一种高压大容量直流变压器的制作方法

本实用新型属于电力技术领域，涉及到固态变压器，尤其涉及适用于大容量高压直流输电(简称HVDC)的高压大容量直流变压器。

背景技术：

为了实现直流配电网高、中压直流配电母线与低压直流微电网母线或各种不同直流电压等级的负荷、储能系统和分布式发电的连接，直流变压器得到广泛的研究。

对于大容量高压直流输电(简称HVDC)输电系统，由于是由不同的区域性高压直流电网构成，而这些不同的高压直流电网的电压等级也可能存在差异，因此需要通过高压DC-DC变换器将不同电压等级的高压直流电网互联，以实现高压直流电网的功率交换和潮流控制。但是现有高压DC-DC变换器在能量传输中，由于直流母线电压存在波动，使得两端直流电压与变压器不匹配，导致较大的环流，进而出现很大的电流应力，使得高压DC-DC变换器效率降低。另外，在直流母线发生故障或高压DC-DC变换器内部子单元发生故障时将会对整个高压DC-DC变换器的输入输出特性产生影响，甚至造成损坏，导致系统停止运行，可靠性较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种适用于大容量高压直流输电的高压大容量直流变压器，通过使变压器两端直流电压与变压器变比始终匹配，并保证故障旁路，能够有效提高高压大容量直流变压器的效率和可靠性。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高压大容量直流变压器，包括n个相同的输入端串联输出端串联的模块化DC-DC单元，其中n为任意正整数；DC-DC单元包括依次连接的输入侧接口电路、输入侧电容、直流变换器单元、输出侧电容和输出侧接口电路；输入侧接口电路和输出侧接口电路分别通过控制开关管导通状态调节输入侧电容和输出侧电容的直流电压始终与直流变换器单元中的变压器变比匹配。

进一步的，输入侧接口电路和输入侧电容间串接有输入侧限制电路，输出侧接口电路和输出侧电容间串接有输出侧限制电路，输入侧限制电路和输出侧限制电路分别用于限制输入侧接口电路和输出侧接口电路开关管开通和关断过程中电压和电流的上升率。

进一步的，输入侧限制电路和输入侧限制电路均包括缓冲电容和缓冲电抗，缓冲电容通过二极管连接至缓冲电抗的对应侧接口电路连接侧；缓冲电容的正极还通过缓冲电阻连接至缓冲电抗的对应侧电容正极连接侧；缓冲电容的负极与对应侧电容负极连接。

进一步的，输入侧接口电路和输出侧接口电路均包括相互串联的第一开关管和第二开关管，输入侧接口电路和输出侧接口电路分别通过轮流导通的第一开关管和第二开关管，在输入侧和输出侧分别输出占空比为D的脉冲电压。

进一步的，第一开关管集电极与对应侧电容正极相连，第二开关管发射极与对应侧电容负极相连，第一开关管、第二开关管分别反向并联有二极管。

进一步的，n个相同的输入端串联输出端串联的模块化DC-DC单元中，第一DC-DC单元的第一连接端子通过相互串联的直流电抗、第一开关器件、第二开关器件与输入侧高压源的正极相连；第一DC-DC单元的第三连接端子通过相互串联的直流电抗、第一开关器件、第二开关器件与输出侧高压源的正极相连；第二开关器件并联有缓启动电阻，第二开关器件通过开关开闭控制缓启动电阻接入电路。

进一步的，n个相同的输入端串联输出端串联的模块化DC-DC单元中，第m+1台DC-DC单元的第一连接端子、第三连接端子分别与第m台DC-DC单元的第二连接端子、第四连接端子相连，1≤m<n；第n台DC-DC单元的第二连接端子与输入高压源的负极相连，第四连接端子T₄与输出高压源的负极相连

进一步的，直流变换器单元包括依次连接的输入电路、隔离变压器和输出电路，所述输入全桥电路和输出全桥电路均采用开关器件反向并联二极管的开关结构作为桥臂的H全桥结构或半桥结构。

进一步的，n个相同的输入端串联输出端串联的模块化DC-DC单元中，相邻DC-DC单元在同一侧端口输出的脉冲电压之间具有120度的移相角。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型提供的高压大容量直流变压器接口电路中的开关管均工作在PWM状态，能够实现输入侧电容和输出侧电容直流电压的调节，使得输入侧电容和输出侧电容的直流电压始终与直流变换器单元隔离变压器变比匹配，从而具有最高的效率。

