專利名稱：超導(dǎo)儲能用雙向多電平軟開關(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(dǎo)儲能用的直流變換器及其控制方法，特別涉及一種超導(dǎo)儲能技術(shù)雙向多電平軟開關(guān)DC/DC及其電流側(cè)移相控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著超導(dǎo)材料技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)材料在電力領(lǐng)域的運(yùn)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(dǎo)電力技術(shù)的研究。其中超導(dǎo)儲能技術(shù)由于能實(shí)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(dǎo)電力技術(shù)。超導(dǎo)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(dǎo)儲能系統(tǒng)的主流選擇。在電壓源型超導(dǎo)儲能裝置中，需要用DC/DC對超導(dǎo)磁體進(jìn)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(dǎo)儲能穩(wěn)定裝置”；要么采用一套裝置同時(shí)實(shí)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(dǎo)儲能電路”。這些專利雖然采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不一樣，但是都沒有解決兩個(gè)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(shí)現(xiàn)超導(dǎo)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(gè)直流端電壓接口，無法與先進(jìn)的多電平電壓源逆變器相連。

圖1為美國專利US004695932“超導(dǎo)儲能電路”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中10為用于超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對超導(dǎo)磁體的充放電，開關(guān)管的應(yīng)力大，損耗也大；同時(shí)，它只有一個(gè)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(gè)體積龐大，價(jià)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(gè)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(shí)現(xiàn)能量雙向流動的多電平DC/DC，它的電壓單元可以根據(jù)需要，通過增加變壓器原邊的繞組和H橋逆變器的數(shù)量，提高電壓等級，而它的電流單元可通過并聯(lián)的形式提高電流等級，同時(shí)電壓單元的電流等級也可以通過H橋逆變器直流輸出端并聯(lián)的形式來獲取，而電流單元的電壓等級也可以通過其直流輸出端的串聯(lián)來獲取。由于可以通過變壓器降低電流單元的電壓，加在超導(dǎo)磁體上的電壓相對較低，從而減少了電流側(cè)的紋波，減輕了對濾波電路的要求和超導(dǎo)磁體的交流損耗。同時(shí)，它還能實(shí)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，而電流側(cè)電流源換流器單元模塊的并聯(lián)，則進(jìn)一步提高了電流側(cè)的通流能力，從而有效地提高了超導(dǎo)磁體的儲能量。本發(fā)明還能通過變壓器鉗位，在外部輸入電流一致并且變壓器原邊等效串聯(lián)電阻一致的情況下，使得每個(gè)H橋逆變器直流端電容器上的電壓能自動保持一致，在外部輸入電流不同并且變壓器原邊等效串聯(lián)電阻存在一定誤差的情況下，其直流端電壓僅有微小的穩(wěn)態(tài)誤差，完全符合工程應(yīng)用的要求，解決了多電平DC/DC直流端電壓難以平衡的難題，并使得與之相連的多電平逆變器的直流端電壓也得到了平衡控制，使得超過五電平的多電平逆變器運(yùn)用于高壓系統(tǒng)成為可能，從而避免了采用多重化的電壓源逆變器與高壓系統(tǒng)相連，降低了系統(tǒng)的體積和成本。本發(fā)明不僅能運(yùn)用于超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，而且還能作為多電平逆變器的輔助電壓平衡裝置，用以解決多電平逆變器直流端電壓不平衡的問題。
