專利名稱：超導儲能用雙向三電平軟開關(guān)dc/dc及其電流側(cè)移相控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導儲能用的直流變換器及其控制方法，特別涉及一種超導儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC及其控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著超導材料技術(shù)的發(fā)展，超導材料在電力領(lǐng)域的運用越來越得到人們的關(guān)注與重視，世界各國紛紛開展超導電力技術(shù)的研究。其中超導儲能技術(shù)由于能實現(xiàn)脈沖能量調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制等多方面的功能而倍受人們的關(guān)注，成為目前唯一商業(yè)化的超導電力技術(shù)。超導儲能技術(shù)一般分為電壓源型和電流源型兩種類型，其中電壓源型和電流源型相比，技術(shù)更為成熟，從而成為超導儲能系統(tǒng)的主流選擇。在電壓源型超導儲能裝置中，需要用DC/DC對超導磁體進行充放電。目前常用的DC/DC技術(shù)要么是需要充放電設(shè)備各一套，如美國專利US005159261“采用充電和放電DC/DC的超導儲能穩(wěn)定裝置”；要么采用一套裝置同時實現(xiàn)充放電的功能，如美國專利US005661646“采用不同相角的多重化DC/DC斬波器”和美國專利US004695932“超導儲能電路”。這些專利雖然采用的拓撲結(jié)構(gòu)不一樣，但是都沒有解決兩個關(guān)鍵的問題1、開關(guān)管的軟開關(guān)問題。這些DC/DC都是通過硬開關(guān)來實現(xiàn)超導磁體的充放電，開關(guān)管開關(guān)應(yīng)力大，損耗大，不僅大大縮短了開關(guān)管的壽命，而且降低了系統(tǒng)的工作效率。2、直流電壓端電壓低，且只有一個直流端電壓接口，無法與先進的多電平電壓源逆變器相連。

圖1為美國專利US004695932“超導儲能電路”的拓撲結(jié)構(gòu)圖，其中10為用于超導磁體充放電的DC/DC斬波器。它通過開關(guān)管17a和17b的硬開關(guān)來實現(xiàn)對超導磁體的充放電，開關(guān)管的應(yīng)力大，損耗也大；同時，它只有一個直流端電壓接口，如圖中所示的電容9兩端所提供的直流電壓接口，為了減小諧波，它只能通過采用多重化的形式的電壓源換流器與高壓電力系統(tǒng)相連。而多重化的電壓源換流器需要使用多個體積龐大，價格昂貴的工頻變壓器。不僅大大增大了系統(tǒng)的體積，還大大增加了系統(tǒng)的成本。工頻變壓器的體積和成本都占到整個系統(tǒng)的40％以上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可以實現(xiàn)能量雙向流動的三電平DC/DC，它能實現(xiàn)電流單元全部開關(guān)管的零電流開關(guān)，電壓單元全部開關(guān)管的零電壓開關(guān)，提高了工作的效率。并且，通過采用變壓器降壓，使電流單元可以采用電壓容量低而電流容量大的開關(guān)器件，提高了電流單元的通流能力，從而有效地提高了超導磁體的儲能量。由于它的電壓側(cè)有兩個獨立的直流電壓端口，所以可以和三電平的逆變器直接相連，而三電平逆變器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能夠廣泛適應(yīng)于中高壓電力系統(tǒng)，從而避免了使用多個工頻變壓器與高壓電力系統(tǒng)相連，極大地降低了成本和體積。
本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。電壓單元為帶中點箝位二極管的兩個三電平半橋組成，三電平半橋的每個開關(guān)管都并聯(lián)電容，或都不并聯(lián)電容，通過其寄生電容實現(xiàn)軟開關(guān)。電容的取值可視軟開關(guān)的需要而定。兩個三電平半橋的中點和箝位二極管的中點都與兩個分壓電容器的中點相連。電流單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)變壓器單元而定。若為普通變壓器，副邊為全橋形式的電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為半橋形式的電流源逆變器。為了提高功率密度，變壓器可用高頻變壓器。
本發(fā)明的控制方法通過控制電流單元的移相角，控制能量的流動方向和大小?？刂品椒ê唵?，充放電轉(zhuǎn)化速度快。同時，通過控制變壓器原邊三電平橋臂輸出的正負向電壓脈寬的相對大小，還可以解決三電平橋臂中點電壓不平衡的問題。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)美國專利US004695932的原理圖。