(2)相邻DC-DC单元在同一侧端口输出的脉冲电压之间具有120度的移相角，从而使得输入或输出串联端输出电压的开关频率是每个输入接口单元输出电压的n倍，从而可以减小输入HVDC端口的电流纹波。

(3)在某一DC-DC单元发生故障时，通过开关管断开和闭合，将该故障DC-DC单元旁路；在HVDC端口1或HVDC端口2发生短路故障时，所有DC-DC单元开关管均断开；从而有效提高高压大容量直流变压器的可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本实用新型提供的高压大容量直流变压器拓扑结构图；

图2为本实用新型提供的高压大容量直流变压器理想工作波形；

图3为本实用新型提供的半桥结构直流变压器单元。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。

现在将参照附图更全面地描述示例实施例；然而，示例实施例可以以不同的形式被实现并且不应该被解释为限于在这里阐述的实施例。相反，这些实施例被提供以使本公开是全面的和完整的，并且将向本领域技术人员完全地传达示例性实施方式。相同的标号始终表示相同的元件。

还将理解，当一个元件被称为在另一元件“之间”、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可以直接在另一元件之间、直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”在另一元件“之间”、直接“连接到”或“结合到”另一元件时，不存在中间元件。

如图1所示，本实用新型提供的一种高压大容量直流变压器，串接在HVDC端口1与HVDC端口2间，用于实现高压大容量直流变换和功率传输，包括n个相同的模块化的DC-DC单元：DC-DC单元1、DC-DC单元2、…子模块单元n，其中n为任意正整数，并且n个DC-DC单元输入端串联/并联、输出端串联/并联，比如可以采用输入端串联、输出端串联的形式，这样n个DC-DC单元输入端之和等于HVDC端口1电压，n个DC-DC单元输出端之和等于HVDC端口2电压。当然也可以采用输入端串联输出端并联等其他形式。灵活运用串联单元个数，合理选择可关断器件的耐压和通流能力，可设计出针对不同电压等级变换应用场合的直流变换器。

为便于描述，以下仅以HVDC端口1输入、HVDC端口2输出的应用情况为例进行说明。同样可以适用于HVDC端口2输入、HVDC端口1输出的应用情况。

其中，DC-DC单元1的第一连接端子T₁通过相互串联的直流电抗L₁，开关器件K₁₁、K₁₂与HVDC端口1的正极相连；开关器件K₁₂并联有缓启动电阻R₁，通过开关开闭控制缓启动电阻R₁接入电路；类似的，DC-DC单元1的第三连接端子T₃通过相互串联的直流电抗L₂、开关器件K₂₁、K₂₂与HVDC端口2的正极相连；开关器件K₂₂并联有缓启动电阻R₂，通过开关开闭控制缓启动电阻R₂接入电路。

第m+1台DC-DC单元的第一连接端子T₁、第三连接端子T₃分别与第m台DC-DC单元的第二连接端子T_2、第四连接端子T₄相连，1≤m<n；第n台DC-DC单元的第二连接端子T₂与HVDC端口1的负极相连，第四连接端子T₄与HVDC端口2的负极相连；从而实现n个DC-DC单元的输入端串联、输出端串联的连接形式。

设HVDC端口1侧电压为v_dc1，DC-DC单元1输入端第一连接端子T₁、第二连接端子T₂间电压v_dc11，DC-DC单元2输入端第一连接端子T₁、第二连接端子T₂间电压v_dc12，依次类推，DC-DC单元n输入端第一连接端子T₁、第二连接端子T₂间电压v_dc1n，则v_dc11、vdc12、…v_dc1n之和等于v_dc1。对应的，设HVDC端口2侧电压为v_dc2，则v_dc21、vdc22、…v_dc2n之和等于v_dc2。