本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。其中直流電壓端分離形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于連接級聯(lián)逆變器，而直流電壓端連接形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于連接二極管鉗位、電容器鉗位等形式的多電平逆變器。其中電壓單元為多個(gè)開關(guān)管并聯(lián)電容的H橋逆變器，H橋逆變器的每個(gè)開關(guān)管都并聯(lián)電容器。H橋逆變器的交流端接變壓器原邊繞組，H橋逆變器的直流端與電容器并聯(lián)。變壓器單元為一個(gè)在原邊和副邊都有多個(gè)繞組的變壓器，變壓器原副邊的繞組都在同一個(gè)磁芯上，原邊繞組的匝數(shù)相等，副邊繞組的匝數(shù)也相等；它可以為普通變壓器，也可以為副邊帶中間抽頭的變壓器。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，副邊為全波形式的電流源逆變器。電流源逆變器的直流端可根據(jù)需要進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)。為了提高功率密度，變壓器可用高頻變壓器。直流端分離形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，H橋逆變器直流端相互獨(dú)立，彼此沒有連接，而直流端連接形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中H橋逆變器直流端上下相互連接。
本發(fā)明的控制方法采用電壓單元的觸發(fā)脈沖不變，而在電流單元進(jìn)行移相控制的方法。根據(jù)電流單元的移相角，可以使變換器工作在充電和放電的狀態(tài)。調(diào)整電流單元的移相角，若使得電流單元直流端輸出電壓的平均值大于零，則處于充電狀態(tài)；小于零，則處于放電狀態(tài)。這種控制方法簡單易行，而且充放電轉(zhuǎn)換的速度快。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)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)明的三電平直流電壓端分離形式的拓?fù)浣Y(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H橋逆變器直流端電容器，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為超導(dǎo)磁體。
圖3為本發(fā)明的三電平直流電壓端連接形式的拓?fù)浣Y(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H橋逆變器直流端電容器，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為超導(dǎo)磁體。
圖4為本發(fā)明多電平直流電壓端分離形式的一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。其中C1-Cn為電容器，F(xiàn)B-1……FB-n為開關(guān)管并聯(lián)電容器的H橋逆變器，REC-1……REC-n為電流源逆變器。L1……Ln為均流電感，L為超導(dǎo)磁體。其中電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)。
圖5為本發(fā)明多電平直流電壓端連接形式的一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。其中C1-Cn為電容器，F(xiàn)B-1……FB-n為開關(guān)管并聯(lián)電容器的H橋逆變器，REC-1……REC-n為電流源逆變器。L1……Ln為均流電感，L為超導(dǎo)磁體。其中電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)。
圖6為本發(fā)明的實(shí)施例1。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。
圖7為本發(fā)明的實(shí)施例2。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。
圖8為本發(fā)明的實(shí)施例3。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，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(dǎo)磁體。
圖9為本發(fā)明的實(shí)施例4。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導(dǎo)磁體。
