交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器制造技术

本发明专利技术提出一种交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，属于中高压直流输、配电技术领域。变流器包括桥式斩波器、电力电子电容桥臂和两个相同的电力电子电抗桥臂；桥式斩波器两桥臂均分别由两个电力电子串联开关组串联构成；桥式斩波器正极接入该变流器高压正极端，负极接入该变流器高压负极端；电容桥臂正极接入该变流器高压正极端，负极接入该变流器高压负极端；两电抗桥臂正极分别接入桥式斩波器两桥臂中点，两电抗桥臂负极均接入该变流器低压正极端。本发明专利技术采用无变压器的非隔离方式实现不同直流电压等级的功率变换，使电力电子串联开关组内全部开关器件实现零电流转换软开关，具有高转换效率、损耗小、动态均压易实现和高经济成本优势。

【技术实现步骤摘要】
交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器
本专利技术属于中高压直流输、配电
，特别涉及一种交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，具备升压和降压直流变换的能力。
技术介绍
当前高压柔直输电(VSC-HVDC)的功率和电压等级已达到百兆瓦(MW)及上百千伏(kV)。从MW级光伏电场或海上风电的直流汇集，到大容量直流储能系统和中压直流电机驱动的涌现，都存在不同电压等级直流输、配电系统的互联需求。而随着直流电网概念的提出，由于其可满足分布式能源的分散接入与大量直流负荷用电的需求，且有助于提升电能质量，进行系统扩容及提高供电半径，在未来具有广阔的发展前景，这更迫切要求高压直流变换(HVDC-DC)技术的深入研究。尽管低压直流变换领域已有大量的研究和成熟产品，但串联IGBT(绝缘栅双极型晶体管)组在硬开关条件下，开通与关断时电压、电流波形出现交叠，其动态均压问题和高损耗问题，极高的电压变化率dv/dt、电流变化率di/dt危害以及3300V及以上耐压等级的大功率容量IGBT器件散热容量决定的难以超过数百Hz的开关频率，均阻碍了常规的低压DC-DC变流技术在高压领域的应用。为实现高压直流线路之间的互联，大容量DC-DC变换器除进行直流电压等级调节以外，通常需满足如下技术需求：1)快速调节功率，实现功率双向流动；2)对包含单极和双极2种运行方式的直流电网系统，需进行单双极性的变换；3)一定的故障电流耐受能力和故障隔离能力；4)直流侧电流谐波含量小。另外，DC-DC变换器应尽量减小重量、体积，并降低成本与损耗。另外，在大规模可再生能源汇集的应用中，系统功率由可再生能源向高压直流电网单向输送，不在要求功率双向流动能力，这将有利于简化系统拓扑，降低硬件成本投入。国内外对高压直流变换技术的发展长期较为缓慢，但随着当前需求的迅速增加已引起业内广泛兴趣，相关研究已给出多种DC-DC变换器拓扑，在未来直流电网领域中具有一定的应用前景。近年出现的HVDC-DC技术研究以隔离型变流器为主，多采用变压器实现电压变换与电气隔离，典型的如：1)通过大量高频链DC-AC-DC单元的串、并联实现的高压直流变换(DeDoncker,R.W.A.A.,Divan,D.M.,Kheraluwala,M.H.,'Athree-phasesoft-switchedhigh-power-densityDC/DCconverterforhigh-powerapplications',IEEETrans.Ind.Appl.,pp.63-73,1991)；2)基于IGBT直接串联的双侧有源桥(DAB)结构或采用谐振方式通过变压器实现电气隔离和变压(Soltau,N.,Stagge,H.,DeDoncker,R.W.,etal.,'Developmentanddemonstrationofamedium-voltagehigh-powerDC-DCconverterforDCdistributionsystems'.2014IEEE5thInt.Symp.onPowerElectronicsforDistributedGenerationSystems(PEDG),pp.1-8,2014)；3)采用单相或三相模块化多电平(MMC)结构的端对端(Front-to-Front，F2F)方式实现的隔离和变压(Adam,G.P.,Finney,S.J.,Williams,B.W.,'HybridconverterwithacsidecascadedH-bridgecellsagainstH-bridgealternativearmmodularmultilevelconverter:steady-stateanddynamicperformance',IETGener.Transm.Distrib.,pp.318-328,2013)。