一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，包括輸入串聯(lián)變流器單元、多繞組中低頻正弦波變壓器和輸入并聯(lián)變流器單元；輸入串聯(lián)變流器單元包括至少一個結(jié)構(gòu)相同的第一變流器子模塊，輸入端順序正向串聯(lián)后連接在高壓側(cè)的正極和負(fù)極之間；多繞組中低頻正弦波變壓器包括至少一個輸入繞組和一個輸出繞組，輸入繞組的數(shù)量與第一變流器子模塊的數(shù)量相同，且二者一一對應(yīng)連接；輸入并聯(lián)變流器單元包括至少一個結(jié)構(gòu)相同的第二變流器子模塊，所有第二變流器子模塊的輸入端均連接多繞組中低頻正弦波變壓器的輸出繞組。此裝置可解決目前高壓直流-直流變換裝置的高壓側(cè)開關(guān)器件的耐壓、均壓問題和現(xiàn)有直流-直流變換裝置傳輸容量不足的問題。
【專利說明】—種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓直流-直流電能轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)难b置，特別涉及一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓直流輸電(HVDC)具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了適應(yīng)將來將高壓直流輸電直接應(yīng)用于用電設(shè)備，需要具有和交流隔離變壓器功能類似的直流變壓裝置，將高壓直流電轉(zhuǎn)換成隔離的滿足用電設(shè)備要求的低壓直流電。
[0003]由于單個功率半導(dǎo)體器件的耐壓值通常是有限的，所以單個功率半導(dǎo)體器件無法直接應(yīng)用于高電壓場合。為了實現(xiàn)低壓功率器件能夠應(yīng)用在高電壓場合，通常采用以下幾種方法:1)多電平技術(shù)；2)多個功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)技術(shù)；3)多個功率模塊串聯(lián)技術(shù)。
[0004]文獻(xiàn)“DraganJovcic.‘Bidirectional, High-Power DC Transformer，.IEEETransactions on Power Delivery, Vol.24，N0.4，pp: 2276-2283，0ctober2009” 米用晶閘管串聯(lián)技術(shù)、諧振技術(shù)實現(xiàn)了大功率的直流變換與傳輸。但是，高壓側(cè)和低壓側(cè)沒有電氣隔離，高壓側(cè)和低壓側(cè)晶閘管閥組均承受高壓側(cè)電壓，增加了設(shè)備成本。另外，LC諧振電路在工作過程中產(chǎn)生較大無功容量，增加了設(shè)備容量和線路損耗，降低了變換效率。
[0005]中國專利申請201010117551.8涉及了一種高壓直流-直流電力電子變壓器，該直流變壓器由級聯(lián)式模塊化變流器、一個雙繞組中頻或高頻變壓器和一個全控型H橋構(gòu)成。通過級聯(lián)式模塊化變流器產(chǎn)生多電平的中頻或高頻方波電壓，雙繞組中頻或高頻變壓器實現(xiàn)直流-直流的電壓變換和功率傳遞，全控型H橋?qū)⒅蓄l或高頻變壓器的副邊方波電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。
[0006]中國專利申請200810024744.1涉及了 一種基于全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)自動均壓直流變壓器，采用多個全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變壓器功率模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)和變壓器副邊箝位作用，自動實現(xiàn)每個模塊輸入側(cè)均壓。
[0007]中國專利申請201010117551.8和200810024744.1中均采用了中頻或者高頻方波
變壓器進(jìn)行電氣隔離、電壓變換和功率傳遞。但是，目前可用的中頻或高頻方波變壓器功率容量很難達(dá)到上百千瓦以上，一定程度上限制了此類直流變壓器的應(yīng)用。
[0008]綜合上述，目前的高壓直流-直流變換裝置存在著高壓側(cè)開關(guān)器件的耐壓及均壓問題，且傳輸容量不足，有待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的，在于提供一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其可解決目前高壓直流-直流變換裝置的高壓側(cè)開關(guān)器件的耐壓、均壓問題和現(xiàn)有直流-直流變換裝置傳輸容量不足的問題，對加速高壓直流-直流變換裝置的實用化和市場化進(jìn)程具有重要意義。
[0010]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0011]一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，包括輸入串聯(lián)變流器單元、多繞組中低頻正弦波變壓器和輸入并聯(lián)變流器單元；
[0012]所述輸入串聯(lián)變流器單元包括至少一個結(jié)構(gòu)相同的第一變流器子模塊，當(dāng)包括一個第一變流器子模塊時，該第一變流器子模塊的輸入端連接在高壓側(cè)的正極和負(fù)極之間；當(dāng)包括2個或2個以上時，所有第一變流器子模塊的輸入端順序正向串聯(lián)后連接在高壓側(cè)的正極和負(fù)極之間；