圖10為本發(fā)明的實(shí)施例5。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。
圖11為本發(fā)明的實(shí)施例6。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。
圖12為本發(fā)明的實(shí)施例7。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，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(dǎo)磁體。
圖13為本發(fā)明的實(shí)施例8。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導(dǎo)磁體。
圖14為一個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)序圖。
圖15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16為在開關(guān)時(shí)序圖中，[t0，t2]內(nèi)變壓器原邊的等效電路圖。
圖17為在開關(guān)時(shí)序圖中，[t2，t3]內(nèi)變壓器原邊的等效電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖2為本發(fā)明的三電平直流電壓端分離形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(gè)H橋逆變器組成。其中每個(gè)開關(guān)都有相應(yīng)的反并聯(lián)二極管，并與相應(yīng)的電容器并聯(lián)。在第一個(gè)H橋逆變器中，開關(guān)Q1、Q3組成一個(gè)橋臂，開關(guān)Q2、Q4組成一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的兩端相互連接并與電容器Cd1并聯(lián)。橋臂的兩個(gè)中點(diǎn)A1、B1與變壓器原邊的一個(gè)繞組相連。第二個(gè)H橋逆變器中，開關(guān)Q5、Q7組成一個(gè)橋臂，開關(guān)Q6、Q8組成一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的兩端相互連接并與電容器Cd2并聯(lián)，其橋臂的兩個(gè)中點(diǎn)A2、B2與變壓器原邊的另一個(gè)繞組相連。變壓器為副邊帶中間抽頭的變壓器，變壓器原邊兩個(gè)繞組的匝數(shù)相等。其電流單元為開關(guān)管T1、T2組成的電流源逆變器，開關(guān)管T1、T2的一端與變壓器的兩端相連，另一端相互連接，并與超導(dǎo)磁體L的一端相連。超導(dǎo)磁體L的另一端與變壓器的中間抽頭相連。
圖3為本發(fā)明的三電平直流電壓端連接形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖1幾乎完全相同，唯一不同之處在于其第一個(gè)H橋逆變器直流端電容Cd1的下端與第二個(gè)H橋逆變器直流端電容Cd2的上端相連。其它連接方式由于與圖1完全相同，所以這里不再贅述。
圖4為本發(fā)明多電平直流電壓端分離形式的一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。它由電壓單元，變壓器單元和電流單元3部分組成。電壓單元由多個(gè)H橋逆變器組成；變壓器單元為一個(gè)在原邊和副邊都有多個(gè)繞組的變壓器，變壓器原副邊的繞組都在同一個(gè)磁芯上，原邊繞組的匝數(shù)相等，副邊繞組的匝數(shù)也相等；電流單元由多個(gè)電流源逆變器組成。其中C1……Cn為電容器，F(xiàn)B-1……FB-n為開關(guān)管并聯(lián)電容器的H橋逆變器，每個(gè)H橋逆變器的中點(diǎn)都與變壓器原邊的一個(gè)繞組相連；REC-1……REC-n為電流源逆變器，其交流電流端與變壓器副邊的繞組相連；L1……Ln為均流電感，它們的一端與電流源逆變器REC-1……REC-n的直流輸出端的一端相連，另一端與超導(dǎo)磁體L的一端相連。超導(dǎo)磁體L的另一端與電流源逆變器REC-1……REC-n直流輸出端的另一端相連。電流源逆變器REC-1……REC-n直流輸出端的另一端相互連接。在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)。