其中类型1)高频变压器自身损耗，高频变压器绝缘和容量等级受到技术限制，且控制较为复杂，进一步扩大容量和电压等级比较局限；类型2)IGBT器件和电容数量少，其中双侧有源桥DAB方式常使用方波调制，开关器件在零电流条件下导通与关断，因此开关损耗较低，但存在dv/dt极大的缺点，且串联器件的驱动一致性和均压问题存在挑战；而谐振方式则存在器件电压、电流应力大的问题，均难以适用于超大功率容量应用场合；类型3)的单个开关频率较低，适于超大功率和高压应用，且可通过准两电平调制减小dv/dt，但IGBT器件和电容数量最多，经济性不高。而且1)～3)均存在额外的变压器损耗，不利于提高转换效率。与隔离型HVDC-DC变流器相比，非隔离型HVDC-DC技术在电气隔离强制需求和电压变比不太高的场合，可省去变压器而具有天然的成本和效率优势。对非隔离型HVDC-DC技术的相关研究近几年刚刚起步，但也得出了不少研究成果，典型的如1)采用模块化多电平构成的推挽方式或谐振型变流器(Ferreira,J.A.,'ThemultilevelmodularDCconverter',IEEETrans.PowerElectron.,pp.4460-4465,2013)；2)在端对端变流器基础上采用模块化多电平与变压器构成的非隔离型变流器(Schon,A.,Bakran,M.M.,'AnewHVDC-DCconverterwithinherentfaultclearingcapability'.201315thEuropeanConf.onPowerElectronicsandApplications(EPE),pp.1-10,2013)；3)采用模块化多电平构成的混合级联型变流器(Jie,Y.,Zhiyuan,H.,Hui,P.,etal.,'Thehybrid-cascadedDC-DCconverterssuitableforHVdcapplications',IEEETrans.PowerElectron.,pp.5358-5363,2015)。其中类型1)开关器件上的电流、电压应力较大，且通常只有一相，导致输入输出侧电流纹波较大，因此不太适合用于高压大功率应用；类型2)与隔离型端对端变流器相比对变压器容量的需求有所减少，对可用容量的利用率也较高，但损耗有所增加；类型3)损耗较低，电压、电流应力也较小，但使用的IGBT器件和电容数量多，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种交错连接软开关混合型模块化多电平直流互联变流器。本专利技术采用无变压器的非隔离方式实现不同直流电压等级的功率变换，是具有高转换效率和高经济成本优势的双向DC-DC方案。本专利技术采用如下技术方案：一种交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，包括一个桥式斩波器，一个电力电子电容桥臂和两个相同的电力电子电抗桥臂；所述桥式斩波器具有两个并联的桥臂，第一桥臂由第一电力电子串联开关组和第二电力电子串联开关组串联后构成，第二桥臂由第三电力电子串联开关组和第四电力电子串联开关组串联后构成；第一、第三电力电子串联开关组的正极并联接入所述桥式斩波器的正极，第二、第四电力电子串联开关组的负极并联接入所述桥式斩波器的负极，第一电力电子串联开关组的负极和第二电力电子串联开关组的正极均接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，其特征在于，包括一个桥式斩波器，一个电力电子电容桥臂和两个相同的电力电子电抗桥臂；所述桥式斩波器具有两个并联的桥臂，第一桥臂由第一电力电子串联开关组和第二电力电子串联开关组串联后构成，第二桥臂由第三电力电子串联开关组和第四电力电子串联开关组串联后构成；第一、第三电力电子串联开关组的正极并联接入所述桥式斩波器的正极，第二、第四电力电子串联开关组的负极并联接入所述桥式斩波器的负极，第一电力电子串联开关组的负极和第二电力电子串联开关组的正极均接入桥式斩波器中第一桥臂的中点，第三电力电子串联开关组的负极和第四电力电子串联开关组的正极均接入桥式斩波器中第二桥臂的中点；其中，所述桥式斩波器的正极接入该直流互联变流器的高压正极端，该桥式斩波器的负极接入该直流互联变流器的高压负极端；所述电力电子电容桥臂的正极接入该直流互联变流器的高压正极端，该电力电子电容桥臂的负极接入该直流互联变流器的高压负极端；第一电力电子电抗桥臂的正极接入所述桥式斩波器中第一桥臂的中点，第一电力电子电抗桥臂的负极接入直流互联变流器的低压正极端；第二电力电子电抗桥臂的正极接入所述桥式占波器中第二桥臂的中点，第二电力电子电抗桥臂的负极接入该直流互联变流器的低压正极端。...