本实用新型提供的DC-DC单元均包括依次连接的输入侧接口电路、输入侧限制电路、输入侧电容C₁、直流变换器单元、输出侧电容C₂、输出侧限制电路和输出侧接口电路。

其中，输入侧接口电路和输出侧接口电路均包括两个相互串联轮流导通的开关管，在输入侧(v_dc11、v_dc12、…v_dc1n)和输出侧(v_dc21、v_dc22、…v_dc2n)分别形成占空比为D的脉冲电压；并调节输入侧电容C₁和输出侧电容C₂的直流电压，使得输入侧电容C₁和输出侧电容C₂的直流电压始终与直流变换器单元中的变压器变比匹配，从而具有最高的效率。

具体而言，作为本实用新型接口电路的具体实施方式，输入侧接口电路包括相互串联的第一开关管Q₁₁、第二开关管Q₁₂，第一开关管Q₁₁发射极和第二开关管Q₁₂集电极与第一连接端子T₁相连，第一开关管Q₁₁集电极通过输入侧限制电路中的第一缓冲电抗L_1s与输入侧电容C₁正极相连，第二开关管Q₁₂发射极与输入侧电容C₁负极相连，第一开关管Q₁₁、第二开关管Q₁₂分别反向并联有二极管M₁₁、M₁₂；输出侧接口电路包括相互串联的第一开关管Q₂₁、第二开关管Q₂₂，第一开关管Q₂₁发射极和第二开关管Q₂₂集电极与第三连接端子T₃相连，第一开关管Q₂₁集电极通过输出侧限制电路中的第二缓冲电抗L_2s与输出侧电容C₂正极相连，第二开关管Q₂₂发射极与输出侧电容C₂负极相连，第一开关管Q₂₁、第二开关管Q₂₂分别反向并联有二极管M₂₁、M₂₂。

输入侧限制电路和输出侧限制电路用于限制上述接口电路开关管开通和关断过程中电压和电流的上升率，作为本实用新型的具体实施例，输入侧限制电路包括第一缓冲电容C_1s，第一缓冲电容C_1s的正极与二极管D_1s的负极连接，并通过二极管D_1s连接至第一缓冲电抗L_1s的输入侧接口电路连接侧；第一缓冲电容C_1s的正极还通过第一缓冲电阻R_1s连接至第一缓冲电抗L_1s的输入侧电容C₁正极连接侧；第一缓冲电容C_1s的负极与输入侧电容C₁负极连接。Q₁₁或Q₁₂开通过程中，L_1s可以控制电流的上升率，Q₁₁或Q₁₂关断的过程中，C1s可以控制电压的上升率。

输出侧限制电路包括第二缓冲电容C_2s，第二缓冲电容C_2s的正极与二极管D_2s的负极连接，并通过二极管D_2s连接至第二缓冲电抗L_2s的输出侧接口电路连接侧；第二缓冲电容C_2s的正极还通过第二缓冲电阻R_2s连接至第二缓冲电抗L_2s的输出侧电容C₂正极连接侧；第二缓冲电容C_2s的负极与输出侧电容C₂负极连接。

作为本实用新型直流变换器单元第一种实施方式，直流变换器单元输入输出采用全桥结构，如图1所示，包括依次连接的输入全桥电路H1、隔离变压器T和输出全桥电路H2，输入全桥电路H1和输出全桥电路H2均采用开关器件反向并联二极管的开关结构作为桥臂的H全桥结构，具体的，输入全桥电路H1的第一桥臂包括开关器件S₁₁反向并联二极管D₁₁组成的第一上桥臂，和开关器件S₁₂反向并联二极管D₁₂组成的第一下桥臂；输入全桥电路H1的第二桥臂包括开关器件S₁₃反向并联二极管D₁₃组成的第二上桥臂，和开关器件S₁₄反向并联二极管D₁₄组成的第二下桥臂。输出全桥电路H2的第一桥臂包括开关器件S₂₁反向并联二极管D₂₁组成的第一上桥臂，和开关器件S₂₂反向并联二极管D₂₂组成的第一下桥臂；输出全桥电路H2的第二桥臂包括开关器件S₂₃反向并联二极管D₂₃组成的第二上桥臂，和开关器件S₂₄反向并联二极管D₂₄组成的第二下桥臂。

