直流变压器的控制系统控制所述的高压直流变压器，使得N台所述的隔离型低压DC-DC变换器中的R台为冗余工作状态，且0〈R〈N ;正常情况下，高压直流变压器的控制系统使得N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一机械式旁路开关K1均处于关断状态，而其低压侧第二机械式旁路开关K2均处于闭合状态；在任意一个控制周期内，高压直流变压器的控制系统使得N-R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到高压直流侧，即高压直流变压器的控制系统令隔离型低压DC-DC变换器高压侧的第一半导体开为导通状态，而第二半导体开关S2为关断状态；同时，高压直流变压器的控制系统令其余的R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一半导体开关S1为关断状态，而第二半导体开关S2为导通状态，即令R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧未被串联到高压直流中；由于每台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧并联在一起且变换器功率能够双向流动，因此N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧电压均相等，且均等于高压直流电压的1/(N-R);当任意一台隔离型低压DC-DC变换器的内部出现损坏或故障时，高压直流变压器的控制系统令其高压侧的第一机械式旁路开关K1闭合，同时令其低压侧的机械式旁路开关K2断开，使得发生损坏或故障的隔离型低压DC-DC变换器与其余部分电路的联系切断；出现故障的隔离型低压DC-DC变换器被旁路之后，在任意一个控制周期内仍然只有N-R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到了高压直流侧，不会影响整个高压直流变压器的正常工作，也不会影响输入、输出电压的额定设计值。
[0017]以一台16kV/750V的高压直流变压器为例进一步说明本发明的【具体实施方式】:高压直流电压为16kV，低压直流电压为750V，共含有18个隔离型低压DC-DC变换器，即N=18 ；设置2个冗余的隔离型低压DC-DC变换器，即R=2 ;同时假设隔离型低压DC-DC变换器的控制周期为l/10kHz=0.lms，则:
[0018](I)在正常情况下，18台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧机械式旁路开关K1均处于关断状态，而其低压侧机械式旁路开关K2均处于闭合状态，任意一个0.1ms的控制周期内，高压侧始终只有16个隔离型低压DC-DC变换器的高压侧电容串联连接在了高压直流侦牝每个电容上的电压为16kV/16=1000V ;而其余的2个隔离型低压DC-DC变换器的高压侧由于S2处于导通状态，其电容电压由DC-DC变换器从低压侧获得能量支持，也为1000V。
[0019](2)当18台中的任意一台隔离型低压DC-DC变换器的内部出现损坏或故障时，其高压侧的机械式旁路开关K1立即闭合，同时其低压侧的机械式旁路开关K2立即断开，使得发生损坏或故障的隔离型低压DC-DC变换器与其余部分电路的联系切断；该故障的隔离型低压DC-DC变换器被旁路之后，状态正常的隔离型低压DC-DC变换器仍有17个，而在任意一个0.1ms控制周期内仍然只有18-2=16台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到了高压直流侧，因此不会影响整个高压直流变压器的正常工作，高压侧仍然是16台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧电容承受高压直流电压16kV，因此输出电压也不会改变。
【权利要求】
1.一种高压直流变压器，所述的高压直流变压器由N台隔离型低压DC-DC变换器通过高压侧串联、低压侧并联构成，N为任意正整数，其特征在于，所述的隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一连接端子(T1)和第二连接端子(T2)之间并联有第一机械式旁路开关(K1);所述的隔离型低压DC-DC变换器的低压侧第三连接端子(T3)和第四连接端子(T4)之间串联有第二机械式旁路开关(K2);第一台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一连接端子(T1)与高压直流侧的正极连接在一起；第N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第二连接端子(T2)与高压直流侧的负极连接在一起；第m台隔离型低压DC-DC变换器高压侧第二连接端子(T2)与第m+1台隔离型低压DC-DC变换器高压侧第一连接端子(T1)连接在一起，l<m<N ；N台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧连接端子(T3)与低压直流侧的正极共同连接一起；N台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧连接端子(T4)与低压直流侧的负极共同连接一起。
