模块化多电平动态投切DC‑DC变压器制造技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平动态投切DC‑DC变压器，由N个DC‑DC子模块串联组成；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S1、S2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C1、C2；将功率输入端作为DC‑DC变压器一次侧，功率输出端作为DC‑DC变压器二次侧；半桥子模块位于DC‑DC变压器一次侧时，为一次侧子模块；位于DC‑DC变压器二次侧时，为二次侧子模块；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。与现有技术相比，本发明专利技术动态改变原副边子模块投切比例；实现传输功率的灵活控制，具备直流潮流控制能力；大幅减少子模块数量，经济性优势显著，并有效减小直流变压器体积，利于推广应用。

Modular multilevel dynamic switching DC DC transformer

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平动态投切DC-DC变压器
本专利技术涉及电力电子领域，特别涉及一种模块化DC-DC变压器的动态投切设计方案。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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S1、S2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C1、C2；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，U1、U2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IGBTT1、T2及反向并联二极管D1、D2构成的开关器件以外，还新增一个由IGBTT3及反向并联二极管D3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。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。所述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S1、S2处于关断状态；此时，一次侧子模块电容C1充电，电容电压UC1升高，二次侧子模块电容C2不进行充放电，电容电压UC2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S1，S2处于关断状态；此时，一次侧子模块电容C1不进行充放电，电容电压UC1保持不变，二次侧子模块电容C2放电，电容电压UC2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S1、S2处于关断状态；此时，一次侧子模块电容C1充电，电容电压UC1升高，二次侧子模块电容C2放电，电容电压UC2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S1、S2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UC1大于UC2，此时由一次侧子模块电容C1向二次侧子模块电容C2进行充电，能量由一次侧子模块转移至二次侧，当UC1等于UC2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。与现有技术相比，本专利技术针具备以下有益效果：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。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。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。附图说明图1为本专利技术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；图2为本专利技术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；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；图4直流系统功率流动示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步的详细描述。如图1所示，为本专利技术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，U1、U2分别为一次侧、二次侧电压；N1、N2为一次侧、二次侧投入的子模块数量。图中，SM(SubModular)表示DC-DC子模块。如图2所示，本专利技术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S1、S2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C1、C2。单个子模块中除了包含两个串联的由IGBTT1、T2及反向并联二极管D1、D2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IGBTT3及反向并联D3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；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，U1、U2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：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；S1、S2处于关断状态。此时，一次侧子模块电容C1充电，电容电压UC1升高；二次侧子模块电容C2不进行充放电，电容电压UC2保持不变。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；S1，S2处于关断状态。此时，一次侧子模块电容C1不进行充放电，电容电压UC1保持不变；二次侧子模块电容C2放电，电容电压UC2降低。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；S1、S2处于关断状态。此时，一次侧子模块电容C1充电，电容电压UC1升高；二次侧子模块电容C2放电，电容电压UC2降低。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，S1、S2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，UC1大于UC2，此时由一次侧子模块电容C1向二次侧子模块电容C2进行充电，能量由一次侧子模块转移至二次侧，当UC1等于UC2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。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。适用于本专利技术的模块化多电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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S1、S2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C1、C2；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，U1、U2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 T1、T2及反向并联二极管D1、D2构成的开关器件以外，还新增一个由IGBT T3及反向并联二极管D3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。

【技术特征摘要】
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S1、S2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C1、C2；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，U1、U2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IGBTT1、T2及反向并联二极管D1、D2构成的开关器件以外，还新增一个由IGBTT3及反向并联二极管D3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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，张伟鑫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12