圖5為本發(fā)明多電平直流電壓端連接形式的一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖4幾乎完全相同，所不同的是，開關(guān)管并聯(lián)電容器的H橋逆變器FB-1……FB-n中，每個(gè)H橋逆變器直流端電容C1-Cn的上端與上一個(gè)H橋逆變器直流端電容下端相連，每個(gè)H橋逆變器直流端電容C1-Cn的下端與下一個(gè)H橋逆變器直流端電容的上端相連。頭尾兩個(gè)H橋逆變器直流端電容C1的上端和Cn的下端不連接。在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)。
圖6為本發(fā)明的實(shí)施例1。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。其連接方式與圖2完全相同，所不同的是它用實(shí)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7為本發(fā)明的實(shí)施例2。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。它的電壓單元連接方式與圖6完全相同，這里不再贅述。它的變壓器副邊不帶中間抽頭。電流單元為T1-T4組成的電流源逆變器，T1和T3構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，T2和T4構(gòu)成其中另一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端相互連接并與超導(dǎo)磁體兩端并聯(lián)，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)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8為本發(fā)明的實(shí)施例3。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，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(dǎo)磁體。其連接方式與附圖6幾乎完全相同，唯一不同之處在于，它用IGBT與二極管相互連接作為一個(gè)整體，來代替附圖6中的一個(gè)晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
圖9為本發(fā)明的實(shí)施例4。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導(dǎo)磁體。其連接方式與附圖7幾乎完全相同，唯一不同之處在于，它用IGBT與二極管相互連接作為一個(gè)整體，來代替附圖7中的一個(gè)晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
圖10、圖11、圖12、圖13分別與圖6、7、8、9的連接方式幾乎完全相同。唯一不同之處在于它們的第一個(gè)H橋逆變器直流端電容的下端與第二個(gè)H橋逆變器直流端電容的上端相連。
本發(fā)明的具體工作原理和過程如下整個(gè)變換器在一個(gè)開關(guān)周期共有6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]，其三電平形式的開關(guān)時(shí)序圖如圖14所示。其中[t0，t3]為前半周期，[t3，t6]為后半周期。下面結(jié)合附圖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(xì)描述其工作過程，其中UA1B1為第一個(gè)H橋逆變器交流端輸出電壓，UA2B2為第二H橋逆變器交流端輸出電壓。Us為變壓器副邊輸出電壓。IP1為第一個(gè)H橋逆變器交流端輸出電流，IP2為第二個(gè)H橋逆變器交流端輸出電流。Uo為可控整流橋輸出電壓。變壓器的變比為K。Itr1為流過第一個(gè)晶閘管的電流，Itr2為流過第二個(gè)晶閘管的電流。
開關(guān)模態(tài)1(對應(yīng)于[t0，t1])。t0時(shí)刻之前，UA1B1、UA1B2為正，IP1、IP2為正，T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷，加載超導(dǎo)磁體兩端的電壓與電流的方向相同，超導(dǎo)磁體上的電流增加。原邊電流IP1的流向?yàn)镼1-A1-B1-Q4，原邊電流IP2的流向?yàn)镼5-A2-B2-Q8。t0時(shí)刻Q1、Q4和Q5、Q8關(guān)斷，由于有并接電容器，所以是零電壓關(guān)斷。原邊電流IP1給C1、C4充電，C2、C3放電。充放電過程結(jié)束后，C2、C3上的電壓為零，原邊電流IP1從C2、C3的反并聯(lián)二極管D2、D3流過。同理，原邊電流IP2給C5、C8充電，C6、C7放電。充放電過程結(jié)束后，C6、C7上的電壓為零，原邊電流IP2從C6、C7的反并聯(lián)二極管D6、D7流過。此時(shí)，可控整流電路的輸出電壓Uo為負(fù)，超導(dǎo)磁體上的電流減少。原邊電流IP1的流向?yàn)镈3-A1-B1-D2，原邊電流IP2的流向?yàn)镈7-A2-B2-D6。