作为本实用新型直流变换器单元另一种实施方式，直流变换器单元输入输出采用H半桥结构，如图3所示，包括依次连接的输入半桥电路H1、隔离变压器T和输出半桥电路H2，输入半桥电路H1和输出半桥电路H2均采用开关器件反向并联二极管的开关结构作为桥臂的半桥结构，且半桥上下桥臂分别并联有直流电容。具体的，输入半桥电路H1包括开关器件S₁₁反向并联二极管D₁₁组成的上桥臂，和开关器件S₁₂反向并联二极管D₁₂组成的下桥臂，上桥臂和下桥臂分别并联有直流电容C₁₃,C₁₄；上下桥臂连接中点和直流电容C₁₃,C₁₄连接中点引出连接至隔离变压器T原边绕组两端。输出半桥电路H2包括开关器件S₂₁反向并联二极管D₂₁组成的上桥臂，和开关器件S₂₂反向并联二极管D₂₂组成的下桥臂，上桥臂和下桥臂分别并联有直流电容C₂₃,C₂₄；上下桥臂连接中点和直流电容C₂₃,C₂₄连接中点引出连接至隔离变压器T副边绕组两端。

输入全桥电路H1输入端正极与输入侧电容C₁正极相连，输入端负极与输入侧电容C₁负极相连。输出全桥电路H2输出端正极与输出侧电容C₂正极相连，输出端负极与输出侧电容C₂负极相连。

上述开关管Q₁₁、Q₁₂、Q₂₁、Q₂₂采用具有低通态压降的IGCT或ETO；开关管S₁₁～S₁₄、S₂₁～S₂₄可以采用IGBT、IGCT和MOSFET。

本实用新型提供的一种高压大容量直流变压器工作原理：

在启动过程中，开关器件K₁₁和K₂₁导通，开关器件K₁₂和K₂₂关断，开关管Q₁₁、Q₁₂、Q₂₁、Q₂₂、S₁₁～S₁₄、S₂₁～S₂₄均关断，HVDC端口1电流经过开关器件K₁₁、缓启动电阻R₁、直流电抗L₁、开关管Q₁₁、缓冲电抗L_1s给输入侧电容C₁充电，HVDC端口2经过开关器件K₂₁、缓启动电阻R₂、直流电抗L2、开关管Q₂₁、缓冲电抗L_2s给输出侧电容C₂充电。待电容C1和电容C2充电完成后，闭合开关K12和K22。

在正常工作过程中，开关管Q₁₁和开关管Q₁₂轮换导通，Q₂₁和Q₂₂轮换导通，在DC-DC单元在输入侧(v_dc11、v_dc12、…v_dc1n)和输出侧(v_dc21、v_dc22、…v_dc2n)分别形成占空比为D的脉冲电压。图2为HVDC端口1正常工作状态的理想波形，HVDC端口2的工作状态与此类似。

相邻DC-DC单元在同一侧端口输出的脉冲电压之间具有120度的移相角，以在HVDC端口1(v_dc1)和HVDC端口2(v_dc2)产生高开关频率的脉冲电压。

由于输入侧接口电路中的Q₁₁、Q₁₂和和输出侧接口电路中的Q₂₁、Q₂₂均工作在PWM状态，从而实现调节给输入侧电容C1和输出侧电容C2的直流电压，使得输入侧电容C1和输出侧电容C2的直流电压始终与直流变换器单元隔离变压器T变比匹配，从而具有最高的效率。

相邻DC-DC单元在同一侧端口输出的脉冲电压之间具有120度的移相角，从而使得输入串联端输出电压(v_dc1)的开关频率是每个输入接口单元输出电压(v_dc11、v_dc12、…v_dc1n)的n倍，从而可以减小HVDC端口1的电流纹波。对应的输出串联端输出电压(v_dc2)的开关频率是每个输出接口单元输出电压(v_dc21、v_dc22、…v_dc2n)的n倍，从而可以减小HVDC端口2的电流纹波

在某一DC-DC单元发生故障时，开关管Q₁₁、Q₂₁、S₁₁～S₁₄、S₂₁～S₂₄断开，开关管Q₁₂和Q₂₂闭合，将该故障DC-DC单元旁路。在HVDC端口1或HVDC端口2发生短路故障时，所有DC-DC单元开关管均断开。从而有效提高高压大容量直流变压器的可靠性。

本实用新型所涉及的开关器件，为机械开关或半导体开关，如MOSFET，IGBT，IGCT，ETO，IETO等。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，另外，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。