直流变换器的拓扑电路以及海上风场场内直流集电系统的制作方法

本实用新型涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种直流变换器的拓扑电路，以及一种海上风场场内直流集电系统。

背景技术：

直流—直流变换器(DC-DC)为采用一个或多个开关(功率开关器件)将一种直流电压变换为另一种直流电压的直流变换装置。随着社会需求的发展，大功率高电压直流变换器成为电力工业的一个重要需求。例如，在海上风场场内直流集电系统中，每个风机通过一个全功率直流变换器连接到直流内电网中。为了实现风机额定直流变换器所需的电压和功率水平，直流变换器须工作在单个半导体器件的工作电压和电流标准之上，这就需要复杂的电路拓扑结构来实现多个器件之间的功率均摊。

传统的单模块直流-直流变换器拓扑电路中，功率开关器件的直接串联是达到高电压和高功率的途径，但是产生的高dv/dt(电压变化率)则制约其实现高电压的能力。与之相反，传统的多电平拓扑电路则可以利用多电平梯形电压来降低dv/dt，但是在直流-直流变换器应用中，传统的多电平拓扑电路在逆变器与整流器之间需要全功率变压器，不仅会制约电路开关频率，导致变压器存在尺寸大和重量重等缺陷，还将制约变换器可达到的功率大小。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种直流变换器的拓扑电路以及海上风场场内直流集电系统，能够提高工作频率，减少变压器的大小和重量，并且不会制约变换器可达到的功率大小。

一种直流变换器的拓扑电路，包括依次串联的各个桥臂，每个桥臂分别包括各个直流-直流变换器；各个直流-直流变换器的输入端并联，输出端串联。

一种海上风场场内直流集电系统，包括各个风机和各个所述的直流变换器的拓扑电路，每个风机分别通过对应的直流变换器的拓扑电路与海上换流站连接。

上述直流变换器的拓扑电路以及海上风场场内直流集电系统，提供了一种集成式的输入串联加并联、输出串联的多模块直流变换器(直流变换器的拓扑结构)，该多模块直流变换器包括m个串联的桥臂，每个桥臂分别包含n个输入端并联、输出端串联的模块(直流-直流变换器)，因此每个模块输出功率仅为变换器总功率的1/mn。通过将模块输入串联可以降低输入端功率开关器件的电压应力，通过将模块输入并联可以降低模块的电流应力，而将模块输出串联则提高了输出电压，因此该多模块直流变换器可以实现大功率高电压输出。另外，模块中的变压器功率也仅为总功率的1/mn，每个变压器匝比比较小，大大提高了开关频率，进一步提高了功率密度，减少了变压器的大小和重量，并且不会制约变换器可达到的功率大小。

附图说明

图1为一实施例的直流变换器的拓扑电路的示意图；

图2为一具体实施例的直流变换器的拓扑电路的示意图；

图3为一具体实施例的图2所示拓扑电路的实验平台图；

图4为一实施例的海上风场场内直流集电系统的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本实用新型的技术方案，进行清楚和完整的描述。

如图1所示，一种直流变换器的拓扑电路，包括依次串联的各个桥臂(每一个虚线框内的部分为一个桥臂)，每个桥臂分别包括各个直流-直流变换器(图1中的各个模块)；各个直流-直流变换器的输入端并联，输出端串联。

该拓扑电路(即多模块直流变换器)包括m×n个直流-直流变换器(模块)，输入侧为串联加并联结构，输出侧为串联结构，即有m个串联的桥臂(输入端及输出端均串联)，每个桥臂分别含有n个直流-直流变换器，且所有直流-直流变换器左侧输入端相互并联，右侧输出端相互串联。该拓扑电路利用已有的低额定电压和功率的DC-DC变换器互连，实现大功率高电压输出，同时可以提高模块工作频率，减小变压器的大小和重量，并且不会制约变换器可达到的功率大小，降低了系统级的损失。

另外，当一个桥臂中一个或者多个模块发生故障输出端被短路时，各模块可重新达到稳态。这是因为该拓扑电路可以根据要求设计成n+x冗余组合，使得即使x个模块失效后被短路该拓扑电路仍然能正常可靠运行。

如图1所示，该拓扑电路共用输入电压信号V_in，共用输出电压信号V_o，每个桥臂电容电压信号为V_cdm，每个模块输入电流为I_inx，每个模块输出电压为V_ox。为了保证该拓扑电路输入电流相等，输出电压相等，保证模块正常工作，在一个实施例中，所述拓扑电路中所有的直流-直流变换器为相同的直流-直流变换器，也即是该拓扑电路的所有直流-直流变换器的器件参数一致。所以相较于传统技术中多电平换流器存在子模块不均压及不均流等问题，本实用新型的所述拓扑电路实现了模块均压及均流。