開關(guān)模態(tài)2(對應(yīng)于[t1，t2])。t1時(shí)刻，Q2、Q3和Q6、Q7開通，由于其對應(yīng)電容上的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流和副邊電流的流向均不變，工作的狀態(tài)與開關(guān)模態(tài)1的末期相同。
開關(guān)模態(tài)3(對應(yīng)于[t2，t3])。t2時(shí)刻，給T2施加觸發(fā)脈沖，由于T2兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T2開通，由于變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實(shí)現(xiàn)了零電流開通。而此時(shí)，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。T1關(guān)斷后，可控整流電路的輸出電壓Uo正向超導(dǎo)磁體上，超導(dǎo)磁體上的電流增加。此時(shí)原邊電流IP1的流向?yàn)镼2-B1-A1-Q3，原邊電流IP1的流向?yàn)镼6-B2-A2-Q7。
以上為上半周期的開關(guān)過程，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。
從上述開關(guān)過程來看，這種變換器完全實(shí)現(xiàn)了電壓單元的零電壓開關(guān)和電流單元的零電流開關(guān)，具有很高的工作效率。
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，兩者脈沖對比如附圖15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(shí)刻，給T1觸發(fā)脈沖，此時(shí)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(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。對于全控型開關(guān)，t0時(shí)刻，給S1觸發(fā)脈沖，此時(shí)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(dāng)S2減小到零后，t1時(shí)刻，關(guān)斷S2，從而實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
下面對于三電平形式變換器(n＝2)的變壓器鉗位原理進(jìn)行說明，擴(kuò)展電路(n＞2)的工作原理于它基本相同。所謂變壓器鉗位，是變壓器原邊繞組NP1、NP2繞在同一磁芯上，如果NP1、NP2的匝數(shù)相同，那么繞組NP1、NP2的兩端電壓時(shí)刻保持相同。同理，如果副邊同樣有多個(gè)繞組，只要繞組匝數(shù)相同，其兩端的電壓也相同。
設(shè)半個(gè)開關(guān)周期為T。半個(gè)開關(guān)周期可分為三個(gè)階段，一是變壓器副邊向原邊傳遞能量，超導(dǎo)磁體放電，二是變壓器原邊向副邊傳遞能量，超導(dǎo)磁體充電，三是變換器的開關(guān)管的開關(guān)過程，其中第三個(gè)階段的時(shí)間很短，可以忽略。設(shè)第一個(gè)階段對應(yīng)的時(shí)間為T1，對應(yīng)附圖14中的[t0，t2]，即T1＝t2-t0，其等效電路圖如圖16所示，其中r1為第一個(gè)H橋開關(guān)管、導(dǎo)線、變壓器原邊繞組NP1的總電阻，其中r2為第二個(gè)H橋開關(guān)管、導(dǎo)線、變壓器原邊繞組NP2的總電阻，Ep11，Ep12為變壓器原邊的端電壓，ip11、ip12為變壓器原邊的電流，i1為外部電路注入第一個(gè)H橋逆變器直流端的電流，i2為外部電路注入第二個(gè)H橋逆變器直流端的電流，變壓器的漏感很小，可以忽略。另設(shè)此階段變壓器副邊的端電壓為Es11，Es12，變壓器副邊的電流為is11，is12；第二個(gè)階段對應(yīng)的時(shí)間為T2，對應(yīng)附圖14中的[t2，t3]，即T2＝t3-t2，其等效電路圖如圖17所示，其中Ep21、Ep22為這一階段變壓器原邊的端電壓，ip21、ip22為變壓器原邊的電流。另設(shè)此階段變壓器副邊的端電壓為Es21，Es22，變壓器副邊的電流為is21，is22。令d=T1T,]]>則T2T=1-d.]]>兩個(gè)直流端電壓之和為2U，設(shè)在外部擾動下，第一個(gè)直流端輸出電壓為U+ΔU，第二個(gè)直流端輸出電壓為U-ΔU，變壓器副邊的匝數(shù)為Ns1、Ns2，原副邊匝比為K。
