一种直流变压器的制作方法

本实用新型属于电力电子领域，特别涉及一种直流变压器。

背景技术：

在中高压直流电网的组网过程中，直流变压器是推进其发展的重要环节，由于传统的直流变压器没有或只具有单向故障电流的阻断能力，当其应用于直流电网时，将会受到来自直流电网的直流故障电流的冲击而遭到损坏，影响直流变压器自身及直流电网的安全运行与可靠供电。从而如何令直流变压器具备双向故障电流阻断功能为亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种直流变压器，所述直流变压器故障恢复快，且供电可靠性高。

本实用新型的目的在于提供一种直流变压器，包括一个或多个桥式模块，所述桥式模块包括第一传输单元、第二传输单元及连接在第一传输单元与第二传输单元之间的高频隔离变压器，其中，

所述第一传输单元由第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第一电容及第二电容组成，其中，

所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件组成第一全桥电路；

所述第五开关器件与所述第一电容串联，且所述串联的第五开关器件、第一电容与所述第一开关器件并联；

所述第六开关器件与所述第二电容串联，且所述串联的第六开关器件、第二电容与所述第三开关器件并联。

进一步，所述第一～第六开关器件包括电力电子开关及反并联二极管。

进一步，所述第二传输单元由第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第三电容及第四电容组成，其中，所述七开关器件、第八开关器件、第九开关器件及第十开关器件组成第二全桥电路，所述第十一开关器件与所述第三电容串联，且所述串联的第十一开关器件、第三电容与所述第七开关器件并联，所述第十二开关器件与所述第四电容串联，所述串联的第十二开关器件、第四电容与所述第九开关器件并联，所述第七～第十二开关器件为电力电子开关及反并联二极管；

或，

所述第二传输单元由第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件及第三电容组成，其中，所述七开关器件、第八开关器件、第九开关器件及第十开关器件组成第二全桥电路，所述第三电容与所述第二全桥电路并联，所述第七～第十开关器件均为二极管或者均包括电力电子开关及反并联二极管。

进一步，所述直流变压器与所述一个或多个桥式模块包括以下一种或多种连接关系：

所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与所述一个或多个桥式模块串联，其低压接口侧与所述一个或多个桥式模块并联、

所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与所述一个或多个桥式模块串联，其低压接口侧与所述一个或多个桥式模块串联、

所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与所述一个或多个桥式模块并联，其低压接口侧与所述一个或多个桥式模块并联、

所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与所述一个或多个桥式模块并联，其低压接口侧与所述一个或多个桥式模块串联。

进一步，当所述直流变压器包括多个桥式模块时，所述多个桥式模块中的一个或多个桥式模块与其他桥式模块为冗余设置。

进一步，所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与直流输电电网的中压和/或高压直流母线侧之间还串联有第一电感。

本实用新型的直流变压器具有以下有益效果：

(1)直流变压器中包括一个或多个桥式模块，即对直流变压器采用模块化设计，避免了大容量集中式高频变压器的使用，减小了变压器高频环节的损耗，同时方便安装、调试及运输等。

(2)直流变压器集成了双向故障电流阻断能力，在中(高)压直流电网故障时，由于中高压侧中各个开关器件能够进行闭锁，使直流变压器既能够阻断来自直流变压器中第一电容、第二电容流向直流电网的放电故障电流，又由于二极管的单向电流流通功能，能够阻断来自直流电网的流向直流变压器的充电故障电流，最大限度的减小了故障电流对直流变压器的损害，实现了直流电网故障时直流变压器的完整隔离，同时减少了外部电网中中(高)压直流断路器的使用，降低了直流电网的运行损耗与建设成本。

(3)一个或多个桥式模块中部分桥式模块运行在线冗余状态，且具有在线投切功能，能够实现在线冗余状态下的桥式模块的在线投入与故障桥式模块的不停机切除，提高整体可靠性；

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例中的一种直流变压器的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例中的另一种直流变压器的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例中的第三种直流变压器的结构示意图；

