一种自耦式模块化多电平高压直流-直流变压器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种高压直流输电技术领域，特别是关于一种用于高压直流输电 的自耦式模块化多电平高压直流-直流变压器。
【背景技术】
[0002] 高压直流输电（HVDC)技术具有功率调节快速灵活、线路通道造价低廉、运行损耗 低等优点，应用前景十分广阔。随着越来越多的高压直流输电工程投运，利用直流变压器实 现不同电压等级的直流系统互联，进而构成运行灵活性更强的多端直流甚至直流电网，具 有重大的工程意义。
[0003] 应用在低压配电领域的直流-直流变换器拓扑结构多样，技术成熟，但为提高电 压等级和输送容量，这类变换器中桥臂需要由大量绝缘栅双极型晶体管（IGBT)串并联而 成，然而各个元件开断时间、伏安特性等不尽相同，由此引发的器件一致触发、动态均压、电 流均衡、电磁兼容等问题难以解决。为实现高电压大容量的要求，现有技术中有采用了多个 低压直流-直流隔离型变换器单元级联方式；还有采用由模块化多电平换流器、双绕组中 频或高频变压器和一个全控型H桥构成的直流变压器。以上两种结构均利用中高频变压 器以实现高压侧和低压侧的电气隔离，且低压侧采用单个全控型H桥，然而这种构造事实 上不适用高压大容量直流系统互联场合。一方面中高频变压器容量有限，难以完成百兆瓦 级别的能量输送和交换；另一方面低压侧输出直流电压过低（即单个H桥电压），无法匹配 高压直流输电网络的电压等级。目前大容量传统直流输电系统电压等级一般为±800kV、 ±660kV和±500kV，而大容量柔性直流输电系统的电压等级一般为±320kV、±200kV和 ±150kV，所以连接二者的直流变压器基本要求是直流电压变比在1. 5~5. 5之间。此外， 以上两种结构中主要采用直流-交流（隔离）-直流的基本方式构成直流电压变压器，所需 的电力电子器件较多。
[0004] 对于高压直流输电场合而言，直流变压器应该在尽可能节省成本和实现高压大容 量的目标下，实现如下两种基本功能：1)直流电压变换，直流变压器的电压变换比率是按 照两侧系统正常运行时的直流电压设计的，直流变压器需要从拓扑结构和控制策略加以考 虑应对。2)直流故障隔离，对于某侧出现直流故障，必须快速有效的处理并隔离直流故障， 防止故障经直流变压器传递，进而引起系统连锁反应导致系统崩溃。然而现有的技术手段 一般在考虑固定的直流电压变换下实现能量流动，特别是对直流故障隔离没有涉及。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种自耦式模块化多电平高压直流-直 流变压器，具有传输容量大、直流电压等级高、减少了器件需求，可实现功率双向流动、环流 抑制，控制性能较好。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种自耦式模块化多电平高压 直流-直流变压器，其特征在于：它包括上部换流器、下部换流器和工频交流变压器；所述 上部换流器交流侧经所述工频交流变压器与所述下部换流器连接；所述上部换流器高位直 流端口 Hl和所述下部换流器低位直流端口 L2构成高压直流输出口，所述上部换流器低位 直流端口 H2和所述下部换流器高位直流端口 Ll直接连接，所述下部换流器两个端口 L1、 L2构成低压直流输出口。
[0007] 所述上部换流器采用子模块混合型模块化多电平换流器，其包括三相桥臂，所述 三相桥臂的中点位置连接所述工频交流变压器的三相电压端；每相桥臂均由电感、N个半 桥子模块组成的阀段Vl和M个箝位双子模块组成的阀段V2串联构成。
[0008] 每个所述半桥子模块均采用由两个绝缘栅双极型晶体管和一个电容构成的半桥 单元，所述两个绝缘栅双极型晶体管串联，在第一个所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与 第二个所述绝缘栅双极型晶体管的发射极之间连接所述电容。
[0009] 每个所述箝位双子模块都由两个半桥单元、一个引导绝缘栅双极型晶体管和两个 二极管构成，所述两个半桥单元串联连接，位于所述两个半桥单元之间在第一个所述半桥 单元正向输出端和负向输出端分别串联一个所述二极管，并在两个所述二极管之间连接所 述引导绝缘栅双极型晶体管。
[0010] 所述下部换流器采用半桥子模块型模块化多电平换流器，其包括三相桥臂，所述 三相桥臂的中点位置连接所述工频交流变压器的三相端；每相桥臂都由H个半桥子模块和 另一电感串联构成。
[0011] 所述工频交流变压器的额定变比nt为：
[0012]
【主权项】
1. 一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在于；它包括上部换流器、 下部换流器和工频交流变压器；所述上部换流器交流侧经所述工频交流变压器与所述下部 换流器连接；所述上部换流器高位直流端口H1和所述下部换流器低位直流端口L2构成高 压直流输出口，所述上部换流器低位直流端口肥和所述下部换流器高位直流端口L1直接 连接，所述下部换流器两个端口L1、L2构成低压直流输出口。