在一个实施例中，如图1所示，每个桥臂还分别包括输入电容，每个桥臂的输入电容与对应的各个直流-直流变换器并联。以包括模块1到模块n的桥臂为例，该桥臂还包括左侧的输入电容，即表示电压信号为V_cd1的电容，模块1和模块n分别与该输入电容并联。

在大功率高电压应用中，传统的多电平拓扑电路，如二极管钳位多电平换流器存在多电平钳位二极管数量激增的问题，飞跨电容多电平换流器存在飞跨电容数量激增问题，而相较于前两者，本实用新型的直流变换器中逆变器部分的拓扑电路大大降低了二极管和电容的数量，节省了成本。

该拓扑电路的功率可以根据模块的数量进行调整，可用在大功率高电压场所，在一个优选实施例中，串联的桥臂的数量m≥2，每个桥臂包括的直流-直流变换器的数量n≥2。

该拓扑电路包含的直流-直流变换器可以为多种类型的变换器，本实用新型并不对此做出限定。例如，在一个实施例中，直流-直流变换器为全桥直流-直流变换器或者半桥直流-直流变换器等，全桥直流-直流变换器可以为隔离性全桥直流-直流变换器等等。

在一个实施例中，全桥直流-直流变换器包括全桥逆变器、变压器和整流器；全桥逆变器的交流侧与变压器的原方连接，变压器的副方与整流器连接。由于多模块直流变换器的输出串联特征，每个直流-直流变换器的变压器变比较小，所以每个直流-直流变换器可使用中、高频变压器。

上述多模块直流变换器可以实现高电压大功率，所以在一个实施例中，所述拓扑电路的输入端与低压直流电网连接，输出端与中压直流电网或者高压直流电网连接。

为了更好的理解直流变换器的拓扑电路，下面结合一个具体实施例进行介绍。

如图2所示，为m＝2，n＝2时的拓扑电路的示意图。该拓扑电路包括两个串联的桥臂，在直流输入端有两个分压电容，分别作为两个桥臂的输入电容。每个桥臂分别包括两个模块。第一个桥臂包括模块1和模块2，第二个桥臂包括模块3和模块4。模块1和模块2输入端并联，输出端串联。模块3和模块4输入端并联，输出端串联。另外，模块1到模块4的输出端串联。

每个模块可以为相同的隔离型全桥DC-DC变换器，每个隔离型全桥DC-DC变换器分别包括全桥逆变器、中频或高频变压器和整流器。全桥逆变器，即高频调制部分，交流侧接变压器的原方，变压器将低压交流电耦合到副方高电压侧，实现低高电压间的电气隔离，变压器副方连接整流器，整流器直流侧串联其它模块的直流侧接高压直流电网或者中压直流电网。

图2所示的拓扑电路，每个模块输出功率仅为多模块直流变换器总功率的1/4。通过桥臂输入串联可以降低模块输入端功率开关器件的电压应力，通过将桥臂内的模块输入并联可以降低模块的输入电流，而将4个模块输出串联则提高了输出电压，因此该拓扑电路可以实现大功率高电压输出。另外，模块中的变压器功率也仅为总功率的1/4，每个变压器匝比比较小，大大提高了开关频率，进一步提高了功率密度，减少了变压器的大小和重量，并且不会制约变换器可达到的功率大小。

如图3所示，为对图2所示的拓扑电路的各个模块进行控制的实验平台示意图。该拓扑电路的所有模块可以采用相同占空比的脉冲宽度调制控制。

本实用新型还提供一种海上风场场内直流集电系统，下面结合附图对该海上风场场内直流集电系统进行详细介绍。

如图4所示，一种海上风场场内直流集电系统，包括各个风机以及各个所述的直流变换器的拓扑电路，每个风机分别通过对应的直流变换器的拓扑电路与海上换流站连接。

如图4所示，该海上风场场内直流集电系统还包括各个整流器(图4中的符号AC/DC部分)，每个整流器连接在对应的风机与对应的直流变换器的拓扑电路之间。即风机的输出信号经过整流器整流，整流后的信号再通过直流变换器的拓扑电路进行升压，然后升压后的信号传输到海上换流站。

如图4所示，所述海上换流站通过海底传输系统与陆上换流站连接。海底传输系统可以为海底光缆传输系统等。海上换流站还可以对信号进行再次升压，然后将升压后的信号通过海底传输系统传输到陆上换流站。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。