一种新型双向高压直-直变换器拓扑的制作方法

本实用新型涉及电力系统输配电技术领域，具体涉及一种新型双向高压直-直变换器拓扑。

背景技术：

目前，针对高压大容量直-直变换器的研究，大致分为斩波型、变压器隔离型以及谐振型三个方向，三类方向又可以依照具体的换流器拓扑构成多种实施方式。其中，基于模块化多电平换流器(modular multilevel coNverter，MMC)的变压器隔离型直-直变换器拓扑凭借其灵活性、可靠性以及在电压等级和变换容量方面优秀的可拓展性，代表了现阶段双向高压直-直变换器拓扑设计的主流思路。

鉴于MMC“交流侧”不能稳定地输出直流电压，目前基于上述设计思路的直-直变换器依赖交流环节的介入，以完成两侧直流电压变换过程，因此从本质上应被定义为直-交-直型变换器。由于变换过程涉及两次能量形式的转换，同时一般需要在交流环节引入交流变压器，这一类型的高压直-直变换器拓扑突出的问题便是MMC容量利用率低，投资成本较高。

为了提升直-直变换器中MMC的容量利用率并抑制交流环节的运行损耗，相关学者在变换器拓扑上进行了许多极具价值的尝试。文献“Multiport DC–DC AutotraNsformer for INtercoNNectiNg Multiple High-Voltage DC Systems at Low Cost”，提出了多端口的直-直自耦变压器，通过在直-直变换器的两侧建立直接的电气连接，有效节省了所需换流器的容量和成本。但该方案一方面造成拓扑中不同子变换器处于不同的电位等级，绝缘设计相对复杂，另一方面拓扑中换流器间仍有部分能量需要通过交流环节传递，仍然无法摆脱原有设计的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种新型双向高压直-直变换器拓扑，该拓扑无需交流环节的介入，能直接实现直流能量在不同电压等级的双向变换，显著提高了拓扑中MMC的容量利用率，降低了投资成本。

为实现以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种新型双向高压直-直变换器拓扑，包括A相单元和B相单元，每一个相单元分上下桥臂，其中：

A相的上下桥臂均包括N个串联的A相子模块拓扑结构，A相子模块拓扑结构包括第一开关模块、第二开关模块和直流电容，第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连，直流电容的正极和负极分别与第一开关模块的正极和第二开关模块的负极相连，第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为A相子模块拓扑结构的输入端，第二开关模块的负极与直流电容的负极之间的节点为A相子模块拓扑结构的输出端，第一开关模块的正极与直流电容的正极之间的节点为A相子模块拓扑结构的保护端；

B相的上下桥臂均包括N个串联的B相子模块拓扑结构，B相子模块拓扑结构包括第一开关模块、第二开关模块和直流电容，第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连，直流电容的正极和负极分别与第一开关模块的正极和第二开关模块的负极相连，第一开关模块的正极与直流电容的正极之间的节点为B相子模块拓扑结构的输入端，第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为B相子模块拓扑结构的输出端，第二开关模块的负极与直流电容的负极之间的节点为B相子模块拓扑结构的保护端；

还包括4N+2个钳位二极管，

A相上桥臂最上面的A相子模块拓扑结构的输入端与钳位二极管的正极相连，钳位二极管的负极与直流母线正极相连，A相上下桥臂的连接处与直流输出负极相连，A相下桥臂最下面的A相子模块拓扑结构的输出端与钳位二极管的正极相连，钳位二极管的负极与直流母线负极相连，上面的A相子模块拓扑结构的输出端连接下面的A相子模块拓扑结构的输入端，且二个相邻的A相子模块拓扑结构的保护端之间串接负极朝上的钳位二极管；

B相上桥臂最上面的B相子模块拓扑结构的输入端与钳位二极管的负极相连，钳位二极管的正极与直流母线正极相连，B相上下桥臂的连接处与直流输出正极相连，B相下桥臂最下面的B相子模块拓扑结构的输出端与钳位二极管的负极相连，钳位二极管的正极与直流母线负极相连，上面的B相子模块拓扑结构的输出端连接下面的B相子模块拓扑结构的输入端，且二个相邻的B相子模块拓扑结构的保护端之间串接负极朝上的钳位二极管。

进一步地，A相单元和B相单元与直流母线之间串接有第一平波电抗器，A相单元与直流输出负极之间、B相单元与直流输出正极之间串接有第二平波电抗器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、区别于传统MMC的常规三相结构，采用两相结构，无需交流环节的介入，直接实现直流能量在不同电压等级的双向变换，显著提高了拓扑中MMC的容量利用率，降低了投资成本。

