一種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，屬于電力【技術領域】；主要由兩個模塊化多電平變換器和變壓器組成。第一模塊化多電平變換器由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由n個子模塊串聯；變壓器的原、副邊均由k個繞組組成；第二模塊化多電平變換器由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由m個子模塊SM串聯；第一模塊化多電平變換器中各個橋臂的中點分別與變壓器的原邊引線相連；第二模塊化多電平變換器各個橋臂的中點分別與變壓器的副邊引線相連。本發明可實現高壓和低壓或高壓直流輸配電網的電壓匹配，并且實現功率的雙向流動和電氣隔離。
【專利說明】-種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器

【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力【技術領域】，涉及到直流輸配電，特別涉及一種用于直流輸配電的 模塊化直流固態變壓器。

【背景技術】
[0002] 由于具有模塊化程度高、效率高、功率密度高、噪音低、智能化程度高等大量優點， 目前已經有較多研究關注采用電力電子變壓器（也稱為固態變壓器SST)取代傳統交流配 電變壓器，尤其是隨著智能電網中分布式電能、儲能等的快速發展，SST作為各種分布式單 元的集成系統、并實現電壓、潮流等靈活控制的解決方案越來越受到重視。但總的來說，整 個國際上目前對SST的研究基本上都停留在交流SST上，對直流SST的研究較少涉及。
[0003] 而目前，基于電壓源變流器（Voltage Source Converter, VSC)的柔性高壓直流輸 電（VSC-HVDC)可以獨立、快速控制所傳輸的有功功率和無功功率，因此極大地增強了輸電 的靈活性，使其成為最近發展起來的最有潛質的電力傳輸方式，特別適用于風力發電場與 主網之間的穩定聯結、向孤立的遠方小負荷區供電等應用。近年來VSC-HVDC技術在國內外 都已得到了普遍的重視，VSC-HVDC工程也日益增多。在配電網絡方面，隨著城市的發展和 用電負荷的快速增加，對配電網絡輸送容量的要求也日益增加，需要在有限的配電網走廊 上輸送更大的容量。在用電密集的城市電網中采用柔性直流技術，將可以占用更少的輸電 走廊，并可利用它的快速可控性等特點，解決城市供電中存在的供電困難、成本高以及潮流 難以控制等問題，維持城市電網的安全可靠經濟運行。通過直流配網的方式，還可以減少儲 能系統和新能源發電系統接入電網的中間環節，降低接入成本、提高功率轉換效率和電能 質量。
[0004] 在直流輸配電中，需要實現不同直流電壓等級電網之間的電壓變換和功率流動， 而在直流電網中，難以像交流電網中通過交流磁耦合的方式實現電壓變換，因此必須基于 電力電子技術通過直流SST實現直流電壓的變換和功率的雙向傳遞。
[0005] 雖然在低壓小容量領域DC/DC變換器已經得到比較廣泛的應用，但由于電力電子 半導體器件發展程度的限制，中高壓大容量等級的直流SST仍有待研究和應用。目前已有 的直流SST技術方案中，大多采用低壓小容量DC/DC變換器在高壓端串聯和在低壓端并聯 的方案，而這種方案可以實現高壓和低壓直流端的電壓和功率轉換，卻無法實現高壓和高 壓直流端的電壓和功率轉換，應用領域受限。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是為解決上述的技術問題，提出一種用于高壓直流輸配電的模塊化 直流固態變壓器，實現高壓和低壓或者高壓和高壓直流輸配電網的電壓匹配，并且實現功 率的雙向流動和電氣隔離，減小系統的重量和體積。
[0007] 本發明采取的技術方案如下：
[0008] -種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，其特征在于：該系統主要由 模塊化多電平變換器1、變壓器2和模塊化多電平變換器3組成。模塊化多電平變換器1由 k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由η個子 模塊SM串聯，k > 2, η > 2 ;變壓器2的原、副邊均由k個繞組組成；模塊化多電平變換器 3由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由m 個子模塊SM串聯，m > 2 ;模塊化多電平變換器1中k個橋臂均與高壓直流端A并聯連接， 各個橋臂的中點分別與變壓器2的原邊各繞組引線相連；模塊化多電平變換器3中k個橋 臂均與高壓直流端B并聯連接，各個橋臂的中點分別與變壓器2的副邊各繞組引線相連。
