模块化三端口直流变换器制造技术

本发明专利技术的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种模块化三端口直流变换器，拓扑结构可以连接中压直流母线、低压直流母线和储能元件。本发明专利技术提供了一种模块化三端口直流变换器，其特征在于包括模块化多电平变换器、双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路；模块化多电平变换器的输入端与中压直流母线电连接；模块化多电平变换器的输出端分别与双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路的输入端电连接；双有源桥变换电路的输出端与低压直流母线的输入端电连接；多重化桥式斩波电路的输出端与储能元件的输入端电连接；储能元件的输出端与低压直流母线的输入端电连接。

【技术实现步骤摘要】
模块化三端口直流变换器
本专利技术涉及电力电子电能变换
，具体涉及一种模块化三端口直流变换器。
技术介绍
综合电力系统(Integratedpowersystem,IPS)是全电船舶的标志。它将传统船舶中相互独立的动力和电力系统以电能的形式合二为一，实现了全船能量的综合利用，是船舶动力的发展趋势，被誉为船舶动力从人力、风力到蒸汽动力，从蒸汽动力到核动力之后的第三次革命。综合电力系统是发挥舰船威力的革命性技术。传统舰船的机械推进系统由热机和其它机械设备构成，电力系统作为独立的辅助电源系统，二者无直接关联。而综合电力系统则将发供电、日常用电、推进用电、高能武器用电以及其它设备的供电集成在一个统一的电力系统里，其运行噪声更小，可存活能力更强，原动机更少，油耗更低，且设备整装更加便利。根据输电网络电制的不同，综合电力系统可分为中压交流和中压直流两种类型。目前，中压交流综合电力系统已经在国内外船舶中普遍应用。与中压交流综合电力系统相比，中压直流综合电力系统具有功率密度高、适装性好、原动机转速不受系统频率限制、电网重构能力好、效率高等优势。因此，中压直流综合电力系统已被确定为未来船舶综合电力系统的发展方向。舰船综合电力系统包含发电模块、输配电模块、功率变换模块、电力推进模块和储能模块等。其中，功率变换模块由变流器及相关设备组成，作用是将配电网的电能变换为负载可以利用的形式，在整个系统中起到能量路由器的作用。随着高效能电磁武器的增多和舰船综合电力系统容量的扩展，舰船综合电力系统的电压等级也逐渐提高，目前论证中的二代综合电力系统中压侧的最高电压等级达到10kV。随着中压侧电压等级的提高，对连接中压直流母线和低压直流母线的直流变换器提出了更高的要求。受限于目前开关管电压应力的限制，常规的直流变换器拓扑结构难以满足10kV中压母线的要求。随着各种高效能电磁武器的上舰应用，目前的综合电力系统已经难以满足电磁武器在短时间内对能量的需求。电磁发射型武器工作时间短、功率需求大，对中压直流电网的稳定性产生了冲击。而大容量储能环节可以有效环节电磁发射武器对电网系统的影响。因此在未来的舰船综合电力系统中将安排储能环节，提高电力系统稳定性，这要求直流区域变配电系统的中压直流变换装置具备电能双向变换能力，除了具备变电功能外，还可与系统配置的储能环节灵活匹配。综上，中压直流综合电力系统是未来舰船动力的发展方向；大容量储能环节是高效能电磁武器上舰的必然需求；三端口直流变换器是中压直流综合电力系统中连接中压侧、低压负载侧和储能环节的核心装备，然而现有技术并没有满足需求的三端口直流变换器。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种模块化三端口直流变换器，拓扑结构可以连接中压直流母线、低压直流母线和储能元件。本专利技术提供了一种模块化三端口直流变换器，其特征在于包括模块化多电平变换器、双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路；模块化多电平变换器的输入端与中压直流母线电连接；模块化多电平变换器的输出端分别与双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路的输入端电连接；双有源桥变换电路的输出端与低压直流母线的输入端电连接；多重化桥式斩波电路的输出端与储能元件的输入端电连接；储能元件的输出端与低压直流母线的输入端电连接。上述技术方案中，中压直流母线功率充足且储能元件不需要充电时，中压直流母线向低压直流母线供电，切除储能原件；模块化多电平变换器控制其输出电压恒定，双有源桥变换电路控制其输出电压恒定。上述技术方案中，中压直流母线功率充足且储能元件需要充电时，中压直流母线同时向储能元件和低压直流母线供电，多电平变换器控制其输出电压；双有源桥变换电路控制其输出电压；多重化桥式斩波电路控制其输出电流。上述技术方案中，中压直流母线功率不充足且中压直流母线不需要吸收功率时，储能元件向低压直流母线供电，切除中压直流母线；多重化桥式斩波电路控制模块化多电平变换器输出端的电压；双有源桥变换电路控制其输出电压。上述技术方案中，中压直流母线功率不充足且中压直流母线需要吸收功率时，储能元件向中压直流母线和低压直流母线供电，多重化桥式斩波电路控制模块化多电平变换器输出端的电压；模块化多电平变换器控制其输入端的输入电流；双有源桥变换电路控制其输出电压。上述技术方案中，中压直流母线功率不充足且中压直流母线不需要吸收功率时，保留中压直流母线，中压直流母线和储能元件同时向低压直流母线供电，多电平变换器控制其输出电压；双有源桥变换电路控制其输出电压；多重化桥式斩波电路控制其输出电流上述技术方案中，一个模块化多电平变换器、一个双有源桥变换电路和一个多重化桥式斩波电路形成一个支路；多个支路并联；每个支路的模块化多电平变换器的输入端电并联于中压直流母线；每个支路的双有源桥变换电路的输出端并联于低压直流母线；每个支路的多重化桥式斩波电路输出端单独配置有储能元件。上述技术方案中，模块化多电平变换器、双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路均具有能量双向变换能力。上述技术方案中，模块化多电平变换器采用半桥式、全桥式、二极管箝位式、混合桥式或双半桥箝位式。上述技术方案中，双有源桥变换电路包括高频隔离变压器。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)采用模块化多电平拓扑结构匹配中压直流母线，可以通过调整子模块个数适应中压直流母线的电压等级。多个子模块共同分担中压直流母线的电压，将后级变换器级联在模块化多电平电路的子模块的后级，很好的解决了中压直流母线和日用负载侧低压直流母线的电压相差悬殊问题，避免了在变换器内部使用高变比隔离变压器。(2)双有源桥变换器内部有高频隔离变频器，使日用负载低压直流母线可以和中压直流母线实现电气隔离，提高了低压侧的用电安全性。多个双有源桥电路的端口在日用负载侧并联，很好地适应了日用负载低压直流母线低电压、大电流的特点，低压直流母线的电流均匀分布在每个双有源桥电路的输出端口上，降低开关管电流应力。(3)多重化桥式斩波电路一端级联在模块化多电平电路的子模块上，另一端连接储能元件，将中压直流母线对储能元件的充电和放电，转化为每个子模块对储能元件的充电和放电。储能元件分别单独设置，实现了分布式储能，既保证了储能元件的总容量，又保证了储能元件的模块化程度。(4)一台高度集成化的三端口直流变换器就连接起了中压直流母线、低压直流母线和储能元件，完成了原本需要两台或三台变换器才能完成的任务，大幅提高了系统的集成度。这台变换器的模块化程度非常高，每个支路可以独立工作。如果部分支路出现故障，系统仍然具备运行能力，保障了系统的可靠性和供电连续性。同时，这种高度模块化的设计方式大幅缩短了设计周期、降低了设计成本，表现出较强的灵活性。(5)该模块化三端口直流变换器所具备的四种工作模式，涵盖了中压直流变配电系统的全部运行工况。模块化三端口直流变换器的工作模式可以根据系统的能量流动需求进行自主切换，具备较强的自适应控制能力。虽然变换器内部具有很多支路和子模块，变换器整体采用一体控制结构，可以实现各个端口之间的协调配合和能量的灵活调度，整体上提高了中压直流变配电系统的稳定性。附图说明图1模块化三端口直流变换器拓扑结构图图2变换器工作模式选择的决策图图3匹配中压直流母线的模块化多电平拓扑结构图4匹配低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化三端口直流变换器，其特征在于包括模块化多电平变换器、双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路；模块化多电平变换器的输入端与中压直流母线电连接；模块化多电平变换器的输出端分别与双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路的输入端电连接；双有源桥变换电路的输出端与低压直流母线的输入端电连接；多重化桥式斩波电路的输出端与储能元件的输入端电连接；储能元件的输出端与低压直流母线的输入端电连接。

