專利名稱：電力混合變換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)技術(shù)領域，特別是涉及電力混合變換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種形式的電力需求增長越來越快，能源短缺、環(huán)境保護等問題日益嚴重，而以風力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)正逐漸成為未來電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點。但這些清潔能源往往存在諸如位置分散、遠離電力用戶中心等特點，基于電壓源型變換器的高壓直流輸電系統(tǒng)能加這些小型分布式電源系統(tǒng)通過經(jīng)濟、環(huán)保的方式接入交流電網(wǎng)，高壓大功率的電壓型器是該類系統(tǒng)的核心部件。高壓大功率變換場合的電力電子裝置需要具備盡可能高的電壓等級和功率處理能力，而實現(xiàn)高壓大功率變換器的關鍵技術(shù)之一是大功率變換器拓撲。近幾十年來，多電平變換技術(shù)(主要指電壓型多電平變換器)得到不斷推廣。但是由于采用直接串聯(lián)技術(shù)，器件參數(shù)的不一致不僅會帶來器件均壓問題、電磁干擾問題，還會因開關頻率過高帶來較大的開關損耗等原因，難以在高壓直流輸電領域。模塊化多電平變流器(Modualize Mult1-level Converter, MMC)拓撲由德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學于2002年首次提出并應用于高壓直流輸電系統(tǒng)領域，以其獨特的結(jié)構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢正成為研究熱點。此拓撲無需器件的直接串聯(lián)，且具有模塊化構(gòu)造，每個模塊可使用相同的硬件結(jié)構(gòu)，無需移相變壓器，擁有廣闊的應用前景。盡管模塊化多電平變流器的相關理論和技術(shù)研究取得了一定進展，但是還有一些問題未得到完全解決。比如MMC在不對稱電網(wǎng)/負載等特殊應用場合下的環(huán)流問題，換流的存在會帶來一些負面的影響，但是現(xiàn)在還沒有有效的解決辦法。MMC功率電源的直流側(cè)電容電壓中含有大量基頻和二次諧波，將導致交流輸出橋臂電流中出現(xiàn)不可忽略的低次諧波分量，進而影響系統(tǒng)的輸出特性。MMC各功率單元的直流電容相互獨立，主電路元器件為非理想元件，容易導致直流電容電壓不平衡和直流電容電壓脈動現(xiàn)象。目前基于MMC的混合變換系統(tǒng)中直流電容電壓平衡控制主要是通過外部的平衡控制電路來實現(xiàn)，通過外部平衡控制電路的方法雖然可簡化控制程序的算法設計，但由于需要額外的硬件電路和控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的成本和復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要針對一般基于MMC的電力混合變換系統(tǒng)中直流電容電壓平衡控制不易實現(xiàn)的問題，提供一種容易實現(xiàn)直流電容電壓平衡控制的電力混合變換系統(tǒng)。一種電力混合變換系統(tǒng)，包括模塊化多電平變流器和DC-DC隔離器，所述模塊化多電平變流器交流側(cè)連接高壓交流電網(wǎng)，所述模塊化多電平交流器的直流側(cè)連接高壓直流電網(wǎng)，所述DC-DC隔離器包括第一電容和第二電容，所述DC-DC隔離器的直流輸入端正負分別連接所述高壓直流電網(wǎng)的正負，所述DC-DC隔離器的直流輸出端連接低壓直流電網(wǎng)，所述DC-DC隔離器的直流輸入端并聯(lián)有所述第二電容，所述DC-DC隔離器的直流輸出端并聯(lián)有所述第一電容。在其中一個實施例中，所述電力混合變換系統(tǒng)還包括DC-AC逆變器，所述DC-AC逆變器直流側(cè)連接所述低壓直流電網(wǎng)，所述DC-AC逆變器交流側(cè)連接低壓交流電網(wǎng)。在其中一個實施例中，所述DC-DC隔離器還包括逆變器、中頻變壓器和整流器，所述逆變器的直流側(cè)并聯(lián)有所述第二電容，所述逆變器的直流側(cè)與所述高壓直流電網(wǎng)連接，所述逆變器的交流側(cè)連接所述中頻變壓器的原方，所述整流器的交流側(cè)連接所述中頻變壓器的副方，所述整流器的直流側(cè)并聯(lián)有所述第一電容，所述整流器的直流側(cè)連接所述低壓直流電網(wǎng)。在其中一個實施例中，所述模塊化多電平變流器為三相三橋臂電路結(jié)構(gòu)，所述三橋臂結(jié)構(gòu)中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個子模塊和一個限流電抗器，所述多個子模塊和所述一個限流電抗器串聯(lián)。在其中一個實施例中，所述子模塊所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯(lián)。在其中一個實施例中，所述半橋電路包括兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管連接成半H橋結(jié)構(gòu)。在其中一個實施例中，所述逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。在其中一個實施例中，所述整流器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。在其中一個實施例中，所述DC-AC逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)，DC-DC隔離器的直流側(cè)輸出電容是并聯(lián)的，當MMC的直流電容電壓出現(xiàn)不平衡時，MMC中電容電壓高的部分通過DC-DC隔離器借助低壓直流電網(wǎng)，再通過DC-DC隔離器，向電壓低的電容充電，抬高電壓值，這樣就保證了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)MMC的直流電容電壓的自動平衡。