一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器的制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-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】
[0001] 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】
[0002] 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 元的集成系统、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。
[0003] 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 能系统和新能源发电系统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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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，减小系统的重量和体积。
[0007] 本发明采取的技术方案如下：
[0008] -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：该系统主要由 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η个子 模块SM串联，k > 2, η > 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 所述的变压器2为中频或者高频隔离变压器，工作频率f彡200。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
[0015] 1)可以作为直流输配电网的接口系统，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。
[0016] 2)采用高频隔离的方案，可以有效的缩小系统的重量体积，提高功率密度。
[0017] 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系统可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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；
[0021] 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】
[0022] 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：
[0023] 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η 个子模块SM串联，k > 2, η > 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；
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 本发明各器件的【具体实施方式】分别说明如下：
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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. ImH，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。
[0033] 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。
[0034] 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。
【权利要求】
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：该系统主要由第 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η个子模块（SM)串联，k彡2, η彡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彡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。
【文档编号】H02M3/28GK104158401SQ201410361071
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】赵彪, 宋强, 刘文华, 刘国伟, 赵宇明, 姚森敬 申请人:清华大学, 深圳供电局有限公司