【技术特征摘要】
1.一种模块化三端口直流变换器，其特征在于包括模块化多电平变换器、双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路；模块化多电平变换器的输入端与中压直流母线电连接；模块化多电平变换器的输出端分别与双有源桥变换电路和多重化桥式斩波电路的输入端电连接；双有源桥变换电路的输出端与低压直流母线的输入端电连接；多重化桥式斩波电路的输出端与储能元件的输入端电连接；储能元件的输出端与低压直流母线的输入端电连接。2.根据权利要求1所述的模块化三端口直流变换器，其特征在于中压直流母线功率充足且储能元件不需要充电时，中压直流母线向低压直流母线供电，切除储能原件；模块化多电平变换器控制其输出电压恒定，双有源桥变换电路控制其输出电压恒定。3.根据权利要求1所述的模块化三端口直流变换器，其特征在于中压直流母线功率充足且储能元件需要充电时，中压直流母线同时向储能元件和低压直流母线供电，多电平变换器控制其输出电压；双有源桥变换电路控制其输出电压；多重化桥式斩波电路控制其输出电流。4.根据权利要求1所述的模块化三端口直流变换器，其特征在于中压直流母线功率不充足且中压直流母线不需要吸收功率时，储能元件向低压直流母线供电，切除中压直流母线；多重化桥式斩波电路控制模块化多电平变换器输出端的电压；双有源桥变换电路控制其输出电压。5.根据权利要求1所述的模块化三端口直流变换器，其特征在于中压直流母线功...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘计龙，陈鹏，孙逢欣，范学鑫，王瑞田，杨国润，余锡文，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42