一種新型無(wú)母線四端口雙極dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，包括由變換器單元組依次連接形成的環(huán)形架構(gòu)；變換器單元組包括兩個(gè)相連的變換器單元，變換器單元組的數(shù)據(jù)為四；變換器單元的電力電子器件支路包括兩個(gè)同向連接的電力電子器件，電力電子器件支路的數(shù)目為二；電力電子器件的連接點(diǎn)之間通過(guò)電抗器相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，具備功率雙向流動(dòng)能力，適用于所接直流系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況，降低了功率轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)，提升變換器功率變換的效率。
【專利說(shuō)明】-種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種DC-DC變換器，具體涉及一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 直流供電系統(tǒng)中的直流配電將整流輸出的直流和蓄電池組輸出的直流匯接成不 間斷的直流輸出母線，再分接為各種容量的負(fù)載供電支路，傳入相應(yīng)熔斷器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)后 向負(fù)載供電。
[0003] 與傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)比，直流配電網(wǎng)具有下述優(yōu)點(diǎn)：
[0004] ①：減小電能變換中的交流環(huán)節(jié)，在減少系統(tǒng)元件數(shù)的同時(shí)，降低了變流器損耗； 不存在渦流損耗和無(wú)功功率，降低線路損耗；
[0005] ②：便于分布式電源與負(fù)載連接；
[0006] ③：提高電能質(zhì)量與供電可靠性；
[0007] ④：提供更為經(jīng)濟(jì)的照明選擇。
[0008] 現(xiàn)有直流配電網(wǎng)包括兩線制、三線制（雙極）和五線制；其中雙極系統(tǒng)由于具備單 極運(yùn)行能力，降低線路耐壓，便于負(fù)載接入電壓選擇等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。將多個(gè)雙極直 流系統(tǒng)互聯(lián)將有助于降低系統(tǒng)中總儲(chǔ)能裝置容量、提高供電可靠性；因此需要提供一種具 有多端的雙極直流變換器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供了一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換 器，所述變換器包括由變換器單元組依次連接形成的環(huán)形架構(gòu)；所述變換器單元組包括兩 個(gè)相連的變換器單元；所述變換器單元組的數(shù)目為四；
[0010] 所述變換器單元的電力電子器件支路包括兩個(gè)同向連接的電力電子器件，所述電 力電子器件支路的數(shù)目為二；所述電力電子器件的連接點(diǎn)之間通過(guò)電抗器相連。
[0011] 優(yōu)選的，所述變換器單元組的變換器單元連接點(diǎn)接地；
[0012] 優(yōu)選的，所述變換器單元組內(nèi)，一個(gè)變換器單元的通過(guò)發(fā)射極與電抗器兩端連接 的電力電子器件分別與另一個(gè)變換器單元的通過(guò)集電極與電抗器兩端連接的電力電子器 件相連；
[0013] 優(yōu)選的，所述變換器單元組的端口包括兩個(gè)電力電子器件集電極端口和兩個(gè)電力 電子器件發(fā)射極端口；
[0014] 優(yōu)選的，所述變換器單元組通過(guò)所述電力電子器件集電極端口分別與相鄰的所述 變換器單元組的一個(gè)電力電子器件集電極端口相連；所述變換器單元組通過(guò)所述電力電子 器件發(fā)射極端口與相鄰的所述變換器單元組的一個(gè)電力電子器件發(fā)射極端口相連；
[0015] 優(yōu)選的，相鄰的所述變換器單元組之間，所述電力電子器件集電極端口的連接點(diǎn) 與變換器單元的連接點(diǎn)之間并聯(lián)穩(wěn)壓電容，所述電力電子器件發(fā)射極端口的連接點(diǎn)與所述 變換器單元的連接點(diǎn)之間并聯(lián)穩(wěn)壓電容；
[0016] 優(yōu)選的，所述變換器的端口的兩端分別與兩個(gè)相鄰的所述變換器單元組的電力電 子器件集電極端口的連接點(diǎn)和電力電子器件發(fā)射極端口的連接點(diǎn)相連；