[0009] 所述的每個橋臂可以包含兩個電感模塊，所述的電感模塊一個串聯在上半橋臂下 端和橋臂中點之間，一個串聯在下半橋臂上端和橋臂中點之間，兩個電感的電感量Lc > 0。
[0010] 所述的模塊化多電平變換器1和3中的子模塊SM由一個全控型橋臂與一個直流 電容C并聯組成，全控型橋臂由第一開關S1、第二開關S2、第一二級管D1和第二二極管D2 構成，第一開關S1與第一二級管D1反并聯，第二開關S2與第二二級管D2反并聯，第一開 關S1與第二開關S2串聯，第一開關S1的上端與直流電容C的正極相連，第二開關S2的下 端與直流電容C的負極相連。
[0011] 所述的變壓器2為中頻或者高頻隔離變壓器，工作頻率f彡200。
[0012] 本發明可通過改變每個橋臂上串聯的子模塊SM的數量，可以實現不同電壓等級 直流電網的接入。
[0013] 本發明的直流固態變壓器的功率不僅可以從輸入端流入輸出端，還可以從輸出端 流入輸入端。
[0014] 采用上述技術方案，本發明的有益效果在于：
[0015] 1)可以作為直流輸配電網的接口系統，實現高壓和低壓或者高壓和高壓直流環節 的電壓匹配，并且實現功率的雙向流動和電氣隔離。
[0016] 2)采用高頻隔離的方案，可以有效的縮小系統的重量體積，提高功率密度。
[0017] 3)采用模塊化多電平結構，電壓等級和容量可以通過增減子模塊單元數量進行靈 活調節，并且可以提供冗余模塊提高系統可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器的拓撲結構圖。
[0019] 圖2是模塊化多電平變換器1和3中的子模塊SM的拓撲結構圖。
[0020] 圖3 (a)模塊化直流固態變壓器高壓直流端A的電壓和電流波形；
[0021] 圖3(b)模塊化直流固態變壓器高壓直流端B的電壓和電流波形。

【具體實施方式】
[0022] 本發明提出的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器結合附圖及實施例 詳細說明如下：
[0023] 本發明的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器的拓撲結構如圖1所示， 由模塊化多電平變換器1、變壓器2和模塊化多電平變換器3組成。模塊化多電平變換器 1由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由η 個子模塊SM串聯，k > 2, η > 2 ;變壓器2的原、副邊均由k個繞組組成；模塊化多電平變 換器3由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均 由m個子模塊SM串聯，m > 2 ;模塊化多電平變換器1中k個橋臂均與高壓直流端A并聯連 接，各個橋臂的中點分別與變壓器2的原邊的各繞組引線相連；模塊化多電平變換器3中k 個橋臂均與高壓直流端B并聯連接，各個橋臂的中點分別與變壓器2的副邊各繞組引線相 連；
[0024] 模塊化多電平變換器1和模塊化多電平變換器3中的每個橋臂均包含兩個電感模 塊，電感模塊一個串聯在上半橋臂下端和橋臂中點之間，一個串聯在下半橋臂上端和橋臂 中點之間，兩個電感的電感量Lc >0。
[0025] 通過控制模塊化多電平變換器1和3在高頻和中頻變壓器原副邊產生高頻交流電 壓，便可以通過控制兩個高頻交流電壓的相角差就可以控制功率流動的大小和方向；或者 通過控制模塊化多電平變換器1和3分別工作在逆變或者整流狀態，便可以通過控制逆變 輸出交流電壓的占空比來控制功率流動的大小和方向。
[0026] 本發明各器件的【具體實施方式】分別說明如下：
[0027] 本發明的模塊化多電平變換器1和3中的子模塊SM的拓撲結構如圖2所示，由一 個全控型橋臂與一個直流電容C并聯組成，全控型橋臂由第一開關S1、第二開關S2、第一二 級管D1和第二二極管D2構成，第一開關S1與第一二級管D1反并聯，第二開關S2與第二二 級管D2反并聯，第一開關S1與第二開關S2串聯，第一開關S1的上端與直流電容C的正極 相連，第二開關S2的下端與直流電容C的負極相連。
[0028] 本發明的模塊化多電平變換器1和3中的電感模塊為中頻或者高頻電感，可采用 非晶、鐵氧體或納米晶軟磁材料等常規材料制作，工作頻率與變壓器2的工作頻率相同。
