基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统

本发明属于中低压直流配电，具体涉及基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统。

背景技术：

1、直流配电技术凭借着其较高的供电容量及供电质量、高可靠性、dg可快速接入等优点，可以解决传统交流配电网正面临着供电容量不足、供电可靠性较低、无法实现区域间互联以及dg灵活接入等一系列问题。因此，在现有交流配电网基础上，利用电力电子变换装置，引入直流馈线，充分发挥电力电子变换装置可控性强以及直流输电效率高等各项优势，建立起基于直流馈线(dc-link)的柔性互联配电网络具有广阔的前景。但是，目前大多使用交流电配电网，交流配电网存在着供电容量不足、供电可靠性较低、无法实现区域间互联以及dg灵活接入等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，通过构建真双极低压直流母线端口，便于后续新能源技术接入，同时提供多种电压等级端口，应用面积广。

2、本发明所采用的技术方案是，基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，包括变换器单元、低压直流单元，变换器单元为三端口隔离型模块化多电平变换器，变换器单元输入端为低压直流端口，变换器单元输出端包括中压直流端口、中压交流端口，变换器单元的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元。

3、本发明的特点还在于：

4、低压直流单元包括正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)，正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)均连接变换器单元。

5、变换器单元包括三个并联的相单元，每个相单元包括上桥臂、下桥臂，每个上桥臂输入端通过真双极接线方式连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)，每个下桥臂输入端通过真双极接线方式连接电压等级为0v的母线(lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)，每个相单元上桥臂的输出正极端相互连接，汇集成中压直流端口的正极，每个下桥臂输出负极端相互连接，汇集成中压直流端口的负极，每个相单元的上桥臂输出负极端与下桥臂输出正极端连接，且通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。

6、每个上桥臂与下桥臂均包括n个单级式高频隔离型子模块和一个桥臂电抗器lm，n个单级式高频隔离型子模块的输入端均连接低压直流单元，n个单级式高频隔离型子模块的输出端依次连接，一个端部单级式高频隔离型子模块的输出端作为中压直流端口，另一个端部的单级式高频隔离型子模块输出端通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。

7、每个单级式高频隔离型子模块均包括一次侧部分、高频变压器部分和二次侧部分，一次侧部分、二次侧部分的一侧均为直流侧端口，另一侧为交流测端口，高频变压器部分的初级绕组和一次侧部分的交流侧端口连接，高频变压器部分的次级绕组和二次侧部分的交流侧端口相连，其中一次侧部分直流侧端口采取真双极接线方式作为公共低压直流端口连接低压直流单元，二次侧部分直流侧端口与其他单级式高频隔离型子模块二次侧直流侧端口串联。

8、一次侧部分包括一个电容cl和由四个开关管，第一开关管q1的发射集连接第三开关管q3的集电极，第一开关管q1的集电极、第三开关管q3的发射集分别连接在电容cl的两个极板上，第二开关管q2的发射集连接第四开关管q4的集电极，第三开关管q3的集电极、第四开关管q4的发射集分别连接在电容cl的两个极板上，第一开关管q1的发射集、第二开关管q2的发射集分别连接高频变压器部分初级绕组两端，电容cl的两个极板分别接出引线作为直流侧端口连接低压直流单元。

9、二次侧部分包括四个开关管和钳位电路，第五开关管q5的发射集连接第七开关管q7的集电极，第六开关管q6的发射集连接第八开关管q8的集电极，第五开关管q5的发射集、第六开关管q6的发射集分别连接高频变压器部分次级绕组两端，高频变压器部分次级绕组两端还连接钳位电路，用于抑制二次侧产生的冲击电压。

10、低压直流单元还包括dc/dc变换器、dc/ac变换器、光伏列阵、风伏列阵、储能系统、直流负载，直流负载通过一个dc/dc变换器连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)上，风伏列阵通过一个dc/ac变换器连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)上，储能系统、光伏列阵分别通过一个dc/dc变换器连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)。

11、本发明的有益效果是：

12、(1)不需要额外接入电压平衡器就能构建真双极性配电，本发明中采用真双极低压直流隔离型模块化多电平变换器，可以提供多种电压等级的双极性直流母线，避免了伪双极型直流端口带来的直流母线的单极电压不易稳定，供电可靠性较差的问题，从而可提供灵活的接入方式，适用范围更广，且直流侧各极可独立，同时因为采用双极性供电，使得系统较单极性供电绝缘等级下降一倍。通过改变上下桥臂的接线方式，使得系统不需要额外接入电压平衡器就能解决因为不对称负载导致的两极母线电压不平衡问题。

13、(2)本发明能够实现单级式功率变换，同时高压侧无电容。该变换器不含直流变换环节，实现了中压侧到低压侧的单级式变化，变换环节少，由此消除了dc-link电容与mmc子模块中的缓冲电容和复杂的电容电压平衡控制策略，大幅度减小了变压器的体积和重量。