2.如权利要求1所述的高压直流变压器，其特征在于所述的隔离型低压DC-DC变换器由机械式旁路开关(1、K2)、半导体开关(S1-S6X电容器(C1-C4X高频变压器(HFT)以及无源器件(ZpZ2)构成；第一机械式旁路开关(K1)与第二半导体开关(S2)并联；第一半导体开关(SI)与第二半导体开关(S2)串联连接，即第一半导体开关(S1)的发射极与第二半导体开关(S2)的集电极连接在第一连接端子(T1);第一电容器(C1)与第二电容器(C2)串联连接，连接点为第一公共连接点(a);第三半导体开关(S3)与第四半导体开关(S4)串联连接，即第三半导体开关(S3)的发射极与第四半导体开关(S4)的集电极连接在第二公共连接点(b)；第三电容器(C3)与第四电容器(C4)串联连接，其公共连接点为(d);第五半导体开关(S5)与第六半导体开关(S6)串联连接，即第五半导体开关(S5)的发射极与第六半导体开关(S6)的集电极连接在第三公共连接点(c);第一半导体开关(S1)的集电极与第一电容器(C1)的正极、第三半导体开关(S3)的集电极连接在第五连接点(P5);第二半导体开关(S2)的发射极与第二电容器(C2)的负极、第四半导体开关(S4)的发射极连接在第二连接端子(T2);第五半导体开关(S5)的集电极与第三电容器(C3)的正极连接于第六连接点(P6);第六半导体开关(S6)的发射极与第四电容器(C4)的负极连接在第四连接端子(T4);第二机械机械式旁路开关(K2)的一端连接到第六连接点(P6),第二机械机械式旁路开关(K2)的另一端作为第三连接端子(T3);第一、第二两个公共连接点(a、b)与第一无源器件(Z1)以及高频变压器(HFT)的高压侧绕组串联连接；第三公共连接点(c)和第四公共连接点(d)与第二无源器件(Z2)以及高频变压器(HFT)的低压侧绕组串联连接。
3.如权利要求1所述的高压直流变压器，其特征在于所述的机械式旁路开关(KpK2)只需要承受低压直流电压。
4.对权利要求1所述的高压直流变压器的控制方法，其特征在于所述的控制方法为:所述的高压直流变压器中，N台隔离型低压DC-DC变换器中的R台为冗余工作状态，且0〈R〈N ;正常情况下，N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一机械式旁路开关(K1)均处于关断状态，而其低压侧第二机械式旁路开关(K2)均处于闭合状态；在任意一个控制周期内，N-R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到高压直流侧，即隔离型低压DC-DC变换器高压侧的第一半导体开关(S1)为导通状态，而第二半导体开关(S2)为关断状态；同时，其余的R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧第一半导体开关(S1)为关断状态，而第二半导体开关(S2)为导通状态，即R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧未被串联到高压直流中；由于每台隔离型低压DC-DC变换器的低压侧并联在一起且变换器功率能够双向流动，因此N台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧电压均相等，且均等于高压直流电压的I/(N-R);当任意一台隔离型低压DC-DC变换器的内部出现损坏或故障时，其高压侧的第一机械式旁路开关(K1)闭合，同时其低压侧的机械式旁路开关(K2)断开，使得发生损坏或故障的隔离型低压DC-DC变换器与其余部分电路的联系切断；该故障的隔离型低压DC-DC变换器被旁路之后，在任意一个控制周期内仍然只有N-R台隔离型低压DC-DC变换器的高压侧串联连接到了高压直流侧， 不影响整个高压直流变压器的正常工作，也不影响输入、输出电压的额定设计值。
【文档编号】H02M3/315GK103633623SQ201310659469
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月8日 优先权日:2013年12月8日
【发明者】李子欣, 王平, 李耀华, 高范强, 徐飞, 楚遵方, 孙湛冬 申请人:中国科学院电工研究所