图4、图5示出了本实用新型实施例中基于直流变压器的高频链电压匹配移相调制方法形成的波形示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例介绍了一种直流变压器，如图1-3所示，分别为本实用新型的3个优选实施例，这3个优选实施例的相同之处在于：所述直流变压器均包括n个集成双向故障电流阻断能力的改进双主动全桥模块mdab(modifieddualactivebridgeintegratedwithbidirectionaldcfaultcurrentisolatingfunction)，其中n为整数，n＞0，本实用新型实施例中，以第i个集成双向故障电流阻断能力的改进双主动全桥模块mdab为例，对所述mdab的结构进行介绍，其中，i∈n，n为整数，并将所述集成双向故障电流阻断能力的改进双主动全桥模块mdab简称为所述mdab，所述mdab包括第一传输单元cb-hi、第二传输单元hi及连接在第一传输单元cb-hi与第二传输单元hi之间的高频隔离变压器hfl-t，其中，所述第一传输单元cb-hi由第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第一电容c11i及第二电容c12i组成，其中，第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件组成第一全桥电路；所述第五开关器件与第一电容c11i串联，且串联的第五开关器件、第一电容c11i与所述第一开关器件并联；所述第六开关器件与第二电容c12i串联，且串联的第六开关器件、第二电容c12i与所述第三开关器件并联。所述直流变压器在正常工作情况下,第一电容c11i、第二电容c12i在与其串联的开关器件作用下，有规律地从直流变压器的运行电路中切出或投入。示例性的：当第五开关器件处于导通状态时，第一电容c11i处于投入状态；当第五开关器件处于关断状态时，第一电容c11i处于切出状态。相似地，当第六开关器件处于导通状态时，第二电容c12i处于投入状态，第六开关器件处于关断状态时，第二电容c12i处于切出状态。所述直流变压器在故障工作情况下,第五开关器件与第六开关器件均处于闭锁关断状态，此时第一电容与第二电容均处于带电切出状态，以用于所述直流变压器正常工作后迅速恢复运行。

所述第一～第六开关器件均包括电力电子开关及反并联二极管。各个开关器件中均包括反并联二极管，实现直流变压器中(高)压侧的双向故障电流阻断，从而在直流电网出现故障时，既可以阻断直流变压器中的电容放电，又可以阻断电网的冲击电流进入直流变压器。尤其对于外部瞬时性故障，直流变压器与直流电网之间不存在物理断点，当故障清除后，可以很快的恢复系统，提高整个电网的供电可靠性。

具体的，如图1-3中所示，第i个集成双向故障电流阻断能力的改进双主动全桥模块mdab的中(高)压侧的结构具体为：第一开关器件由电力电子开关s11i与反并联二极管d11i组成；第二开关器件由电力电子开关s12i与反并联二极管d12i组成；第三开关器件由电力电子开关s13i与反并联二极管d13i组成；第四开关器件由电力电子开关s14i与反并联二极管d14i组成；第五开关器件由电力电子开关q1i与反并联二极管r1i组成；第六开关器件由电力电子开关q2i与反并联二极管r2i组成。第一电容c11i及第二电容c12i均为离散的开关电容，二极管r1i与d12i、r2i与d14i还分别互为对向。从而在中压侧直流电网出现短路故障时，所述直流变压器在保护策略的控制下，直流变压器中各个开关器件闭锁，则每个所述mdab中的两个离散电容c11i、c12i由于反向二极管r1i～r2i的单向电流流通功能将不能对外部故障点放电，进而减小故障点的总故障电流，保持第一电容c11i与第二电容c12i的电容电压，方便直流故障点的故障处理与直流变压器的再启动。同时，由于反向二极管d11i～d14i的单向电流流通功能，此时外部电网也无法向直流变压器中窜入故障电流，同时，保证了直流变压器中离散电容的安全性，提高了直流变压器的使用寿命。

图1-3所示实施例差别在于：针对直流变压器不同应用场景的功率传输方向与故障处理需求，所述第二传输单元hi的结构设置不同。

图1中，所述第二传输单元hi包括第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件及第三电容c21i，其中，所述第七～第十开关器件组成的全桥电路，所述全桥电路与所述第三电容c21i并联。进一步，第七开关器件由电力电子开关s21i与反并联二极管d21i组成；第八开关器件由电力电子开关s22i与反并联二极管d22i组成；第九开关器件由电力电子开关s23i与反并联二极管d23i组成；第十开关器件由电力电子开关s24i与反并联二极管d24i组成。从而图1所示的直流变压器传输功率时，能够实现双向传输，但由于所述第二传输单元hi中未设置阻断电容，从而直流变压器的低压侧不具有故障电流阻断能力。

图2中，所述第二传输单元hi的结构与图1结构相同，其中，但所述第七～第十开关器件均为二极管。从而图2中所示的直流变压器不具有双向传输功能，在传输功率时，仅能够从中压侧或高压侧向低压侧传输功率。同样，由于所述第二传输单元hi中未设置阻断电容，从而直流变压器的低压侧不具有故障电流阻断能力。