[0013]所述多繞組中低頻正弦波變壓器包括至少一個輸入繞組和一個輸出繞組，所述輸入繞組的數(shù)量與第一變流器子模塊的數(shù)量相同，且輸入繞組與第一變流器子模塊的輸出端一一對應(yīng)連接；
[0014]所述輸入并聯(lián)變流器單元包括至少一個結(jié)構(gòu)相同的第二變流器子模塊，所有第二變流器子模塊的輸入端均連接多繞組中低頻正弦波變壓器的輸出繞組；若包括2個或2個以上第二變流器子模塊時，所有第二變流器子模塊的輸出端采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。
[0015]上述多繞組中低頻正弦波變壓器采用多繞組中低頻正弦波單相變壓器或多繞組中低頻正弦波三相變壓器。
[0016]上述多繞組中低頻正弦波變壓器的輸出繞組采用一個線圈，或至少兩個相互并聯(lián)的線圈。
[0017]上述第一、二變流器子模塊包括順序串聯(lián)的無源濾波模塊和功率變換模塊，其中，功率變換模塊采用兩電平全橋拓?fù)洹⒍嚯娖桨霕蛲負(fù)浠蚨嚯娖饺珮蛲負(fù)?，無源濾波模塊采用LC濾波電路或LCL濾波電路。
[0018]上述多繞組中低頻正弦波變壓器采用多繞組中低頻正弦波單相變壓器，第一、二變流器子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩電平單相半橋LC濾波拓?fù)?、兩電平單相半橋LCL濾波拓?fù)?、兩電平單相全橋LC濾波拓?fù)洹呻娖絾蜗嗳珮騆CL濾波拓?fù)?、三電平單相中點箝位半橋LC濾波拓?fù)?，三電平單相中點箝位半橋LCL濾波拓?fù)?、三電平單相飛跨電容半橋LC濾波拓?fù)浠蛉娖絾蜗囡w跨電容半橋LCL濾波拓?fù)洹?br> [0019]上述多繞組中低頻正弦波變壓器采用多繞組中低頻正弦波三相變壓器，第一、二變流器子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩電平三相全橋LC濾波拓?fù)?、兩電平三相全橋LCL濾波拓?fù)洹⑷娖饺嘀悬c箝位全橋LC濾波拓?fù)浠蛉娖饺嘀悬c箝位全橋LCL濾波拓?fù)洹?br> [0020]上述第一、二變流器子模塊中，無源濾波模塊中的電容器組采用Y型連接或Λ型連接。
[0021]上述第一、二變流器子模塊的結(jié)構(gòu)相同或不同。
[0022]采用上述方案后，本發(fā)明能夠很好解決高壓直流-直流變換裝置的高壓側(cè)開關(guān)器件的耐壓、均壓問題和現(xiàn)有直流-直流變換裝置傳輸容量不足的問題，對加速高壓直流-直流變換裝置的實用化和市場化進(jìn)程具有重要意義；采用模塊串聯(lián)技術(shù)可以靈活的拓展變壓器的電壓等級；采用多繞組中低頻正弦波變壓器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電氣隔離、電壓變換和功率傳遞，同時多繞組中低頻正弦波變壓器的功率容量可以達(dá)到MW級以上?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平單相半橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖3是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平單相半橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖4是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平單相全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖5是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平單相全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖6是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平單相中點箝位半橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖7是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平單相中點箝位半橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖8是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平單相飛跨電容半橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖9是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平單相飛跨電容半橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖10是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平三相全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0033]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Y型連接；
[0034]圖11是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平三相全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0035]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Y型連接；
