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1. (WO2019029138) 模块化多电平动态投切DC-DC变压器
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053  

权利要求书

1   2   3  

附图

1   2     3   4  

说明书

发明名称 : 模块化多电平动态投切DC-DC变压器

技术领域

[0001]
本发明涉及电力电子领域,特别涉及一种模块化DC-DC变压器的动态投切设计方案。

背景技术

[0002]
由于可再生能源具有波动性、间歇性特点,导致风能、光伏等新能源大规模接入电网会对交流电网的安全稳定运行产生深远影响。柔性直流输电技术为实现风能、光伏发电大规模集中接入、电网互联、城市及孤岛供电等问题提供了有效解决方案。DC-DC变压器是实现直流多电压等级变换以及直流潮流控制的关键设备。
[0003]
目前,国内外学者已经提出众多DC-DC变压器变换拓扑,隔离型模块化多电平DC-DC变压器被较为广泛地接受,但是存在结构复杂,体积较大,经济性较差,控制系统复杂的问题。
[0004]
发明内容
[0005]
针对目前柔性直流系统中需要解决的直流电压等级变换及潮流控制问题,兼顾设备体积与经济性,本发明提出一种模块化多电平动态投切DC-DC变压器,设计了基于一、二次侧子模块独立动态投切的直流变压器。
[0006]
本发明的一种模块化多电平动态投切DC-DC变压器,所述DC-DC变压器由N个DC-DC子模块串联组成;所述DC-DC子模块为由两个半桥子模块以及设置于这两个子模块之间的隔离开关S 1、S 2构成的可实现功率双向流动的对称结构;所述半桥子模块与隔离开关之间并联设置电容C 1、C 2
[0007]
将功率输入端作为所述DC-DC变压器一次侧,功率输出端作为所述DC-DC变压器二次侧,U 1、U 2分别为DC-DC变压器一次侧、二次侧电压;所述DC-DC子模块中所含半桥子模块位于所述DC-DC变压器一次侧时,将此半桥子模块称为一次侧子模块;位于所述DC-DC变压器二次侧时,将其称为二次侧子模块;其中,单个半桥子模块中除了包含两个串联的由IGBT T 1、T 2及反向并联二极管D 1、D 2构成的开关器件以外,还新增一个由IGBT T 3及反向并联二极管D 3构成的开关器件,该新增的开关器件与前述的两个串联的开关器件反向并联;所述开关器件用于阻止处于工作状态四时(见下文)电流在一、二次侧子模块之间流动;借助开关器件导通或关断,实现一次侧子模块和二次侧子模块的投入或切除。
[0008]
所述DC-DC子模块结构中允许一次侧子模块和二次侧子模块独立控制,彼此投切状态互不影响。
[0009]
所述DC-DC子模块分为四种工作状态,即:
[0010]
工作状态一:一次侧子模块处于投入状态、二次侧子模块处于切除状态,隔离开关S 1、S 2处于关断状态;此时,一次侧子模块电容C 1充电,电容电压U C1升高,二次侧子模块电容C 2不进行充放电,电容电压U C2保持不变;
[0011]
工作状态二:一次侧子模块处于切除状态、二次侧子模块处于投入状态,隔离开关S 1,S 2处于关断状态;此时,一次侧子模块电容C 1不进行充放电,电容电压U C1保持不变,二次侧子模块电容C 2放电,电容电压U C2降低;
[0012]
工作状态三:一、二次侧子模块均处于投入状态,隔离开关S 1、S 2处于关断状态;此时,一次侧子模块电容C 1充电,电容电压U C1升高,二次侧子模块电容C 2放电,电容电压U C2降低;
[0013]
工作状态四:一、二次侧子模块均处于切除状态,隔离开关S 1、S 2处于导通状态;此时,一、二次侧子模块电容不与DC-DC变压器一、二次侧连接电网进行能量交换,且U C1大于U C2,此时由一次侧子模块电容C1向二次侧子模块电容C 2进行充电,能量由一次侧子模块转移至二次侧,当U C1等于U C2时,充电过程结束;在工作状态四下, 实现DC-DC变压器功率由一次侧流向二次侧,且维持两侧子模块电容电压相等。
[0014]
与现有技术相比,本发明针具备以下有益效果:
[0015]
1、动态改变原副边子模块投切比例,可在线实现变比灵活调节。
[0016]
2、通过微调变比,实现传输功率的灵活控制,具备直流潮流控制能力。
[0017]
3、较之目前较广泛接受的隔离型模块化多电平DC-DC变压器,大幅减少子模块数量,无需交流变压器,经济性优势显著,同时由于大幅减少所需电容数量,能有效减小直流变压器体积,利于推广应用。

附图说明

[0018]
图1为本发明的模块化多电平动态投切DC-DC变压器基本拓扑结构示意图;
[0019]
图2为本发明的模块化多电平动态投切DC-DC变压器的DC-DC子模块结构示意图;
[0020]
图3为DC-DC子模块工作状态,(a)、子模块工作状态1;(b)、子模块工作状态2;(c)、子模块工作状态3;(d)、子模块工作状态4;
[0021]
图4直流系统功率流动示意图。