[0017] 優(yōu)選的，所述變換器的兩個(gè)相鄰端口之間通過(guò)一級(jí)變換器單元組連接；所述變換 器的兩個(gè)不相鄰端口之間通過(guò)兩級(jí)變換器單元組連接。
[0018] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果是：
[0019] 1、本發(fā)明技術(shù)方案中，變換器單元能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)流保護(hù)，從而使得變換器的任意一 個(gè)或多個(gè)端口發(fā)生外部短路故障時(shí)，對(duì)故障端口的切除，而保證其它端口的正常運(yùn)行；
[0020] 2、本發(fā)明技術(shù)方案中，變換器單元的工作模式包括雙向Buck模式、雙向Boost模 式和雙向Buck-Boost模式，從而利于變換器接入不同電壓等級(jí)時(shí)靈活調(diào)整接入的端口，以 及通過(guò)調(diào)制電力電子器件的導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)調(diào)整變換器的工作模式；該四端雙極變換器具 備寬輸入電壓范圍的特性；
[0021] 3、本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，具備功率雙向流動(dòng)能 力，能夠同時(shí)適用于所接直流系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況；
[0022] 4、本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，不存在公共母線，從 而避免了母線側(cè)故障導(dǎo)致變換器的停運(yùn)，提升了變換器的整體可靠性；
[0023] 5、本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，采用非隔離型結(jié)構(gòu)可 以降低變換器體積與重量；
[0024] 6、本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，夠降低功率轉(zhuǎn)換級(jí) 數(shù)，提升變換器功率變換的效率；
[0025] 7、本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，采用相同變換電路單 元，便于模塊化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027] 圖1是：本發(fā)明實(shí)施例中變換器單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖2是：本發(fā)明實(shí)施例中變換器單元組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖3是：本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0031] 現(xiàn)有技術(shù)中的變換器往往具有如下缺陷：
[0032] ①：通過(guò)支撐電容構(gòu)成雙極系統(tǒng)，然而對(duì)應(yīng)的變換器不具備單極運(yùn)行能力；
[0033] ②：變換器的任意兩個(gè)端口之間需要兩級(jí)變換，降低變換效率；
[0034] ③：采用交流母線上的中頻斷路器切斷內(nèi)部故障，在增加變換器控制的復(fù)雜度的 同時(shí)特制的硬件部分也使得變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；
[0035] ④：當(dāng)母線側(cè)發(fā)生故障時(shí)，所有變換器均需停止運(yùn)行，導(dǎo)致變換器系統(tǒng)不能正常工 作；
[0036] ⑤：變換器最大升壓比受單個(gè)斬波單元升壓比所限，變換器接入電壓范圍有限。
[0037] 為克服上述缺陷本發(fā)明提供的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器采用由 四個(gè)變換器單元組依次連接形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)變換器單元組包括兩個(gè)變換器單元；
[0038] (1)如圖1所示，本實(shí)施例中變換器單元的一條電力電子器件支路包括同向連接 的電力電子器件S U1和S&，另一條電力電子器件支路包括同向連接的電力電子器件Su3和 Su4 ;電力電子器件Sul、S&的連接點(diǎn)和電力電子器件Su3、Su4的連接點(diǎn)之間通過(guò)電抗器L連 接。