總的來說，本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)是一種容易實現(xiàn)直流電容電壓平衡控制的系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)其中一個實施例的結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)其中一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)中DC-DC隔離器的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)中MMC的子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明電力混合變化系統(tǒng)其中一個實施例中DC-AC逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1、圖3和圖4所示，一種電力混合變換系統(tǒng)，包括模塊化多電平變流器100和DC-DC隔離器200，所述模塊化多電平變流器100交流側(cè)連接高壓交流電網(wǎng)，所述模塊化多電平交流器100的直流側(cè)連接高壓直流電網(wǎng)，所述DC-DC隔離器包200括第一電容210和第二電容220，所述DC-DC隔離器200的直流輸入端正負分別連接所述高壓直流電網(wǎng)的正負，所述DC-DC隔離器200的直流輸出端連接低壓直流電網(wǎng)，所述DC-DC隔離器200的直流輸入端并聯(lián)有所述第二電容220，所述DC-DC隔離器200的直流輸出端并聯(lián)有所述第一電容210。在本實施例中，第一電容和第二電容可以為相同的電容也可以為不同的電容，這里相同的電容說的是相同型號的電容。第一電容并聯(lián)在DC-DC隔離器的直流輸出端作為DC-DC隔離器的直流輸出電容，第二電容并聯(lián)在DC-DC隔離器的直流輸入端作為直流輸入電容。本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)，DC-DC隔離器的直流側(cè)輸出電容是并聯(lián)的，當MMC的直流電容電壓出現(xiàn)不平衡時，MMC中電容電壓高的部分通過DC-DC隔離器借助低壓直流電網(wǎng)，再通過DC-DC隔離器，向電壓低的電容充電，抬高電壓值，這樣就保證了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)MMC的直流電容電壓的自動平衡?？偟膩碚f，本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)是一種容易實現(xiàn)直流電容電壓平衡控制的電力混合變換系統(tǒng)。另外由于有DC-DC隔離器的存在，本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)的高壓交流和直流側(cè)處于高壓狀態(tài)，低壓交流和直流側(cè)處于低壓狀態(tài)，實現(xiàn)了高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)的完美隔離。這樣當有發(fā)生故障時，斷開直流和交流電網(wǎng)的聯(lián)系方便，所以本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)還具有可靠性高、控制靈活的特點。如圖2所示，在其中一個實施例中，所述電力混合變換系統(tǒng)還包括DC-AC逆變器300，所述DC-AC逆變器300直流側(cè)連接所述低壓直流電網(wǎng)，所述DC-AC逆變器300交流側(cè)連接低壓交流電網(wǎng)。DC-AC逆變器的直流側(cè)接低壓直流電網(wǎng)，交流側(cè)接低壓交流電網(wǎng)。此結(jié)構(gòu)的作用在于當?shù)蛪褐绷麟娋W(wǎng)電源發(fā)生故障時，低壓交流電網(wǎng)可以通過逆變器輸出直流電，做到對低壓直流電網(wǎng)電壓的支撐。正常時，由于逆變器的存在，也可以使低壓交流電網(wǎng)和低壓直流電網(wǎng)的相互支撐。如圖3所示，在其中一個實施例中，所述DC-DC隔離器200還包括逆變器230、中頻變壓器240和整流器250，所述逆變器230的直流側(cè)并聯(lián)有所述第二電容220，所述逆變器230的直流側(cè)與所述高壓直流電網(wǎng)連接，所述逆變器230的交流側(cè)連接所述中頻變壓器240的原方，所述整流器250的交流側(cè)連接所述中頻變壓器240的副方，所述整流器250的直流側(cè)并聯(lián)有所述第一電容210，所述整流器250的直流側(cè)連接所述低壓直流電網(wǎng)。在本實施例中，逆變器，即高頻調(diào)制部分，逆變器的直流側(cè)接MMC子模塊的直流輸出，交流側(cè)接中頻變壓器的原方；中頻變壓器，將原方的高壓交流電耦合到副方的低壓側(cè)，實現(xiàn)高低壓間的電氣隔離；整流器，即高頻還原部分，通常結(jié)構(gòu)和逆變器一樣，都是H橋結(jié)構(gòu)，交流側(cè)接中頻變壓器的副方，直流側(cè)接低壓直流電網(wǎng)。隔離變換部分實現(xiàn)將直流換成交流并耦合到副方后還原成直流，采用開環(huán)的脈沖寬度調(diào)制控制。在其中一個實施例中，所述模塊化多電平變流器為三相三橋臂電路結(jié)構(gòu)，所述三橋臂結(jié)構(gòu)中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個子模塊和一個限流電抗器，所述多個子模塊和所述一個限流電抗器串聯(lián)。在本實施例中MMC采用的是三相MMC結(jié)構(gòu)。電網(wǎng)中高壓交流電網(wǎng)接在MMC子模塊的交流側(cè)，高壓直流正負分別和MMC子模塊的直流側(cè)正負相連。和傳統(tǒng)的MMC結(jié)構(gòu)一樣在本實施例中，MMC共有6個橋臂,每個橋臂都是由η個相同的半H橋子模塊和一個橋臂電感串聯(lián)而成。單個半H橋子模塊的結(jié)構(gòu)包含兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管以及一個直流儲能電容。每個子模塊有三個不同的開關狀態(tài)，分別為投入、切除和閉鎖狀態(tài)。