图3中，所述第二传输单元hi的结构与图1中第一传输单元cb-hi的结构相同，其中各个开关器件、电容的设置均相同，从而直流变压器具有双向传输功能，且其中(高)压侧、低压侧均具有双向故障电流阻断能力，在此不再进行赘述。

本实施例中，所述电力电子开关为晶闸管器件，包括绝缘栅双极型晶体管(igbt)、集成门极换流晶闸管(igct)、门极关断晶闸管(gto)等。

所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与所述一个或多个mdab串联连接，其低压接口侧与所述一个或多个mdab并联连接；在中(高)压接口侧采用多个桥式模块串联结构以提高直流变压器的耐压等级，在低压接口侧采用多个桥式模块并联结构以提高直流变压器的功率等级。但所述直流变压器与所述mdab不限于上述连接关系，根据所述mdab的应用场景与功率的不同要求，所述直流变压器与所述一个或多个mdab的连接关系还包括，所述直流变压器中(高)压接口侧与所述一个或多个mdab串联，其低压接口侧与所述一个或多个mdab串联、所述直流变压器中(高)压接口侧与所述一个或多个mdab并联，其低压接口侧与所述一个或多个mdab并联、所述直流变压器中(高)压接口侧与所述一个或多个mdab并联，其低压接口侧与所述一个或多个mdab串联中的一种或多种。

本实施例中，由于所述直流变压器包括n个所述mdab，当n＞1时，从而所述n个mdab之间存在冗余设置，所述n个mdab中一部分mdab运行在在线冗余状态，另一部分mdab处于投入运行状态，即直流变压器中所述mdab中包括一个或多个主桥式模块mdab与一个或多个备桥式模块mdab。其中，所述mdab在在线冗余状态下时，其端电压为0，而所述第一传输单元cb-hi中的直流电容保持着一定的电压，以便在某些投入运行的mdab故障时迅速将其替换，提高直流变压器的运行可靠性。示例性的，以图1中的直流变压器为例，若第i个mdab运行在在线冗余状态，则q1i～q2i、s21i～s24i处于闭锁状态，同时，s11i～s14i处于解锁状态，高压侧电流流经s11i～s14i，s11i～s12i与s13i～s14i组成两组并联电路以减小冗余模块在线冗余状态下的通态损耗。同时，当投入运行的mdab故障时，采用在线冗余状态下的mdab模块来实现直流变压器的不停机故障模块在线切除，提高供电可靠性。

本实施例中，所述直流变压器的中压和/或高压接口侧与所述直流输电电网的中压和/或高压直流母线侧之间还串联有第一电感，以减小直流电流纹波并实现控制与调制的灵活性。

本实用新型实施例中还介绍了一种直流变压器的高频链电压匹配移相调制方法，包括，首先确定以下一种或多种调制参数：直流变压器中一个或多个mdab的数量n、直流变压器两端的直流电压vdc1、vdc2；其次基于上述确定的调制参数，计算直流变压器中的第一传输单元的匹配移相比d0；然后根据计算出的匹配移相比d0，分别对直流变压器中的第一传输单元与第二传输单元进行移相调制。本申请中是对直流变压器中所有的mdab中的第一传输单元与第二传输单元均进行移相调制，通过采用高频环节电压匹配移相调制，所述直流变压器在其整个运行范围内能够实现高频环节的电压匹配软开关运行，提高了直流变压器的整体运行效率与开关器件的电流应力特性。

具体的，以对图1中所述直流变压器中的第i个mdab进行移相调制为例，如图1所示，mdab1的cb-h1与h1(未全部示出)的电压分别为v1p1、v2p1，mdabi的cb-hi与hi的电压分别为v1pi、v2pi，mdabn的第一传输单元cb-hn(未全部示出)电压为v1pn、v2pn，1-n个mdab的cb-h与h(未全部示出)的总电压分别为v1p、v2p；以mdabi为例，通过mdabi中第一～第十开关器件中的电流分别是i11i、i12i、i13i、i14i、ic11i、ic12i、i21i、i22i、i23i、i24i，第一电容、第二电容的电压为vc11i、vc12i，mdabi的cb-hi的输入与输出电流分别为i1id、i1i，mdabi的hi的输入与输出电流分别为i2i、i2id，高频隔离变压器hfl-t的电压比为kt：1，且其两侧的电压为v1i、v2i，第一电感ldc的电压为vldc，直流变压器两端的直流电压vdc1、vdc2；直流变压器两端的电流为idc1、idc2。