根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣捎蠩p11=Np1dΦ1dt,EP12=Np2dΦ1dt]]>Es11=Ns1dΦ1dt,Es12=Ns2dΦ1dt]]>令Np1＝Np2＝Np，Ns1＝Ns2＝Ns(1)有Ep1＝Ep11＝Ep12＝KEs11＝KEs12＝KEs1同理有Ep2＝Ep21＝Ep22＝KEs21＝KEs22＝KEs2由能量守恒定理可知Np1dΦ1dt*ip11+Np2dΦ1dt*ip12=Ns1dΦ1dt*is11+Ns2dΦ1dt*is12]]>代入(1)得Np*(ip11+ip12)＝Ns*(is11+is12)＝Ns*I0(其中I0為超導(dǎo)磁體中的電流)從而有ip11+ip12=I0K---(2)]]>同理有ip21+ip22=-I0K---(3)]]>(以附圖11中所示的流向?yàn)閰⒖挤较?由圖11、12可知ip11=Ep1-(U+ΔU)r1,ip21=Ep2-(U+ΔU)r1,---(4)]]>ip12=Ep1-(U-ΔU)r2,ip22=Ep2-(U-ΔU)r2,---(5)]]>
設(shè)ip1、ip2為上下兩個(gè)變壓器輸出端的平均電流，則ip1=Ep1-(U+ΔU)r1T1+Ep2-(U+ΔU)r1T2T]]>=Ep1-(U+ΔU)r1d+Ep2-(U+ΔU)r1(1-d)---(6)]]>同理可得ip2=Ep1-(U-ΔU)r2d+Ep2-(U-ΔU)r2(1-d)---(7)]]>Δip=ip1-ip2]]>=[Ep1-(U+ΔU)]r2-[Ep1-(U-ΔU)]r1r1r2d]]>+[Ep2-(U+ΔU)]r2-[Ep2-(U-ΔU)]r1r1r2(1-d)]]>令r1＝R，r2＝R+ΔR， (8)代入上式Δip=[Ep1-(U+ΔU)](R+ΔR)-[Ep1-(U-ΔU)]RR(R+ΔR)d]]>+[Ep2-(U+ΔU)](R+ΔR)-[Ep2-(U-ΔU)]RR(R+ΔR)(1-d)]]>Δip=[-2ΔUR-(U+ΔU-Ep1)ΔR]d+[-2ΔUR-(U+ΔU-Ep2)ΔR](1-d)R(R+ΔR)]]>=-2ΔUR-ΔR(Ud+ΔUd-Ep1d+U+ΔU-Ep2-Ud-ΔUd+Ep2d)R(R+ΔR)]]>=-2ΔUR-ΔR[(Ep2-Ep1)d+U-Ep2]-ΔRΔUR(R+ΔR)]]>忽略高階小項(xiàng)ΔRΔU，則上式可簡化為Δip=-2ΔUR-ΔR[(Ep2-Ep1)d+U-Ep2]R(R+ΔR)---(9)]]>(2)+(3)可得(ip11+ip12)+(ip21+ip22)＝0代入(4)和(5)可得-2(U+ΔU)+(Ep1+Ep2)r1+-2(U-ΔU)+(Ep1+Ep2)r2=0]]>
代入(8)得[-2(U+ΔU)+(Ep1+Ep2)](R+ΔR)+[-2(U-ΔU)+(Ep1+Ep2)]RR(R+ΔR)=0]]>[4U-2(Ep1+Ep2)]R+[2(U+ΔU)-(Ep1+Ep2)]ΔR＝0[4U-2(Ep1+Ep2)]R+[2U-(Ep1+Ep2)]ΔR+2ΔUΔR＝0忽略高階小項(xiàng)ΔRΔU，化簡得[2U-(Ep1+Ep2)](2R+ΔR)＝0因?yàn)?2R+ΔR)＞0，所以2U-(Ep1+Ep2)＝0U=Ep1+Ep22---(10)]]>(2)-(3)可得[Ep1-(U+ΔU)]r2+[Ep1-(U-ΔU)]r1r1r2]]>-[Ep2-(U+ΔU)]r2+[Ep2-(U-ΔU)]r1r1r2=2I0K]]>(Ep1-Ep2)(r1+r2)r1r2=2I0K]]>Ep1-Ep2=2I0K*r1r2(r1+r2)]]>將(10)和(11)代入(9)Δip=-2ΔUR-ΔR[(Ep2-Ep1)d+U-Ep2]R(R+ΔR)]]>=-2ΔUR-ΔR[(Ep2-Ep1)d+12(Ep1-Ep2)]R(R+ΔR)]]>=-2ΔUR-ΔR(12-d)(Ep1-Ep2)R(R+ΔR)]]>Δip=-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)R(R+ΔR)---(12)]]>設(shè)流入Cd1、Cd2的電流為iCd1、iCd2，則
iCd1＝i1+ip1，iCd2＝i2+ip2，兩者之間的差值為ΔiCd＝i1+ip1-(i2+ip2)＝Δi+ΔipΔiCd=i1-i2+-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)R(R+ΔR)---(13)]]>若ΔiCd＞0則代表流入Cd1的電流大于流入Cd2的電流，Cd1上的電壓相對于Cd2增加；若ΔiCd＜0則代表流入Cd1的電流小于流入Cd2的電流，Cd1上的電壓相對于Cd2減小。
若i1＝i2，即外部電路流入電壓單元兩個(gè)直流端的電壓相等，這種情況見于采用級聯(lián)逆變器或者采用其他形式的多電平逆變器且其零序分量等于零的情況；且ΔR＝0，即每個(gè)H橋開關(guān)管、導(dǎo)線、變壓器原邊繞組的總電阻完全相等，則ΔiCd=-2ΔUR]]>若ΔU＞0，即上側(cè)直流端的電壓大于下側(cè)，則ΔiCd＜0，由于R很小，ΔiCd很大，上側(cè)直流端的電壓相對于下側(cè)迅速減少直至ΔU＝0。設(shè)ΔU＝1V，R＝0.01Ω，則ΔiCd＝-200A，可見，一個(gè)微小的電壓變化都能引起流入電容電流差值的巨大變化，使得直流端電壓迅速恢復(fù)平衡。同理，若ΔU＜0，即上側(cè)直流端的電壓小于下側(cè)，則ΔiCd＞0，上側(cè)直流端的電壓相對于下側(cè)迅速增加直至ΔU＝0。