投入狀態(tài)是指上橋絕緣柵雙極型晶體管開通，下橋絕緣柵雙極型晶體管關斷，電流總是通過半H橋的上橋流通，子模塊輸出電壓可以認為等于直流儲能電容電壓；切除狀態(tài)是指上橋絕緣柵雙極型晶體管關斷，下橋臂開通，電流總是通過半H橋的下橋流通，子模塊輸出電壓可以認為等于O ;閉鎖狀態(tài)是指上、下橋臂絕緣柵雙極型晶體管同時關斷，這種情形主要在系統(tǒng)啟動、故障以及開關死區(qū)階段出現(xiàn)。換流器在正常運行情況下只在投入和切除兩種狀態(tài)之間切換，其上下兩個橋臂做互補導通。MMC的作用是通過開關狀態(tài)的切換，可以實現(xiàn)對子模塊輸出電壓的控制，同時保持總直流電壓穩(wěn)定并獲得最大的直流輸出電壓，以滿足高壓大功率柔性直流輸電系統(tǒng)對換流器的技術(shù)要求。如圖4所示，所述子模塊所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯(lián)。如圖4所示，所述半橋電路包括兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管連接成半H橋結(jié)構(gòu)。在其中一個實施例中，所述逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。在其中一個實施例中，所述整流器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。如圖5所示，在其中一個實施例中，所述DC-AC逆變器300包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。上述幾個實施例中，半橋電路、逆變器、整流器和DC-AC逆變器都包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。H橋結(jié)構(gòu)是一種模塊化的結(jié)構(gòu)，在上述幾個實施例中半橋電路、逆變器、整流器和DC-AC逆變器均采用這種模塊的H橋結(jié)構(gòu)有利于優(yōu)化本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，另外也便于集成、生產(chǎn)、管理和集中控制。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，包括模塊化多電平變流器和DC-DC隔離器，所述模塊化多電平變流器交流側(cè)連接高壓交流電網(wǎng)，所述模塊化多電平交流器的直流側(cè)連接高壓直流電網(wǎng)，所述DC-DC隔離器包括第一電容和第二電容，所述DC-DC隔離器的直流輸入端正負分別連接所述高壓直流電網(wǎng)的正負，所述DC-DC隔離器的直流輸出端連接低壓直流電網(wǎng)，所述DC-DC隔離器的直流輸入端并聯(lián)有所述第二電容，所述DC-DC隔離器的直流輸出端并聯(lián)有所述第一電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，還包括DC-AC逆變器，所述DC-AC逆變器直流側(cè)連接所述低壓直流電網(wǎng)，所述DC-AC逆變器交流側(cè)連接低壓交流電網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述DC-DC隔離器還包括逆變器、中頻變壓器和整流器，所述逆變器的直流側(cè)并聯(lián)有所述第二電容，所述逆變器的直流側(cè)與所述高壓直流電網(wǎng)連接，所述逆變器的交流側(cè)連接所述中頻變壓器的原方，所述整流器的交流側(cè)連接所述中頻變壓器的副方，所述整流器的直流側(cè)并聯(lián)有所述第一電容，所述整流器的直流側(cè)連接所述低壓直流電網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述模塊化多電平變流器為三相三橋臂電路結(jié)構(gòu)，所述三橋臂結(jié)構(gòu)中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個子模塊和一個限流電抗器，所述多個子模塊和所述一個限流電抗器串聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述子模塊所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述半橋電路包括兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述兩組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管連接成半H橋結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力混合變換系統(tǒng)，其特征在于，所述DC-AC逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續(xù)流二極管成H橋結(jié)構(gòu)連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電力混合變換系統(tǒng)，包括MMC和DC-DC隔離器，MMC交流側(cè)連接高壓交流電網(wǎng)，MMC直流側(cè)連接高壓直流電網(wǎng)，DC-DC隔離器的直流輸入端正負分別連接高壓直流電網(wǎng)的正負，DC-DC隔離器包括分別并聯(lián)在其直流輸入端和直流輸出端的電容，DC-DC隔離器的直流輸出端連接低壓直流電網(wǎng)。本發(fā)明電力混合變換系統(tǒng)，DC-DC隔離器的直流側(cè)輸出電容是并聯(lián)的，當MMC的直流電容電壓出現(xiàn)不平衡時，MMC中電容電壓高的部分通過DC-DC隔離器借助低壓直流電網(wǎng)，再通過DC-DC隔離器，向電壓低的電容充電，抬高電壓值，這樣就保證了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)MMC的直流電容電壓的自動平衡。
文檔編號H02J5/00GK103208821SQ20131014065
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者張俊峰, 易楊, 陳迅, 王丹, 毛承雄, 羅堅強, 陸繼明 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院, 華中科技大學