[0039] (2)①：變換器單元組的內(nèi)部連接關(guān)系：
[0040] 如圖2所示，本實(shí)施例中變換器單元組內(nèi)，變換器單元1中通過(guò)集電極與電抗器L 連接的電力電子器件su2和Su4分別與變換器單元2中通過(guò)發(fā)射極與電抗器L'連接的電力 電子器件S u5和Su7相連；變換器單元1和變換器單元2的連接點(diǎn)接地，即電力電子器件Su2 和Su5的連接點(diǎn)接地，電力電子器件Su4和Su7的連接地接地。
[0041] ②：變換器單元組的端口結(jié)構(gòu)：
[0042] 圖2所示變換器單元組的四個(gè)端口分別為電力電子器件SU1和Su3的集電極端口， 電力電子器件s u6和Su8的發(fā)射極端口，上述端口為變換器單元組之間的連接端口；如圖3所 示通過(guò)變換器單元組1、變換器單元組2、變換器單元組3和變換器單元組4依次連接形成 的環(huán)形四端口 DC-DC變換器；
[0043] ③：變換器單元組之間的連接關(guān)系：
[0044] a、變換器單元組1和變換器單元組2的連接方式為：變換器單元組1的電力電子 器件S1311發(fā)射極端口與變換器單元組2的電力電子器件S 1411發(fā)射極端口相連，變換器單 元組1的電力電子器件S13 21集電極端口與變換器單元組2的電力電子器件S14 21集電極端 口相連；
[0045] 變換器單元組1和變換器單元組4的連接方式為：變換器單元組1的電力電子器 件S13 23發(fā)射極端口與變換器單元組2的電力電子器件S23 23發(fā)射極端口相連，變換器單元 組1的電力電子器件S13 13集電極端口與變換器單元組2的電力電子器件S23 13集電極端口 相連；
[0046] 變換器單元組1、變換器單元組2、變換器單元組3和變換器單元組4的其他具體 連接關(guān)系如圖3所示。
[0047] b、相鄰的兩個(gè)變換器單元組之間，電力電子器件集電極端口的連接點(diǎn)與變換器單 元的連接點(diǎn)之間并聯(lián)穩(wěn)壓電容，電力電子器件發(fā)射極端口的連接點(diǎn)與變換器單元的連接點(diǎn) 之間并聯(lián)穩(wěn)壓電容；即如圖3所示，變換器單元組1與變換器單元組2連接時(shí)，電力電子器 件S 13 n和S14 n的連接點(diǎn)與變換器單元接地點(diǎn)之間并聯(lián)穩(wěn)壓電容Portl_P，電力電子器件 S13_21和S14 21的連接點(diǎn)與變換器單元接地點(diǎn)之間并聯(lián)穩(wěn)壓電容Portl_N ;
[0048] 變換器單元組1、變換器單元組2、變換器單元組3和變換器單元組4的其他具體 連接關(guān)系如圖3所示。
[0049] (3)本實(shí)施例中變換器的四端口包括：
[0050] 每個(gè)端口的兩端分別與相鄰的兩個(gè)變換器單元組的電力電子器件集電極端口 的連接點(diǎn)和電力電子器件發(fā)射極端口的連接點(diǎn)相連；如圖3所示，變換器Portl端口的 Portl_P與電力電子器件S13 n和S14 n的連接點(diǎn)相連，Portl_N與電力電子器件S13 21和S14 2ι 的連接點(diǎn)相連；
[0051] 變換器P〇rt2端口的Port2_P與電力電子器件S23 n和S24 n的連接點(diǎn)相連，Port2_ N與電力電子器件S23 21和S24 21的連接點(diǎn)相連；
[0052] 變換器Port3端口的Port3_P與電力電子器件S13 13和S23 13的連接點(diǎn)相連，Port3_ N與電力電子器件S13 23和S23 23的連接點(diǎn)相連；
[0053] 變換器Port4端口的Port4_P與電力電子器件S14 23和S24 23的連接點(diǎn)相連，Port4_ N與電力電子器件S14 13和S24 13的連接點(diǎn)相連。
[0054] 任意相鄰的兩個(gè)端口之間均通過(guò)一級(jí)變換器單元組連接，任意兩個(gè)不相鄰的端口 之間通過(guò)兩級(jí)變換器單元組連接，如圖3所示，端口 Portl與端口 Port3通過(guò)變換器單元組 1連接，端口 Portl與端口 Port4通過(guò)變換器單元組2連接，端口 Portl與端口 Port2依次 通過(guò)變換器單元組1和4連接，端口 Portl與端口 Port2同樣也可以依次通過(guò)變換器單元 組2和3連接。
[0055] (4)本實(shí)施例中變換器的工作過(guò)程為：
[0056] ①：變換器單元的電力電子器件的調(diào)制策略為：