圖2為本發(fā)明的一個典型的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為開關(guān)管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為電流只能單相流動的開關(guān)或者是雙向流動的開關(guān)與二極管相串聯(lián)的組合，L超導磁體。
圖3為本發(fā)明的實施例1。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。
圖4為本發(fā)明的實施例2。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。
圖5為本發(fā)明的實施例3。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導磁體。
圖6為本發(fā)明的實施例4。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導磁體。
圖7為一個開關(guān)周期的時序圖。
圖8為電流單元半控型開關(guān)與全控型開關(guān)觸發(fā)脈沖對比圖。
圖9為分壓電容電壓不平衡控制原理圖。
具體實施例方式
圖2為本發(fā)明的一個典型的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。其電壓單元由兩個三電平橋臂組成。開關(guān)管Q1-Q4和鉗位二極管D9、D10組成其中一個三電平橋臂。開關(guān)管Q1-Q4頭尾相連，開關(guān)管Q1反并聯(lián)二極管D1，并與電容器C1并聯(lián)；開關(guān)管Q2反并聯(lián)二極管D2，并與電容器C2并聯(lián)；開關(guān)管Q3反并聯(lián)二極管D3，并與電容器C3并聯(lián)；開關(guān)管Q4反并聯(lián)二極管D4，并與電容器C4并聯(lián)。開關(guān)管Q1、Q2的中點與鉗位二極管D9的陰極相連，開關(guān)管Q3、Q4的中點與鉗位二極管D10的陽極相連。D9的陽極與D10的陰極相連，其中點與分壓電容Cd1、Cd2的中點相連。開關(guān)管Q5-Q8和鉗位二極管D11、D12組成其中另一個三電平橋臂。開關(guān)管Q5-Q8頭尾相連，開關(guān)管Q5反并聯(lián)二極管D5，并與電容器C5并聯(lián)；開關(guān)管Q6反并聯(lián)二極管D6，并與電容器C6并聯(lián)；開關(guān)管Q7反并聯(lián)二極管D7，并與電容器C7并聯(lián)；開關(guān)管Q8反并聯(lián)二極管D8，并與電容器C8并聯(lián)。開關(guān)管Q5、Q6的中點與鉗位二極管D11的陰極相連，開關(guān)管Q7、Q8的中點與鉗位二極管D12的陽極相連。D11的陽極與D12的陰極相連，其中點與分壓電容Cd1、Cd2的中點相連。兩個三電平橋臂與兩個串聯(lián)分壓電容Cd1、Cd2并聯(lián)。兩個三電平橋臂的中點A、B與變壓器原邊繞組的兩端相連。變壓器單元為副邊帶中間抽頭的變壓器。其電流單元為由開關(guān)T1、T2組成的電流源換流器。T1、T2的一端與變壓器副邊的兩端相連，另一端相互連接，并與超導磁體L的一端相連，超導磁體L的另一端與變壓器的中間抽頭相連。其中C1-C8根據(jù)需要也可以取消，通過其寄生電容來實現(xiàn)軟開關(guān)。
圖3為本發(fā)明的實施例1。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。其連接方式與圖2完全相同，只是用相應(yīng)的實際開關(guān)代替理想開關(guān)。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖4為本發(fā)明的實施例2。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、P10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。其電壓單元的連接方式與圖2完全相同。其變壓器單元為普通變壓器，變壓器的原邊與三電平橋臂的兩個中點相連，變壓器的副邊與電流單元的交流電流端相連。其電流單元為由晶閘管T1-T4組成的電流源換流器。T1的陽極與T3的陰極相連，構(gòu)成其中一個橋臂，T2的陽極與T4的陰極相連，構(gòu)成其中另一個橋臂，兩個橋臂相互并聯(lián)，并與超導磁體L并聯(lián)。兩個橋臂的中點與變壓器副邊的兩端相連。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖5為本發(fā)明的實施例3。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導磁體。其連接方式與圖3完全相同。它用IGBT與二極管相互連接作為一個整體，來代替圖3中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
圖6為本發(fā)明的實施例4。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導磁體。其連接方式與圖4完全相同。它用IGBT與二極管相互連接作為一個整體，來代替圖4中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