14、(3)本发明系统不需要子模块均压控制，与传统mmc相比，该拓扑省去了中压侧的大电容，而变成低压直流侧具有一个公共的电容，电容电压相当于端口电压，由于完全消除了子模块中压侧的独立电容，变换器中子模块的电压由高频变压器钳位，因此不需要高压侧的双向开关和复杂的换相控制策略。

技术特征：

1.基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，包括变换器单元(2)、低压直流单元(9)，所述变换器单元(2)为三端口隔离型模块化多电平变换器，所述变换器单元(2)输入端为低压直流端口，所述变换器单元(2)输出端包括中压直流端口、中压交流端口，所述变换器单元(2)的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元(9)。

2.根据权利要求1所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述低压直流单元(9)包括正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)，所述正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)均连接变换器单元(2)。

3.根据权利要求2所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述变换器单元(2)包括三个并联的相单元(3)，每个所述相单元(3)包括上桥臂、下桥臂，每个所述上桥臂输入端通过真双极接线方式连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)，每个所述下桥臂输入端通过真双极接线方式连接电压等级为0v的母线(lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)，每个所述相单元(3)上桥臂的输出正极端相互连接，汇集成中压直流端口的正极，每个所述下桥臂输出负极端相互连接，汇集成中压直流端口的负极，每个所述相单元(3)的上桥臂输出负极端与下桥臂输出正极端连接，且通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。

4.根据权利要求3所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，每个所述上桥臂与下桥臂均包括n个单级式高频隔离型子模块(4)和一个桥臂电抗器lm，n个所述单级式高频隔离型子模块(4)的输入端均连接低压直流单元(9)，n个所述单级式高频隔离型子模块(4)的输出端依次连接，一个端部单级式高频隔离型子模块(4)的输出端作为中压直流端口，另一个端部的单级式高频隔离型子模块(4)输出端通过引出导线连接滤波电感，形成中压交流端口。

5.根据权利要求4所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，每个所述单级式高频隔离型子模块(4)均包括一次侧部分(5)、高频变压器部分(6)和二次侧部分(7)，所述一次侧部分(5)、二次侧部分(7)的一侧均为直流侧端口，另一侧为交流测端口，所述高频变压器部分(6)的初级绕组和一次侧部分(5)的交流侧端口连接，所述高频变压器部分(6)的次级绕组和二次侧部分(7)的交流侧端口相连，其中一次侧部分(5)直流侧端口采取真双极接线方式作为公共低压直流端口连接低压直流单元(9)，二次侧部分(7)直流侧端口与其他单级式高频隔离型子模块(4)二次侧直流侧端口串联。

6.根据权利要求5所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述一次侧部分(5)包括一个电容cl和由四个开关管，第一开关管q1的发射集连接第三开关管q3的集电极，第一开关管q1的集电极、第三开关管q3的发射集分别连接在电容cl的两个极板上，第二开关管q2的发射集连接第四开关管q4的集电极，第三开关管q3的集电极、第四开关管q4的发射集分别连接在电容cl的两个极板上，所述第一开关管q1的发射集、第二开关管q2的发射集分别连接高频变压器部分(6)初级绕组两端，电容cl的两个极板分别接出引线作为直流侧端口连接低压直流单元(9)。

7.根据权利要求5所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述二次侧部分(7)包括四个开关管和钳位电路(8)，第五开关管q5的发射集连接第七开关管q7的集电极，第六开关管q6的发射集连接第八开关管q8的集电极，所述第五开关管q5的发射集、第六开关管q6的发射集分别连接高频变压器部分(6)次级绕组两端，所述高频变压器部分(6)次级绕组两端还连接钳位电路(8)，用于抑制二次侧产生的冲击电压。

8.根据权利要求2所述基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，其特征在于，所述低压直流单元(9)还包括dc/dc变换器、dc/ac变换器、光伏列阵、风伏列阵、储能系统、直流负载，所述直流负载通过一个dc/dc变换器连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)上，所述风伏列阵通过一个dc/ac变换器连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为0v的母线(lvdc)上，所述储能系统、光伏列阵分别通过一个dc/dc变换器连接正极低压直流母线(p-lvdc)、电压等级为-vdc的负极低压直流母线(n-lvdc)。

技术总结
本发明公开了基于隔离型模块化多电平变换器的真双极低压直流系统，包括变换器单元、低压直流单元，变换器单元为三端口隔离型模块化多电平变换器，变换器单元输入端为低压直流端口，变换器单元输出端包括中压直流端口、中压交流端口，变换器单元的低压直流端口通过真双极接线方式连接低压直流单元；本发明将隔离型模块化多电平变换器与真双极技术相结合，从而使系统不需要额外接入电压平衡器就能构建真双极性配电，可以实现单级式功率变换，同时消去了子模块高压侧的大电容及不需要均压控制。

技术研发人员：马成廉,韩瑞,刘闯,裴忠晨,王菁月,刘瓦,张高铭,张崇,陈楠,牛巍,鞠凯
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13