[0029] 本發明的變壓器2為中頻或者高頻隔離變壓器，可采用非晶、鐵氧體或納米晶軟 磁材料等常規材料制作，工作頻率f > 200。
[0030] 通過改變每個橋臂上串聯的子模塊SM的數量，可以實現不同電壓等級直流電網 的接入。
[0031] 本發明的直流固態變壓器的功率不僅可以從輸入端流入輸出端，還可以從輸出端 流入輸入端。
[0032] 本發明的一種實施例：模塊化多電平變換器1和3均由2個相同的橋臂組成，模塊 化多電平變換器1的上半橋臂和下半橋臂由3個子模塊SM串聯，模塊化多電平變換器3的 上半橋臂和下半橋臂由4個子模塊SM串聯，每個電感模塊的電感均為0. ImH，變壓器采用高 頻隔離變壓器T，變比為1:1，工作頻率10kHz，所有子模塊SM的結構如圖2所示，其中電容 C均為450uF。本實施例高壓直流端A的電壓600V，高壓直流端B的電壓800V。
[0033] 控制模塊化多電平變換器1和3在高頻和中頻變壓器原副邊產生10kHz高頻交流 電壓，通過控制兩個高頻交流電壓的相角差就可以控制功率流動的大小和方向。
[0034] 本實施例中模塊化直流固態變壓器高壓直流端A的電壓和電流波形如圖3(a)所 示，模塊化直流固態變壓器高壓直流端B的電壓和電流波形如圖3(b)所示。圖中上面曲 線為電壓，下面為電流；可以看出，高壓直流端A和B的電壓分別穩定在600V和800V，模塊 化直流固態變壓器的功率從高壓直流端B流入高壓直流端A，模塊化直流固態變壓器工作 正常。
【權利要求】
1. 一種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，其特征在于：該系統主要由第 一模塊化多電平變換器（1)、變壓器（2)和第二模塊化多電平變換器（3)組成；第一模塊化 多電平變換器（1)由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和 下半橋臂均由η個子模塊（SM)串聯，k彡2, η彡2 ;變壓器（2)的原、副邊均由k個繞組組 成；第二模塊化多電平變換器（3)由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋 臂，上半橋臂和下半橋臂均由m個子模塊（SM)串聯，m彡2 ;第一模塊化多電平變換器（1) 中k個橋臂均與高壓直流端（A)并聯連接，各個橋臂的中點分別與變壓器（2)的原邊各繞 組引線相連；第二模塊化多電平變換器（3)中k個橋臂均與高壓直流端（B)并聯連接，各個 橋臂的中點分別與變壓器（2)的副邊各繞組引線相連。
2. 如權利要求1所述的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，其特征在于： 所述的第一模塊化多電平變換器和第二模塊化多電平變換器中的每個橋臂包含兩個電感 模塊，所述的電感模塊一個串聯在上半橋臂下端和橋臂中點之間，一個串聯在下半橋臂上 端和橋臂中點之間，兩個電感的電感量Lc >0。
3. 如權利要求1所述的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，其特征在于： 所述的第一、第二模塊化多電平變換器中的每個子模塊（SM)由一個全控型橋臂與一個直 流電容（C)并聯組成，全控型橋臂由第一開關（S1)、第二開關（S2)、第一二級管（D1)和第 二二極管（D2)構成，第一開關（S1)與第一二級管（D1)反并聯，第二開關（S2)與第二二級 管（D2)反并聯，第一開關（S1)與第二開關（S2)串聯，第一開關（S1)的上端與直流電容 (C)的正極相連，第二開關（S2)的下端與直流電容（C)的負極相連。
4. 如權利要求1所述的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，其特征在于： 所述的變壓器（2)為中頻或者高頻隔離變壓器，工作頻率f > 200。
5. 如權利要求1所述的用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態變壓器，其特征在于： 直流固態變壓器的功率從輸入端流入輸出端，或從輸出端流入輸入端。
【文檔編號】H02M3/28GK104158401SQ201410361071
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】趙彪, 宋強, 劉文華, 劉國偉, 趙宇明, 姚森敬 申請人:清華大學, 深圳供電局有限公司