[0036]圖12是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平三相全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0037]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Λ型連接；
[0038]圖13是本發(fā)明中變流器子模塊采用兩電平三相全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0039]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Λ型連接；
[0040]圖14是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平三相中點箝位全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0041 ]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Y型連接；
[0042]圖15是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平三相中點箝位全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0043]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Y型連接；
[0044]圖16是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平三相中點箝位全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0045]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Λ型連接；
[0046]圖17是本發(fā)明中變流器子模塊采用三電平三相中點箝位全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0047]其中，無源濾波模塊中的電容器組Ctl采用Λ型連接。
【具體實施方式】
[0048]以下將結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0049]如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，包括輸入串聯(lián)變流器單元1、多繞組中低頻正弦波變壓器2和輸入并聯(lián)變流器單元3，下面分別介紹。
[0050]所述輸入串聯(lián)變流器單元I包含η (η為自然數(shù)，且η≥I)個結(jié)構(gòu)相同的變流器子模塊SM4，每個變流器子模塊4均具有輸入端和輸出端，η個變流器子模塊4的輸入端順序正向串聯(lián)后，形成的輸入串的正極連接高壓側(cè)的正極P端，該輸入串的負(fù)極連接高壓側(cè)的負(fù)極N端。
[0051]所述多繞組中低頻正弦波變壓器2包括η個相同的輸入繞組和I個輸出繞組，且輸入繞組與變壓器子模塊4的輸出端一一對應(yīng)連接，該輸出繞組可以采用單個的線圈，也可以采用多個相互并聯(lián)的線圈；所述多繞組中低頻正弦波變壓器2可以具體采用多繞組中低頻正弦波單相變壓器或多繞組中低頻正弦波三相變壓器。
[0052]所述輸入并聯(lián)變流器單元3包含m (m為自然數(shù)，且m≥I)個結(jié)構(gòu)相同的變流器子模塊SM5，且所有變流器子模塊5的輸入端分別連接多繞組中低頻正弦波變壓器2的輸出繞組，而變流器子模塊5的輸出端根據(jù)低壓側(cè)電壓等級要求選擇采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。
[0053]工作時，輸入串聯(lián)變流器單元I將輸入的直流電壓整形成中低頻正弦波電壓，再由多繞組中低頻正弦波變壓器2進(jìn)行中低頻送能、電壓變換和電氣隔離，其中，中低頻頻率范圍為30Hz?500Hz ;所述輸入并聯(lián)變流器單元3將前述輸入的中低頻正弦波電壓還原成直流電壓，進(jìn)行輸出。
[0054]所述輸入串聯(lián)變流器單元I中的變流器子模塊4和輸入并聯(lián)變流器單元3中的變流器子模塊5均由無源濾波模塊和功率變換模塊順序串聯(lián)而成，其中，無源濾波模塊可以采用LC濾波電路或LCL濾波電路，功率變換模塊可以采用兩電平半橋拓?fù)洹呻娖饺珮蛲負(fù)?、多電平半橋拓?fù)浠蚨嚯娖饺珮蛲負(fù)洹?br> [0055]當(dāng)傳輸功率較低時，一般選用多繞組中低頻正弦波單相變壓器進(jìn)行功率傳輸，該應(yīng)用下較為典型的變流器子模塊SM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩電平單相半橋LC濾波拓?fù)?如圖2)、兩電平單相半橋LCL濾波拓?fù)?如圖3)、兩電平單相全橋LC濾波拓?fù)?如圖4)、兩電平單相全橋LCL濾波拓?fù)?如圖5 )、三電平單相中點箝位半橋LC濾波拓?fù)?如圖6 )，三電平單相中點箝位半橋LCL濾波拓?fù)?如圖7)、三電平單相飛跨電容半橋LC濾波拓?fù)?如圖8)及三電平單相飛跨電容半橋LCL濾波拓?fù)?如圖9);前述圖2至圖9中的左側(cè)連接直流端，右側(cè)連接交流端。