【技术特征摘要】
1.一种交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，其特征在于，包括一个桥式斩波器，一个电力电子电容桥臂和两个相同的电力电子电抗桥臂；所述桥式斩波器具有两个并联的桥臂，第一桥臂由第一电力电子串联开关组和第二电力电子串联开关组串联后构成，第二桥臂由第三电力电子串联开关组和第四电力电子串联开关组串联后构成；第一、第三电力电子串联开关组的正极并联接入所述桥式斩波器的正极，第二、第四电力电子串联开关组的负极并联接入所述桥式斩波器的负极，第一电力电子串联开关组的负极和第二电力电子串联开关组的正极均接入桥式斩波器中第一桥臂的中点，第三电力电子串联开关组的负极和第四电力电子串联开关组的正极均接入桥式斩波器中第二桥臂的中点；其中，所述桥式斩波器的正极接入该直流互联变流器的高压正极端，该桥式斩波器的负极接入该直流互联变流器的高压负极端；所述电力电子电容桥臂的正极接入该直流互联变流器的高压正极端，该电力电子电容桥臂的负极接入该直流互联变流器的高压负极端；第一电力电子电抗桥臂的正极接入所述桥式斩波器中第一桥臂的中点，第一电力电子电抗桥臂的负极接入直流互联变流器的低压正极端；第二电力电子电抗桥臂的正极接入所述桥式占波器中第二桥臂的中点，第二电力电子电抗桥臂的负极接入该直流互联变流器的低压正极端。2.如权利要求1所述的交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，其特征在于，将流过一个电力电子串联开关组的电流由额定电流逐渐下降至0，同时流过另一个电力电子串联开关组的电流以相同速率由0逐渐上升至额定电流的过程称为一次换流；该直流互联变流器一个运行周期内共有四次换流，设第一电力电子串联开关组导通时刻为一个运行周期的初始时刻，则四次换流依次为第四、第一电力电子串联开关组间的换流，第一、第三电力电子串联开关组间的换流，第三、第二电力电子串联开关组间的换流，以及第二、第四电力电子串联开关组间的换流；且满足：第一电力电子串联开关组于第一次换流开始前导通，第二次换流结束后关断；第二电力电子串联开关组于第三次换流开始前导通，第四次换流结束后关断；第三电力电子串联开关组于第二次换流开始前导通，第三次换流结束后关断；第四电力电子串联开关组于第四次换流开始前导通，第一次换流结束后关断；自第一电力电子串联开关组、第三电力电子串联开关组分别导通时刻起各经过dTs后触发第二电力电子串联开关组、第四电力电子串联开关组导通；且第一电力电子串联开关组先于第二电力电子串联开关组导通前受控关断，第三电力电子串联开关组先于第四电力电子串联开关组导通前受控关断；自第二电力电子串联开关组、第四电力电子串联开关组分别导通时刻起各经过(1-d)Ts后触发第一电力电子串联开关组、第三电力电子串联开关组导通；且第二电力电子串联开关组先于第一电力电子串联开关组导通前受控关断，第四电力电子串联开关组先于第三电力电子串联开关组导通前受控关断；其中，Ts为该直流互联变流器的运行周期；d为该直流互联变流器的占空比，按照以下公式计算：式中，uH为该直流互联变流器的高压端口电压，uL为该直流互联变流器的低压端口电压。3.如权利要求1所述的交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，其特征在于，各所述电力电子串联开关组均由p个相同的电力电子开关依次串联构成；其中，第1个电力电子开关的正极作为该电力电子串联开关组的正极，第p个电力电子开关的负极作为该电子串联开关组的负极；p为正整数，且满足关系：式中，UH为该直流互联变流器的高压正极端到高压负极端之间电压差的额定值；Us为单个电力电子开关的额定工作电压。4.如权利要求3所述的交错连接软开关混合型多电平直流互联变流器，其特征在于，所述电力电子电容桥臂，由n个B型电压源子模块(B-SM)依次级联构成的B型模块链和第一电抗器串联构成；其中，第1个B-SM的交流正极接入所述B型模块链的正极端口，第n个B-SM的交流负极接入所述B型模块链的负极端口；所述B型模块链的正极端口接入第一电抗器一端，该电抗器的另一端接入所述电力电子电容桥臂的正极，所述B型模块链的负极端口接入所述电力电子电容桥臂的负极；n为正整数，且满足关系：式中，UH为该直流互联变流器的高压正极端到高压负极端之间电压差的额定值；UB为每个B型电压源子模块的额定直流电压；UC为第一电抗器两端受控电压的幅值，UC为UB的R倍，根据B型子模块类型，取R＝1/2，1或2；tB为冗余B型电压源子模块个数，取tB＝0，1或2；所述第一、第二电力电子电抗桥臂，均分别由m个A型电压源子模块(A-SM)依次级联构成的A型模块链和第二电抗器串联构成；各电力电子电抗桥臂中：第1个A-SM的交流正极接入所述A型模块链的正极端口，第m个A-SM的交流负极接入所述A型模块链的负极端口；所述A型模块链的负极端口接入第二电抗器一端，该电抗器的另一端接入该电力电子电抗桥臂的负极，所述A型模块链的正极端口接入该电力电子电抗桥臂的正极；m为正整数，且满足关系：式中，UL为该直流互联变流器的低压正极端到低压负极端之间电压差的额定值；UA为每个A型电压源子模块的额定直流电压；UD为第二电抗器两端受控电压幅值，UD为UA的R倍，根据A型子模块类型，取R＝1/2，1或2；tA为冗余A型电压源子模块个数，取tA＝0，1或2；所述电力电子电容桥臂中第一电抗器的电感值LC与单个电力电子电抗桥臂中第二电抗器的电感值LL满足关系：且满足关系：式中，(di/dt)m、(dv/dt)m分别为该直流互联变流器所允许的最大电流变化率di/dt与电压变化率dv/dt，Ts为该直流互联变流器的运行周期，IL为该直流互联变流器的低压侧额定电流，D为该直流互联变流器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏应冬，李明睿，袁志昌，李笑倩，赵荔，陆超，姜齐荣，刘文华，韩英铎，张树卿，谢小荣，宋强，于庆广，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11