如图4所示，图4介绍了图1所示的直流变压器的高频链环节电压匹配移相调制原理图，一个开关周期包括t0、t1、t2、t3、t4、t5及t6时刻，t0～t6为一个开关周期，ths为半个开关周期，d为cb-hi与hi的移相比，d0为cb-hi的匹配移相比。在所述mdabi中，所述cb-hi与hi存在不同的调制原理，具体的，在一个开关周期中，分别控制第一传输单元中各个开关器件中的电力电子开关进行动作，令s11i与s14i中形成完全相同的第一调制波，q1i中形成的调制波与s11i中的第一调制波相反，所述s12i与s13i中形成完全相同的第二调制波，所述q2i中形成的调制波与s13i中的第二调制波相反；其中，所述第一调制波与第二调制波的占空比均为50％+d0，所述第一调制波与第二调制波之间的移相角为180度；

在一个开关周期中，分别控制第二传输单元中各个开关器件中的电力电子开关进行动作，令所述s21i与s24i形成完全相同的第三调制波，s22i与s23i中形成完全相同的第四调制波；其中，所述第三调制波与第四调制波之间的移相角为180度，所述第三调制波与第四调制波均为方波。

本实施例中，t0～t1、t3～t4的时间段长度均为匹配移相比d0与半个开关周期ths的乘积，t0～t2、t3～t5的时间段长度均为第一传输单元与第二传输单元之间的移相比d与半个开关周期ths的乘积；则所述在一个开关周期中，分别控制第一传输单元、第二传输单元中各个开关器件中的电力电子开关进行动作具体包括，

t0时刻，s11i～s14i、s22i～s23i导通，q1i～q2i、s21i、s24i关断；

t1时刻，q2i导通，s12i～s13i关断；

t2时刻，s21i、s24i导通，s22i～s23i关断；

t3时刻，s12i～s13i导通；q2i关断；

t4时刻，q1i导通；s11i、s14i关断；

t5时刻，s22i～s23i导通，s21i、s24i关断，

t6时刻，s11i、s14i、q2i导通，s12i～s13i、q1i关断。

从而基于上述移相调制，所述直流变压器中v1pi、v2pi、v1p、v2p、i11i、i12i、i13i、i14i、ic11i、ic12i、i21i、i22i、i23i、i24i、i1i、v1i、v2i、vldc、idc1形成如图4、5所示的波形，其中，

所述v1pi在t1～t3、t4～t6时间段中的幅值为v1pi＝vc1；所述v2pi的幅值在一个开关周期均为v2pi＝vc2＝vdc2；所述v1p在t1～t3、t4～t6时间段中的幅值为v1p＝nvc1；所述v2p的幅值在一个开关周期均为v2p＝nvc2＝nvdc2；所述vldc在t0～t1、t3～t4时间段的幅值为vldc＝vdc1，在t1～t3、t4～t6时间段的幅值为vldc＝vdc1-nvc1；v1i在t1～t3、t4～t6时间段的幅值为v1i＝vc1；v2i在t0～t2、t5～t6时间段的幅值为v2i＝vc2＝vdc2，在t2～t4时间段的幅值为v2i＝-vc2＝-vdc2。

从而在上述调制方法下，根据直流电感的电压平均值为0，可知：

vdc1d0ths+(vdc1-nvc1)(1-d0)ths＝0

因此，可得：

也就是说cb-hi侧的电容电压可以通过匹配移相比d0进行调节。另外由于vc1＝vc2＝vdc2，可得

从而，基于上述关系，变换可以得出所述第一传输单元的匹配移相比d0：

其中，n为直流变压器中一个或多个桥式模块的数量，n＞0，n为整数。本申请中任一所述mdab的第一传输单元的匹配移相比均满足上述关系。

从而根据匹配移相比d0及确定所述直流变压器两端的直流电压vdc1、vdc2便可保证直流变压器高频链直流电压的匹配运行，从而优化高频链电流及开关器件的电流，提高直流变压器在宽电压运行范围下的综合性能。

本实施例中，当所述直流变压器为图2所示的结构时，则在直流变压器的高频链环节电压匹配移相调制过程中，由于二极管的单向导通性，则第二传输单元中相当于四个二极管组成的惠斯通电桥，仍以第i个mdab为例，其中，d21i、d22i、d23i、d24i导通与关断的动作过程分别与s21i、s22i、s23i、s24i对应一致。

本实施例中，当所述直流变压器为图3所示的结构时，则在直流变压器的高频链环节电压匹配移相调制过程中，仍以第i个mdab为例，其他过程与上述图1的调制过程一致，则关于电力电子开关q3i、q4i满足：q3i只需要与s21i的触发脉冲相反即可，即s21i导通，q3i则关断、s21i关断，q3i则导通。同时，q4i则需要与s23i的运行状态相反即可。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。