具体实施方式

[0022]
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
[0023]
如图1所示,为本发明的模块化多电平动态投切DC-DC变压器基本拓扑结构示意图。其中,DC-DC变压器由N个子模块串联组成,U 1、U 2分别为一次侧、二次侧电压;N 1、N 2为一次侧、二次侧投入的子模块数量。图中,SM(Sub Modular)表示DC-DC子模块。
[0024]
如图2所示,本发明的模块化多电平动态投切DC-DC变压器DC-DC的子模块结 构示意图。DC-DC子模块由两个半桥子模块以及设置于这两个子模块之间的隔离开关S 1、S 2构成的可实现功率双向流动的对称结构;半桥子模块与隔离开关之间并联设置电容C 1、C 2。单个子模块中除了包含两个串联的由IGBT T 1、T 2及反向并联二极管D 1、D 2构成的开关器件(和传统半桥子模块MMC换流站一样的)以外,还新增一个由IGBT T 3及反向并联D 3构成的开关器件,该新增的开关器件与前述的两个串联的开关器件反向并联。新增的开关器件用于阻止某些工作状态下,电流在一、二次侧子模块间的流动;
[0025]
将功率输入端作为所述DC-DC变压器一次侧,功率输出端作为所述DC-DC变压器二次侧,U 1、U 2分别为DC-DC变压器一次侧、二次侧电压;所述DC-DC子模块中所含半桥子模块位于所述DC-DC变压器一次侧时,将此半桥子模块称为一次侧子模块;位于所述DC-DC变压器二次侧时,将其称为二次侧子模块;当功率由一次侧流向二次侧时,借助开关器件导通或关断,实现一、二次侧子模块投入或切除。依据子模块两侧半桥子模块的不同投入、切除状态,分为四种不同的工作状态:
[0026]
子模块工作状态1:如图3(a)所示,一次侧子模块处于投入状态;二次侧子模块处于切除状态;S 1、S 2处于关断状态。此时,一次侧子模块电容C 1充电,电容电压U C1升高;二次侧子模块电容C 2不进行充放电,电容电压U C2保持不变。
[0027]
子模块工作状态2:如图3(b)所示,一次侧子模块处于切除状态;二次侧子模块处于投入状态;S 1,S 2处于关断状态。此时,一次侧子模块电容C 1不进行充放电,电容电压U C1保持不变;二次侧子模块电容C 2放电,电容电压U C2降低。
[0028]
子模块工作状态3:如图3(c)所示,一、二次侧子模块均处于投入状态;S 1、S 2处于关断状态。此时,一次侧子模块电容C 1充电,电容电压U C1升高;二次侧子模块电容C 2放电,电容电压U C2降低。
[0029]
子模块工作状态4:如图3(d)所示,一、二次侧子模块均处于切除状态;与前三个工作状态不同,S 1、S 2处于导通状态。此时,一、二次侧子模块电容不与DC-DC变压器一、二次侧连接电网进行能量交换。依据子模块投切切及均压控制可知,U C1大于U C2,此时由一次侧子模块电容C1向二次侧子模块电容C 2进行充电,能量由一次侧子 模块转移至二次侧,当U C1等于U C2时,充电过程结束。在工作状态4下,实现DC-DC变压器功率由一次侧流向二次侧,且维持两侧子模块电容电压相等。
[0030]
上述子模块结构允许一、二次侧子模块独立控制,彼此投切状态互不影响。
[0031]
适用于本发明的模块化多电平动态投切DC-DC变压器的DC-DC电压变换原理、子模块投切切及均压控制理论、潮流控制原理描述如下:
[0032]
一、DC-DC电压变换原理,详细描述如下:
[0033]
在DC-DC变压器中,一、二次侧独立决定子模块投入或切除。一、二次侧直流电压U 1、U 2满足:
[0034]
[数0001]


[0035]
式中,N 1、N 2表示一二次侧分别投入的子模块数量,U C1、U C2为两侧子模块电容电压。直流电压器变比k满足:
[0036]
[数0002]


[0037]
由于一二次侧子模块电容电压近似相等,则式(2)可表示为:
[0038]
[数0003]


[0039]
由式(3)得到,DC-DC变压器一、二次侧投入子模块数量比等于直流变压器变比。通过改变一二次侧投入子模块数量,即可对变比k进行调节。
[0040]
二、子模块投切及均压控制理论,详细描述如下:
[0041]
DC-DC变压器对两侧子模块电容电压实时排序,依据最近电平调制(Nearest Level Modulation,NLM)决定半桥子模块投切状态,并实现子模块均压控制。具体而言,当功率由一次侧流向二次侧时,依据排序结果,优先投入子模块电容电压较低的半桥子模块,一次侧投入状态子模块处于充电状态,子模块电容电压上升;而电容电压较高的子模块则处于切除状态,可能处于工作状态2或4,若处于工作状态4,则子模块电容电压下降,当低于投入状态子模块时,切换为投入状态。
[0042]
二次侧投入状态子模块处于放电状态,依据排序结果,优先投入子模块电容电压较高的半桥子模块,子模块电容电压下降;而电容电压较低的子模块则处于切除状态,可能处于工作状态1或4,若处于工作状态4,则子模块电容电压上升,当高于投入状态子模块时,切换为投入状态。
[0043]
工作状态4是DC-DC变压器一二次侧能量交换的关键环节。由于处于工作状态4时,两侧半桥子模块均处于切除状态,故要求两侧子模块保留一定冗余裕度,不可全部投入。
[0044]
三、潮流控制原理,详细描述如下:
[0045]
1、二次侧接直流负荷:直流系统潮流流动由直流电压决定。当DC-DC变压器二次侧直接连接直流负荷时,通过动态微调直流变压器变比k,改变二次侧出口电压,即可改变向二次侧负荷输出的有功功率:
[0046]
[数0004]