2. 如权利要求1所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在于： 所述上部换流器采用子模块混合型模块化多电平换流器，其包括=相桥臂，所述=相桥臂 的中点位置连接所述工频交流变压器的=相电压端；每相桥臂均由电感、N个半桥子模块 组成的阀段VI和M个猜位双子模块组成的阀段V2串联构成。
3. 如权利要求2所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在于： 每个所述半桥子模块均采用由两个绝缘栅双极型晶体管和一个电容构成的半桥单元，所述 两个绝缘栅双极型晶体管串联，在第一个所述绝缘栅双极型晶体管的集电极与第二个所述 绝缘栅双极型晶体管的发射极之间连接所述电容。
4. 如权利要求2所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在于： 每个所述猜位双子模块都由两个半桥单元、一个引导绝缘栅双极型晶体管和两个二极管构 成，所述两个半桥单元串联连接，位于所述两个半桥单元之间在第一个所述半桥单元正向 输出端和负向输出端分别串联一个所述二极管，并在两个所述二极管之间连接所述引导绝 缘栅双极型晶体管。
5. 如权利要求3所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在于： 每个所述猜位双子模块都由两个半桥单元、一个引导绝缘栅双极型晶体管和两个二极管构 成，所述两个半桥单元串联连接，位于所述两个半桥单元之间在第一个所述半桥单元正向 输出端和负向输出端分别串联一个所述二极管，并在两个所述二极管之间连接所述引导绝 缘栅双极型晶体管。
6. 如权利要求1~5任一项所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器， 其特征在于；所述下部换流器采用半桥子模块型模块化多电平换流器，其包括=相桥臂，所 述=相桥臂的中点位置连接所述工频交流变压器的=相端；每相桥臂都由H个半桥子模块 和另一电感串联构成。
7. 如权利要求1~5任一项所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器， 其特征在于；所述工频交流变压器的额定变比nt为：
式中，叫。1为所述上部换流器的直流输出电压；Ude2分别为所述下部换流器的直流输出 电压；ki、k2分别为所述上、下部换流器交流输出电压调制比；Uml为所述上部换流器的交流 输出相电压幅值；Um2分别为所述下部换流器的交流输出相电压幅值；n为所述工频交流变 压器变比，n=叫。1/叫。2。
8. 如权利要求6所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在于： 所述工频交流变压器的额定变比nt为：
式中，叫。1为所述上部换流器的直流输出电压；Ude2分别为所述下部换流器的直流输出 电压；ki、k2分别为所述上、下部换流器交流输出电压调制比；Uml为所述上部换流器的交流 输出相电压幅值；Um2分别为所述下部换流器的交流输出相电压幅值；n为所述工频交流变 压器变比，n=叫。1/叫。2。
9. 如权利要求1~5、8任一项所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压 器，其特征在于；所述上部换流器桥臂内半桥子模块和猜位双子模块的数量关系如下： 卿+2M)Ue=Udei-Ud。， 式中，N为半桥子模块的个数，M为猜位双子模块的个数，U。为所述半桥子模块中的电 容电压。
10. 如权利要求6所述的一种自禪式模块化多电平高压直流-直流变压器，其特征在 于；所述上部换流器桥臂内半桥子模块和猜位双子模块的数量关系如下： 卿+2M)Ue=Udei-Ud。， 式中，N为半桥子模块的个数，M为猜位双子模块的个数，U。为所述半桥子模块中的电 容电压。
【专利摘要】本实用新型涉及一种自耦式模块化多电平高压直流-直流变压器，本实用新型变压器上部换流器采用全桥子模块、半桥子模块混合型模块化多电平换流器，下部换流器采用半桥子模块型模块化多电平换流器，上下换流器通过自耦形式实现能量交互。根据给定交流变压器的最优额定变比和子模块选取原则，在保留直流故障隔离能力的前提下，最大限度减少器件需求从而降低成本。基于精确反馈线性控制策略，可充分利用直流变压器交流侧部分没有电网扰动，系统参数可以精确测量等特点，取得良好的控制性能。本实用新型的直流故障快速隔离可有效防止两个直流电网间直流故障传递和扩大，具有传输容量大、直流电压等级高等优点，适用于高压大容量直流电网输电场合。
【IPC分类】H02M3-335
【公开号】CN204497991
【申请号】CN201520080619
【发明人】薛英林, 马为民, 聂定珍, 杨一鸣, 张涛, 吴方劼, 张宗鑫, 申笑林, 赵峥, 季一鸣
【申请人】国家电网公司, 国网北京经济技术研究院
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年2月4日