2、通过在子模块拓扑结构增设保护端口、以及与钳位二极管的配合，实现A、B相上下桥臂能量的均衡，维持直-直变换器的长期稳定运行。

3、A、B相采用差异化的子模块设计，配合输出侧直流母线极性的选择，降低直-直变换器拓扑中子模块电容电压的波动水平。

附图说明

图1为本实用新型的双向高压直-直变换器拓扑；

图2为本实用新型A相子模块拓扑结构；

图3为本实用新型B相子模块拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1至图3所示，一种新型双向高压直-直变换器拓扑，包括A、B两个相单元，每一个相单元包括串联在一起的上下桥臂，A相上下桥臂均包括N个串联的A相子模块拓扑结构SMA，B相上下桥臂均包括N个串联的B相子模块拓扑结构SMB。

A相子模块拓扑结构SMA包括第一开关模块S1、第二开关模块S2和直流电容C，第一开关模块S1的负极与第二开关模块S2的正极相连，直流电容C的正极和负极分别与第一开关模块S1的正极和第二开关模块S2的负极相连，第一开关模块S1的负极与第二开关模块S2的正极之间的节点为A相子模块拓扑结构SMA的输入端，第二开关模块S2的负极与直流电容C的负极之间的节点为A相子模块拓扑结构SMA的输出端，第一开关模块S1的正极与直流电容C的正极之间的节点为A相子模块拓扑结构SMA的保护端。

B相子模块拓扑结构SMB包括第一开关模块S1、第二开关模块S2和直流电容C，第一开关模块S1的负极与第二开关模块S2的正极相连，直流电容C的正极和负极分别与第一开关模块S1的正极和第二开关模块S2的负极相连，第一开关模块S1的正极与直流电容C的正极之间的节点为B相子模块拓扑结构SMB的输入端，第一开关模块S1的负极与第二开关模块S2的正极之间的节点为B相子模块拓扑结构SMB的输出端，第二开关模块S2的负极与直流电容C的负极之间的节点为B相子模块拓扑结构SMB的保护端。

还包括4N+2个钳位二极管D，每个相单元为2N+1个，其中4N-2个钳位二极管D串接在A、B相子模块拓扑结构上构成均压辅助回路，用以平衡A、B相上下桥臂的能量偏差；另外4个钳位二极管位于子模块拓扑结构与直流母线之间，构成故障钳位二极管组DAu、DAl、DBu、DBl，用以实现两侧直流故障的隔离。具体的拓扑结构如下：

对于A相单元：A相上桥臂最上面的A相子模块拓扑结构SMA1的输入端与钳位二极管DAu的正极相连，钳位二极管DAu的负极串接平波电抗器L0后与直流母线Ud1正极相连，A相上下桥臂的连接处串接平波电抗器L1后与直流输出Ud2负极相连，A相下桥臂最下面的A相子模块拓扑结构SMA2N的输出端与钳位二极管DAl的正极相连，钳位二极管DAl的负极串接平波电抗器L0后与直流母线Ud1负极相连。对于各A相子模块拓扑结构SMA而言，上面的A相子模块拓扑结构SMA的输出端连接下面的A相子模块拓扑结构SMA的输入端，且二个相邻的A相子模块拓扑结构SMA的保护端之间均串接一个负极朝上的钳位二极管D。

对于B相单元：B相上桥臂最上面的B相子模块拓扑结构SMB1的输入端与钳位二极管DBu的负极相连，钳位二极管DBu的正极串接平波电抗器L0后与直流母线Ud1正极相连，B相上下桥臂的连接处串接平波电抗器L1后与直流输出Ud2正极相连，B相下桥臂最下面的B相子模块拓扑结构SMB2N的输出端与钳位二极管DBl的负极相连，钳位二极管DBl的正极串接平波电抗器L0后与直流母线Ud1负极相连。对于各B相子模块拓扑结构SMB而言，上面的B相子模块拓扑结构SMB的输出端连接下面的B相子模块拓扑结构SMB的输入端，且二个相邻的B相子模块拓扑结构SMB的保护端之间均串接一个负极朝上的钳位二极管D。

本实用新型的双向高压直-直变换器拓扑，变换器的“Ud1侧”、“Ud2侧”均能稳定地输出直流电压，不依赖交流环节的介入实现两侧直流能量在不同电压等级的直接转换，同时能够实现两侧的故障隔离。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。