[0047]
式中,R l为二次侧线路电阻,R load为二次侧负荷等效电阻。
[0048]
2、二次侧连接直流电网:借助DC-DC变压器实现直流电网互联时,通过本发明设计直流变压器可实现电网间流动功率控制。
[0049]
如图4所示,R 1、R 2分别为一二次侧与互联系统间设置的线路电阻。若互联直流电网电压为E 1、E 2、DC-DC变压器变比为k,忽略直流变压器功率损耗时,输入、输出功率满足:
[0050]
[数0005]


[0051]
据式(5)可知,变比k变化时,互联电网传输功率随之变化。
[0052]
忽略直流变压器损耗,当变比 时,互联电网间传输功率为0。通过适当增减一二次侧投入子模块数N 1、N 2,可以对变比k进行微调。当k略高于 时,一次侧向 二次侧输送有功功率;当k略低于 时,一次侧从二次侧吸收有功功率。借助上述分析,本发明可实现互联直流电网的潮流控制。
[0053]
由于本发明DC-DC变压器结构对称,当功率由二次侧流向一次侧时分析完全相同,不再赘述。

权利要求书

[权利要求 1]
一种模块化多电平动态投切DC-DC变压器,其特征在于,所述DC-DC变压器由N个DC-DC子模块串联组成;所述DC-DC子模块为由两个半桥子模块以及设置于这两个子模块之间的隔离开关S 1、S 2构成的可实现功率双向流动的对称结构;所述半桥子模块与隔离开关之间并联设置电容C 1、C 2; 将功率输入端作为所述DC-DC变压器一次侧,功率输出端作为所述DC-DC变压器二次侧,U 1、U 2分别为DC-DC变压器一次侧、二次侧电压;所述DC-DC子模块中所含半桥子模块位于所述DC-DC变压器一次侧时,将此半桥子模块称为一次侧子模块;位于所述DC-DC变压器二次侧时,将其称为二次侧子模块;其中,单个半桥子模块中除了包含两个串联的由IGBT T 1、T 2及反向并联二极管D 1、D 2构成的开关器件以外,还新增一个由IGBT T 3及反向并联二极管D 3构成的开关器件,该新增的开关器件与前述的两个串联的开关器件反向并联;所述开关器件用于阻止处于工作状态四时(见下文)电流在一、二次侧子模块之间流动;借助开关器件导通或关断,实现一次侧子模块和二次侧子模块的投入或切除。
[权利要求 2]
如权利要求1所述的模块化多电平动态投切DC-DC变压器,其特征在于,所述DC-DC子模块结构中允许一次侧子模块和二次侧子模块独立控制,彼此投切状态互不影响。
[权利要求 3]
如权利要求1所述的模块化多电平动态投切DC-DC变压器,其特征在于,所述所述一次DC-DC子模块分为四种工作状态,即: 工作状态一:一次侧子模块处于投入状态、二次侧子模块处于切除状态,隔离开关S 1、S 2处于关断状态;此时,一次侧子模块电容C 1充电,电容电压U C1升高,二次侧子模块电容C 2不进行充放电,电容电压U C2保持不变; 工作状态二:一次侧子模块处于切除状态、二次侧子模块处于投入状态,隔离开关S 1,S 2处于关断状态;此时,一次侧子模块电容C 1不进行充放电,电容电压U C1保持不 变,二次侧子模块电容C 2放电,电容电压U C2降低; 工作状态三:一、二次侧子模块均处于投入状态,隔离开关S 1、S 2处于关断状态;此时,一次侧子模块电容C 1充电,电容电压U C1升高,二次侧子模块电容C 2放电,电容电压U C2降低; 工作状态四:一、二次侧子模块均处于切除状态,隔离开关S 1、S 2处于导通状态;此时,一、二次侧子模块电容不与DC-DC变压器一、二次侧连接电网进行能量交换,且U C1大于U C2,此时由一次侧子模块电容C1向二次侧子模块电容C 2进行充电,能量由一次侧子模块转移至二次侧,当U C1等于U C2时,充电过程结束;在工作状态四下,实现DC-DC变压器功率由一次侧流向二次侧,且维持两侧子模块电容电压相等。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 ]  
[ 图 3]  
[ 图 4]