[0056]當(dāng)傳輸功率較高時，一般選用多繞組中低頻正弦波三相變壓器進(jìn)行功率傳輸，該應(yīng)用下較為典型的變流器子模塊SM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩電平三相全橋LC濾波拓?fù)?如圖10及圖12)、兩電平三相全橋LCL濾波拓?fù)?如圖11及圖13)、三電平三相中點箝位全橋LC濾波拓?fù)?如圖14及圖16)及三電平三相中點箝位全橋LCL濾波拓?fù)?如圖15及圖17);前述圖10至圖17中的左側(cè)連接直流端，右側(cè)連接交流端。
[0057]需要特別指出的是，在本發(fā)明中，輸入串聯(lián)變流器單元I中的所有變流器子模塊4均采用相同的結(jié)構(gòu)，輸入并聯(lián)變流器單元3中的所有變流器子模塊5均采用相同的結(jié)構(gòu)，但高變流器子模塊4、5的結(jié)構(gòu)可以相同或不同；例如，當(dāng)變流器子模塊4采用兩電平三相全橋LCL濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，變流器子模塊5可以采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可采用其它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如兩電平三相全橋LC濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。[0058] 以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:包括輸入串聯(lián)變流器單元、多繞組中低頻正弦波變壓器和輸入并聯(lián)變流器單元； 所述輸入串聯(lián)變流器單元包括至少一個結(jié)構(gòu)相同的第一變流器子模塊，當(dāng)包括一個第一變流器子模塊時，該第一變流器子模塊的輸入端連接在高壓側(cè)的正極和負(fù)極之間；當(dāng)包括2個或2個以上時，所有第一變流器子模塊的輸入端順序正向串聯(lián)后連接在高壓側(cè)的正極和負(fù)極之間； 所述多繞組中低頻正弦波變壓器包括至少一個輸入繞組和一個輸出繞組，所述輸入繞組的數(shù)量與第一變流器子模塊的數(shù)量相同，且輸入繞組與第一變流器子模塊的輸出端一一對應(yīng)連接； 所述輸入并聯(lián)變流器單元包括至少一個結(jié)構(gòu)相同的第二變流器子模塊，所有第二變流器子模塊的輸入端均連接多繞組中低頻正弦波變壓器的輸出繞組；若包括2個或2個以上第二變流器子模塊時，所有第二變流器子模塊的輸出端采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的連接方式。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述多繞組中低頻正弦波變壓器采用多繞組中低頻正弦波單相變壓器或多繞組中低頻正弦波三相變壓器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述多繞組中低頻正弦波變壓器的輸出繞組采用一個線圈，或至少兩個相互并聯(lián)的線圈。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述第一、二變流器子模塊包括順序串聯(lián)的無源濾波模塊和功率變換模塊，其中，功率變換模塊采用兩電平全橋拓?fù)洹⒍嚯娖桨霕蛲負(fù)浠蚨嚯娖饺珮蛲負(fù)?，無源濾波模塊采用LC濾波電路或LCL濾波電路。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述多繞組中低頻正弦波變壓器采用多繞組中低頻正弦波單相變壓器，第一、二變流器子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩電平單相半橋LC濾波拓?fù)洹呻娖絾蜗喟霕騆CL濾波拓?fù)洹呻娖絾蜗嗳珮騆C濾波拓?fù)?、兩電平單相全橋LCL濾波拓?fù)?、三電平單相中點箝位半橋LC濾波拓?fù)?，三電平單相中點箝位半橋LCL濾波拓?fù)?、三電平單相飛跨電容半橋LC濾波拓?fù)浠蛉娖絾蜗囡w跨電容半橋LCL濾波拓?fù)洹?br> 6.如權(quán)利要求4所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述多繞組中低頻正弦波變壓器采用多繞組中低頻正弦波三相變壓器，第一、二變流器子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩電平三相全橋LC濾波拓?fù)?、兩電平三相全橋LCL濾波拓?fù)洹⑷娖饺嘀悬c箝位全橋LC濾波拓?fù)浠蛉娖饺嘀悬c箝位全橋LCL濾波拓?fù)洹?br> 7.如權(quán)利要求6所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述第一、二變流器子模塊中，無源濾波模塊中的電容器組采用Y型連接或Λ型連接。
8.如權(quán)利要求4所述的一種基于多繞組變壓器的高壓直流-直流變換裝置，其特征在于:所述第一、二變流器子模塊的結(jié)構(gòu)相同或不同。
【文檔編號】H02M1/12GK103427658SQ201310331695
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】方太勛, 石巍, 楊浩, 王宇, 楊兵, 呂瑋 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司, 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司