若ΔR≠0，即H橋開關(guān)管、導(dǎo)線、變壓器原邊繞組的總電阻存在一定的差異，而i1＝i2仍成立，則ΔiCd=-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)R(R+ΔR).]]>若處于涓流模態(tài)，即處于備用的模式，系統(tǒng)向電流單元注入的能量僅用于補(bǔ)償電流單元開關(guān)管、引線電阻等的損耗，則d≈12]]>ΔiCd≈-2ΔU(R+ΔR),]]>其工作狀況與ΔR＝0時(shí)基本相同。若d≠12,]]>即系統(tǒng)處于充放電狀態(tài)，假設(shè)直流端出現(xiàn)擾動，使得ΔiCd≠0，系統(tǒng)經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)后ΔiCd＝0，即-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)R(R+ΔR)=0]]>-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)=0]]>ΔU=ΔR(d-12)I0K*r1r2(r1+r2)R]]>
因?yàn)閐-12|≤12]]>所以ΔU|≤ΔRI0K*r1r2(r1+r2)2R]]>ΔU|≤ΔRI0K*R(R+ΔR)(2R+ΔR)2R]]>ΔU|≤ΔRI0(1+ΔRR)2K(2+ΔRR)---(14)]]>設(shè)R＝0.01Ω，ΔRR=10%,]]>K＝2，I0＝1000A|ΔU|≤0.131V可見，雖然ΔR≠0時(shí)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，但是，由于R很小，穩(wěn)態(tài)誤差的絕對值也很小，可以控制在可接受的范圍內(nèi)。
若i1≠i2，即Δi≠0，而ΔR＝0，則ΔiCd=i1-i2+-2ΔUR,]]>系統(tǒng)仍然能對直流端電壓的擾動作動態(tài)的反應(yīng)，假設(shè)直流端出現(xiàn)擾動，使得ΔiCd≠0，系統(tǒng)經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)后ΔiCd＝0，即i1-i2+-2ΔUR=0]]>Δi+-2ΔUR=0]]>ΔU=RΔi2---(15)]]>設(shè)R＝0.01Ω，Δi＝100A則ΔU＝0.5V可見，即使輸入電流的差距很大，直流端穩(wěn)態(tài)電壓依然很小。
若Δi≠0，且ΔR≠0，則ΔiCd=Δi+-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)R(R+ΔR)]]>，系統(tǒng)仍然能對直流端電壓的擾動作動態(tài)的反應(yīng)，假設(shè)直流端出現(xiàn)擾動，使得ΔiCd≠0，系統(tǒng)經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)后ΔiCd＝0，即
Δi+-2ΔUR-ΔR(12-d)2I0K*r1r2(r1+r2)R(R+ΔR)=0]]>ΔU=(R+ΔR)Δi2+ΔR(d-12)I0K*r1r2(r1+r2)R]]>因?yàn)閐-12|≤12]]>所以ΔU|≤ΔRI0(1+ΔRR)2K(2+ΔRR)+(R+ΔR)|Δi|2]]>設(shè)R＝0.01Ω，ΔRR=10%,]]>K＝2，I0＝1000A，Δi＝100A|ΔU|≤0.131+0.55＝0.681V可見，即使ΔR≠0，并且輸入電流存在較大的差距，其穩(wěn)態(tài)誤差仍然很小，完全符合工程運(yùn)用的需要。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)儲能用雙向多電平軟開關(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；其中電壓單元由多個(gè)H橋逆變器組成，H橋逆變器的每個(gè)開關(guān)管都并聯(lián)電容器，H橋逆變器的直流端并接電容器，電容器的兩端提供與外部電路的接口；H橋逆變器的交流端接在變壓器原邊的一個(gè)繞組上；變壓器單元為一個(gè)在原邊和副邊都有多個(gè)繞組的變壓器，變壓器原副邊的繞組都在同一個(gè)磁芯上，原邊繞組的匝數(shù)相等，副邊繞組的匝數(shù)也相等；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，副邊為全波形式的電流源逆變器；電流源逆變器的直流端可根據(jù)需要進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)；電壓單元也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)。