本發(fā)明的具體工作原理和過程如下本發(fā)明變換器在一個開關(guān)周期共有10種開關(guān)模態(tài)，分別對應(yīng)于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]，如圖7所示。其中[t0，t5]為前半周期，[t5，t10]為后半周期。下面結(jié)合圖2(設(shè)其中電流單元的開關(guān)器件為晶閘管等半控型開關(guān))，詳細描述其工作過程，其中UA0為第一個三電平橋臂的輸出端A對兩個分壓電容器中點0的電壓，UB0為第二個三電平橋臂的輸出端B對兩個分壓電容器中點0的電壓。UAB為兩個橋臂輸出端的電壓。IP為流過變壓器原邊的電流。另設(shè)變壓器的變比為n(Np/Ns)，Uo為副邊可控整流電路的輸出電壓。
開關(guān)模態(tài)1(對應(yīng)于[t0，t1])。t0時刻之前，UAB為正，IP為負，T1關(guān)斷，T2導通，加載副邊濾波電感兩端的電壓與電流的方向相反，電流的絕對值呈下降的趨勢，此時原邊電流的流向為D8-D7-B-A-D2-D1。t0時刻，給T1施加觸發(fā)脈沖，由于T1兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T1開通，由于變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。T2關(guān)斷后，可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導磁體上。超導磁體上的電流增加。此時原邊電流的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。
開關(guān)模態(tài)2(對應(yīng)于[t1，t2])。t1時刻，Q1、Q8關(guān)斷，由于C1、C8上的電壓為零，所以是零電壓關(guān)斷。IP給C1、C8充電，C3、C4、C5、C6放電，當A點電位低于0點時，二極管D9導通，此時C1兩端的電壓等于Cd1兩端的電壓。同理B點的電位高于0點時，二極管D12導通，此時C8兩端的電壓等于分壓電容Cd2兩端的電壓，而C5兩端的電壓等于分壓電容Cd1兩端的電壓。充放電過程結(jié)束后，忽略開關(guān)管和線路壓降，UAB和Uo均為零。此時原邊電流的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關(guān)模態(tài)3(對應(yīng)于[t2，t3])。t2時刻，Q2、Q7關(guān)斷，由于C2、C7上的電壓為零，所以是零電壓關(guān)斷。IP給C2、C7充電，C3、C4、C5、C6放電。充放電過程結(jié)束后，D3、D4、D5、D6導通，C3、C4、C5、C6上的電壓為零，此時原邊電流的流向為D4-D3-A-B-D6-D5。
開關(guān)模態(tài)4(對應(yīng)于[t3，t4])。t3時刻，Q3、Q6導通，由于其反并聯(lián)二級管已導通，C3、C6上的電壓為零，所以是零電壓開通。
開關(guān)模態(tài)5(對應(yīng)于[t4，t5])。t4時刻，Q4、Q5導通，由于其反并聯(lián)二級管已導通，C4、C5上的電壓為零，所以是零電壓開通。
由于下半周期的工作原理與上半周期完全相同，這里不在贅述。
以上為電流單元采用半控型器件如晶閘管的工作原理。對于電流單元采用全控型開關(guān)與二極管串聯(lián)的形式，其控制方法幾乎完全相同，唯一不同的是電流單元的觸發(fā)脈沖，兩者脈沖對比如圖8所示。其中T1、T2為半控型開關(guān)的觸發(fā)脈沖，S1、S2為全控型開關(guān)的觸發(fā)脈沖。對于半控型開關(guān)，t0時刻，給T1觸發(fā)脈沖，此時加在T1上的電壓大于零，由于變壓器有漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1零電流開通，而加在T2上的電壓小于零，流過T2的電流逐漸減小，T2過零關(guān)斷，實現(xiàn)零電流關(guān)斷。對于全控型開關(guān)，t0時刻，給S1觸發(fā)脈沖，此時加在S1上的電壓大于零，由于變壓器有漏感，流過S1的電流逐漸增加，S1零電流開通，而加在S2上的電壓小于零，流過S2的電流逐漸減小到零，當S2減小到零后，t1時刻，關(guān)斷S2，從而實現(xiàn)零電流關(guān)斷。
需要另外說明的是，開關(guān)模態(tài)4和開關(guān)模態(tài)5可以合并。其原因如下若省略開關(guān)模態(tài)5，t4、t5時刻合并，Q3、Q4、Q5、Q6同時開通，由于此時它們的反并聯(lián)二級管都已導通，所以它們開通的先后并不影響其零電壓開通，因此這兩個開關(guān)模態(tài)可以合并。