[0057] 如圖1所示，當(dāng)仏側(cè)電壓高于隊(duì)側(cè)電壓時(shí)，電力電子器件Su3導(dǎo)通，電力電子器件 Su4關(guān)斷，電力電子器件Sul和Su2互補(bǔ)導(dǎo)通，此時(shí)變換器單元工作在雙向Buck模式；
[0058] 當(dāng)U2側(cè)電壓高于仏側(cè)電壓時(shí)，電力電子器件Sul導(dǎo)通，電力電子器件S&關(guān)斷，電力 電子器件s u3和Su4互補(bǔ)導(dǎo)通，此時(shí)變換器單元工作在雙向Boost模式；
[0059] 當(dāng)U2側(cè)電壓與仏側(cè)電壓接近時(shí)，電力電子器件互補(bǔ)導(dǎo)通，其中電力電子器件S U1和 Su4同時(shí)導(dǎo)通，電力電子器件Su2和Su3同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)變換器工作在雙向Buck-Boost模式。
[0060] 當(dāng)Ui側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電抗器L中的電流不能突變，因此能夠保證電力電 子器件S U1不會(huì)過(guò)流損壞，通過(guò)閉鎖電力電子器件SU1切除短路故障；同時(shí)電力電子器件su2 導(dǎo)通，為電抗器電流提供通路以降低穩(wěn)壓電容上電壓過(guò)沖；當(dāng)u2側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，通過(guò)閉 鎖電力電子器件s u3切除短路故障；同時(shí)電力電子器件su4導(dǎo)通，為電抗器電流提供通路以 降低穩(wěn)壓電容上電壓過(guò)沖。
[0061] ②：如圖2所示變換器單元組實(shí)現(xiàn)變換器單元的雙極輸入輸出；
[0062] ③：變換器的電力電子器件的調(diào)制策略為：
[0063] a、當(dāng)端口 Portl與端口 Port2作為穩(wěn)壓端，相應(yīng)端口 Port3與端口 Port4作為被 穩(wěn)壓端。一般采用下垂控制法、主從控制法、平均電流法、最大電流法等控制端口 P〇rt3與 端口 Port4電壓恒定。本實(shí)施例中變換器采用主從控制法，即通過(guò)控制端口 Portl與端口 Port3間的變換器單元組，維持端口 Port3電壓穩(wěn)定，相應(yīng)端口 Port2與端口 Port3之間變 換器單元組工作在恒定輸出電流控制模式；通過(guò)控制端口 P〇rt2與端口 Port4間變換器單 元組，維持端口 P〇rt4電壓穩(wěn)定，相應(yīng)端口 Portl與端口 Port4之間變換器單元組工作在恒 定輸出電流控制模式。
[0064] b、當(dāng)端口 Portl的正極端Port 1_P發(fā)生短路故障時(shí)，閉鎖電力電子器件S1311和 S14 n，導(dǎo)通電力電子器件S13 12和S14 12 ;此時(shí)，端口 Port3的正極端Port3_P和端口 Port4的 正極端P〇rt4_P仍然能夠與端口 Port4的正極端Port4_P進(jìn)行功率交換，變換器的負(fù)極正 常工作；
[0065] 當(dāng)端口 Portl的負(fù)極端Portl_N發(fā)生短路故障時(shí)，閉鎖電力電子器件513 21和 S14 21，導(dǎo)通電力電子器件S13，和S14 22 ;此時(shí)，端口 Port3的負(fù)極端Port3_N和端口 Port4的 負(fù)極端P〇rt4_N仍然能夠與端口 Port4的負(fù)極端Port4_N進(jìn)行功率交換，變換器的正極正 常工作；
[0066] 端口 Port2、Port3和Port4發(fā)生短路故障時(shí)時(shí)，相應(yīng)的電力電子器件調(diào)制方法與 端口 Port 1的調(diào)制方法相同。
[0067] ④：本發(fā)明提供的變換器的另一個(gè)具體實(shí)施例為：
[0068] 端口 Portl接入光伏電源，電壓為±400V;端口 Port2分別接入風(fēng)力發(fā)電，電壓為 ±400V ;端口 Port3接直流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)電壓等級(jí)為±1000V ;端口 Port4接負(fù)載，負(fù)載所 需電壓等級(jí)為±170V ;
[0069] 變換器正常工作時(shí)，光伏電源與風(fēng)力發(fā)電直接向鄰近負(fù)載供電，電能不足時(shí)由直 流電網(wǎng)提供，電能過(guò)多時(shí)由直流電網(wǎng)接收；由于風(fēng)光互補(bǔ)特性，使得變換器與直流電網(wǎng)之間 交互功率不會(huì)有較大波動(dòng)，負(fù)載與直流電網(wǎng)之間通過(guò)兩級(jí)變換器單元組連接，從而使得變 換器具有較高的升壓比。