2.按照權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲能用雙向多電平軟開關(guān)DC/DC，其特征在于有直流電壓端分離和連接兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式三電平直流電壓端分離的，其電壓單元由兩個(gè)H橋逆變器組成，其中每個(gè)開關(guān)都有相應(yīng)的反并聯(lián)二極管，并與相應(yīng)的電容器并聯(lián)；在第一個(gè)H橋逆變器中，開關(guān)[Q1]、[Q3]組成一個(gè)橋臂，開關(guān)[Q2]、[Q4]組成另一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的兩端相互連接并與電容器[Cd1]并聯(lián)；橋臂的兩個(gè)中點(diǎn)[A1]、[B1]與變壓器原邊的一個(gè)繞組相連；第二個(gè)H橋逆變器中開關(guān)[Q5]、[Q7]組成一個(gè)橋臂，開關(guān)[Q6]、[Q8]組成另一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的兩端相互連接并與電容器[Cd2]并聯(lián)，橋臂的兩個(gè)中點(diǎn)[A2]、[B2]與變壓器原邊的另一個(gè)繞組相連；變壓器為副邊帶中間抽頭的變壓器；電流單元為開關(guān)管[T1]、[T2]組成的電流源逆變器，開關(guān)管[T1]、[T2]的一端與變壓器的兩端相連，另一端相互連接，并與超導(dǎo)磁體的一端相連；超導(dǎo)磁體的另一端與變壓器的中間抽頭相連；三電平直流電壓端連接的，其第一個(gè)H橋逆變器直流端電容的下端與第二個(gè)H橋逆變器直流端電容的上端相連；多電平直流電壓端分離的，開關(guān)管并聯(lián)電容器的H橋逆變器[FB-1……FB-n]的每個(gè)H橋逆變器的中點(diǎn)都與與變壓器原邊的一個(gè)繞組相連；電流源逆變器[REC-1……REC-n]的交流電流端與變壓器副邊的繞組相連；均流電感[L1……Ln]的一端與電流源逆變器[REC-1……REC-n]的直流輸出端的一端相連，另一端與超導(dǎo)磁體的一端相連，超導(dǎo)磁體的另一端與電流源逆變器直流輸出端的另一端相連；電流源逆變器[REC-1……REC-n]直流輸出端的另一端相互連接；之前描述中，電流單元采用并聯(lián)的形式，它也可采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式，電壓單元也可采用幾個(gè)H橋逆變器為一組，在直流端進(jìn)行并聯(lián)；多電平直流電壓端連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)H橋逆變器直流端電容的上端與上一個(gè)H橋逆變器直流端電容下端相連，每個(gè)H橋逆變器直流端電容的下端與下一個(gè)H橋逆變器直流端電容的上端相連；頭尾兩個(gè)H橋逆變器直流端電容[C1]的上端與[Cn]的下端不連接。
3.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲能用雙向多電平軟開關(guān)DC/DC電流側(cè)移相控制方法，其特征在于采用電流單元移相控制的方式，通過調(diào)整電流單元的移相角，若使得電流單元直流端輸出電壓的平均值大于零，則處于充電狀態(tài)；小于零，則處于放電狀態(tài)。
全文摘要
一種超導(dǎo)儲能用雙向多電平軟開關(guān)DC/DC，由電壓單元、變壓器單元和電流單元組成。電壓單元可根據(jù)需要，通過增加變壓器原邊的繞組和H橋逆變器的數(shù)量，提高電壓等級，電流單元可通過并聯(lián)的形式提高電流等級，電壓單元的電流等級也可通過H橋逆變器直流輸出端并聯(lián)的形式獲取，電流單元的電壓等級亦可通過其直流輸出端的串聯(lián)獲取。由于電流單元可采用并聯(lián)形式，并通過變壓器進(jìn)一步降低電流單元的電壓，加在超導(dǎo)磁體上的電壓相對較低，從而減少了電流側(cè)的紋波，減輕了對濾波電路的要求和超導(dǎo)磁體的交流損耗，同時(shí)還能實(shí)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)。本發(fā)明采用電流單元移相控制，充放電轉(zhuǎn)化速度快。
文檔編號H02M3/335GK1866669SQ20061001191
公開日2006年11月22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(xué)斌 申請人:中國科學(xué)院電工研究所