以上分析是在分壓電容Cd1、Cd2上電壓平衡的情況下做出的，若Cd1和Cd2上電壓不平衡，本發(fā)明提供了一種方法來控制其中點電壓的平衡。設(shè)電容Cd1上的電壓大于Cd2上的電壓。如圖9所示，縮小UA0和UB0負向電壓的脈寬，則變壓器原邊兩個三電平橋臂上半部分的工作時間大于下半部分，流出兩個分壓電容Cd1、Cd2中點的電流Io不為零，流進Cd1的電流Icd1小于零，流進Cd2的電流Icd2大于零，Cd1上的電壓Ucd1下降，Ucd2上的電壓上升。同理，縮小UA0和UB0正向電壓的脈寬，則可以使Cd1上的電壓Ucd1上升，Ucd2上的電壓下降。需要特別說明的是，中點不平衡的控制并不局限于縮短正向或負向脈寬，也可以通過增加脈寬的方式，總而言之，就是通過控制正負向電壓脈寬的相對大小來控制中點電壓的不平衡。通過這種方式，中點不平衡的問題即得以解決。
權(quán)利要求
1.超導儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC，其特征在于它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成；電壓單元由兩個三電平橋臂組成；開關(guān)管[Q1-Q4]和鉗位二極管[D9]、[D10]組成其中一個三電平橋臂；開關(guān)管[Q1-Q4]頭尾相連；開關(guān)管[Q1]反并聯(lián)二極管[D1]，并與電容器[C1]并聯(lián)；開關(guān)管[Q2]反并聯(lián)二極管[D2]，并與電容器[C2]并聯(lián)；開關(guān)管[Q3]反并聯(lián)二極管[D3]，并與電容器[C3]并聯(lián)；開關(guān)管[Q4]反并聯(lián)二極管[D4]，并與電容器[C4]并聯(lián)；開關(guān)管[Q1]、[Q2]、[Q3]、[Q4]也可都不并聯(lián)電容，通過其寄生電容實現(xiàn)軟開關(guān)；開關(guān)管[Q1]、[Q2]的中點與鉗位二極管[D9]的陰極相連，開關(guān)管[Q3]、[Q4]的中點與鉗位二極管[D10]的陽極相連；[D9]的陽極與[D10]的陰極相連，其中點與分壓電容[Cd1]、[Cd2]的中點相連；開關(guān)管[Q5-Q8]和鉗位二極管[D11]、[D12]組成其中另一個三電平橋臂；開關(guān)管[Q5-Q8]頭尾相連，開關(guān)管[Q5]反并聯(lián)二極管[D5]，并與電容器[C5]并聯(lián)；開關(guān)管[Q6]反并聯(lián)二極管[D6]，并與電容器[C6]并聯(lián)；開關(guān)管[Q7]反并聯(lián)二極管[D7]，并與電容器[C7]并聯(lián)；開關(guān)管[Q8]反并聯(lián)二極管[D8]，并與電容器[C8]并聯(lián)；開關(guān)管[Q5]、[Q6]、[Q7]、[Q8]也可都不并聯(lián)電容，通過其寄生電容實現(xiàn)軟開關(guān)；開關(guān)管[Q5]、[Q6]的中點與鉗位二極管[D11]的陰極相連，開關(guān)管[Q7]、[Q8]的中點與鉗位二極管[D12]的陽極相連；鉗位二極管[D11]的陽極與[D12]的陰極相連，其中點與分壓電容[Cd1]、[Cd2]的中點相連；兩個三電平橋臂與兩個串聯(lián)分壓電容[Cd1]、[Cd2]并聯(lián)；兩個三電平橋臂的中點A、B與變壓器原邊繞組的兩端相連；變壓器單元若為副邊帶中間抽頭的變壓器，其電流單元為由開關(guān)[T1]、[T2]組成的電流源換流器；開關(guān)[T1]、[T2]的一端與變壓器副邊的兩端相連，另一端相互連接，并與超導磁體[L]的一端相連，超導磁體[L]的另一端與變壓器的中間抽頭相連；其中[C1-C8]也可以取消，通過其寄生電容來實現(xiàn)軟開關(guān)。
2.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的超導儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC電流側(cè)移相控制方法，其特征在于通過控制電流單元的移相角，控制變換器能量的流動方向和大??；通過控制三電平橋臂輸出正負向電壓脈寬的相對大小來控制中點電壓的不平衡。
全文摘要
一種超導儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC，由電壓單元、變壓器單元和電流單元組成。電壓單元為帶中點箝位二極管的兩個三電平半橋，三電平半橋的每個開關(guān)管上都并聯(lián)電容，或都不并聯(lián)電容，通過其寄生電容實現(xiàn)軟開關(guān)。兩個三電平半橋的中點和箝位二極管的中點都與兩個分壓電容器的中點相連。電流單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)變壓器單元而定，若為普通變壓器，副邊為全橋形式的電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為半橋形式的電流源逆變器。本發(fā)明通過控制電流單元的移相角，控制能量的流動方向和大小。同時，通過控制三電平橋臂輸出的正負向電壓脈寬的相對大小，解決三電平橋臂中點電壓不平衡的問題。
文檔編號H02M3/335GK1845434SQ200610011909
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者郭文勇, 趙彩宏, 歐陽羿, 辛理夫, 李學斌 申請人:中國科學院電工研究所