[0070] 本發(fā)明提供的變換器的另一個(gè)具體實(shí)施例為：
[0071] 端口 Portl和端口 Port2分別接入兩個(gè)較高電壓等級(jí)的雙極直流系統(tǒng)，直流系統(tǒng) 的電壓等級(jí)為± 500V ;端口 Port3和端口 Port4分別接入兩個(gè)較低電壓等級(jí)的雙極直流系 統(tǒng)，直流系統(tǒng)電壓等級(jí)為±170V ;此時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)分布式電源向直流電網(wǎng)的雙向功率傳輸。
[0072] 最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：所描述的實(shí)施例僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí) 施例。基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得 的所有其他實(shí)施例，都屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變換器包括由變換器 單元組依次連接形成的環(huán)形架構(gòu)；所述變換器單元組包括兩個(gè)相連的變換器單元；所述變 換器單元組的數(shù)目為四； 所述變換器單元的電力電子器件支路包括兩個(gè)同向連接的電力電子器件，所述電力電 子器件支路的數(shù)目為二；所述電力電子器件的連接點(diǎn)之間通過(guò)電抗器相連。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變 換器單元組的變換器單元連接點(diǎn)接地。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變 換器單元組內(nèi)，一個(gè)變換器單元的通過(guò)發(fā)射極與電抗器兩端連接的電力電子器件分別與另 一個(gè)變換器單元的通過(guò)集電極與電抗器兩端連接的電力電子器件相連。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變 換器單元組的端口包括兩個(gè)電力電子器件集電極端口和兩個(gè)電力電子器件發(fā)射極端口。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變 換器單元組通過(guò)所述電力電子器件集電極端口分別與相鄰的所述變換器單元組的一個(gè)電 力電子器件集電極端口相連；所述變換器單元組通過(guò)所述電力電子器件發(fā)射極端口與相鄰 的所述變換器單元組的一個(gè)電力電子器件發(fā)射極端口相連。
6. 如權(quán)利要求4所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，相鄰的 所述變換器單元組之間，所述電力電子器件集電極端口的連接點(diǎn)與變換器單元的連接點(diǎn)之 間并聯(lián)穩(wěn)壓電容，所述電力電子器件發(fā)射極端口的連接點(diǎn)與所述變換器單元的連接點(diǎn)之間 并聯(lián)穩(wěn)壓電容。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變 換器的端口的兩端分別與兩個(gè)相鄰的所述變換器單元組的電力電子器件集電極端口的連 接點(diǎn)和電力電子器件發(fā)射極端口的連接點(diǎn)相連。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種新型無(wú)母線四端口雙極DC-DC變換器，其特征在于，所述變 換器的兩個(gè)相鄰端口之間通過(guò)一級(jí)變換器單元組連接；所述變換器的兩個(gè)不相鄰端口之間 通過(guò)兩級(jí)變換器單元組連接。
【文檔編號(hào)】H02M3/10GK104218796SQ201410360478
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】姚良忠, 許曉慧, 李琰, 楊波, 曹遠(yuǎn)志, 盧俊峰, 蔡旭, 朱淼, 張建文, 馬建軍, 丁杰, 陶以彬, 李官軍, 崔紅芬, 王德順, 周晨, 劉歡, 鄢盛馳, 王志冰, 孫蔚, 胡金杭, 馮鑫振, 吳婧, 朱紅保, 李躍龍 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 上海交通大學(xué), 江蘇省電力公司