一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，包括通過中頻變壓器兩端相連的單極側(cè)功率模塊和雙極側(cè)功率模塊；單極側(cè)功率模塊包括電力電子器件全橋電路、穩(wěn)壓電容和直流斷路器；電力電子器件全橋電路的兩端與中頻變壓器相連，另外兩端接入單極直流系統(tǒng)；雙極側(cè)功率模塊包括電力電子器件全橋電路、電容、穩(wěn)壓電容、電抗器和直流斷路器；電力電子器件全橋電路的兩端與中頻變壓器相連，另外兩端接入雙極直流系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器電路結(jié)構(gòu)緊湊，所需開關(guān)元件數(shù)量更少，能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，降低系統(tǒng)損耗；通過調(diào)整中頻變壓器的繞組，該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)單極直流系統(tǒng)和雙極直流系統(tǒng)之間的電氣隔離；同時(shí)適用于高變壓比場合。
【專利說明】一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙極直流變換器，具體涉及一種無電壓均衡器的雙極直流變換 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 直流供電系統(tǒng)的樞紐直流配電將交流整流輸出的直流、新能源發(fā)電所產(chǎn)生的直流 和儲能單元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：減小了電能變換中的交流環(huán)節(jié)，減少系統(tǒng)元件數(shù)的同時(shí)，又降低了變流器損 耗；不存在渦流損耗和無功功率，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] 直流配電的直流供電技術(shù)已廣泛應(yīng)用于船舶、電動汽車和通信系統(tǒng)中，但是應(yīng)用 于直流配電領(lǐng)域的直流供電技術(shù)還有待完善；美國ABB公司、弗吉尼亞理工大學(xué)、北卡羅來 納州立大學(xué)，日本大阪大學(xué)和韓國明知大學(xué)等已開展了對直流微網(wǎng)配電的直流供電技術(shù)的 研究。
[0009] 為降低開關(guān)元件以及線路絕緣水平，直流配網(wǎng)系統(tǒng)一般采用雙極母線；在直流線 路發(fā)生單極接地故障時(shí)，健全極仍能保證正常運(yùn)行，從而保障更高的供電可靠性以及便于 接入直流配網(wǎng)的逆變器直流側(cè)電壓的選擇與設(shè)計(jì)。
[0010] 現(xiàn)有直流系統(tǒng)中無論是負(fù)載（包括直流負(fù)載、逆變器、變頻器）、直流電源（包括可 再生能源發(fā)電、整流器所得電源）還是儲能裝置（包括蓄電池、超級電容等），直流側(cè)均為 單極性。為實(shí)現(xiàn)單極性負(fù)載、電源或儲能裝置與雙極直流配網(wǎng)的連接，主要采用以下技術(shù)手 段：
[0011] 將負(fù)載、電源以及負(fù)載接在雙極直流配電網(wǎng)的正極對地一側(cè)、地對負(fù)極一側(cè)或正 極對負(fù)極一側(cè)，即與雙極配電系統(tǒng)的某一單極端直接連接，如圖1所示。這種供電結(jié)構(gòu)不 可避免地會出現(xiàn)系統(tǒng)正極對地一側(cè)與地對負(fù)極一側(cè)功率分配的不均衡的情況，影響供電質(zhì) 量與可靠性。為緩解上述不均衡的問題，需要在系統(tǒng)中額外增設(shè)一個(gè)或多個(gè)電壓均衡器 (Voltage Balancer)調(diào)節(jié)這部分不平衡功率。目前對雙極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究多集中在電壓均 衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，上述方案中電壓均衡器是專為系統(tǒng)處于異常狀態(tài)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)系 統(tǒng)不均衡現(xiàn)象不明顯時(shí)，電壓均衡器將工作在輕載狀態(tài)，影響直流配電系統(tǒng)的效率。此外， 電壓均衡器的容量將取決于直流系統(tǒng)的容量，這也就意味著每當(dāng)直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變 化，系統(tǒng)中接入了新的電源或負(fù)載時(shí)，電壓均衡器就需要重新設(shè)計(jì)與安裝。
[0012] 基于現(xiàn)有技術(shù)的情況，需要提供一種不再需要設(shè)置電壓均衡器，同時(shí)便于系統(tǒng)中 新的電源、負(fù)載、儲能裝置投入運(yùn)行的雙極直流變換器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提出了一種新型單極直流系統(tǒng)與雙極直流系統(tǒng) 的相互連接方式，同時(shí)給出了具體實(shí)現(xiàn)電路以及該電路的控制方案；所給出的電路結(jié)構(gòu)具 備雙向功率流動的能力，具有通用性；當(dāng)應(yīng)用于特定單向功率流動場合時(shí)，可以將該電路中 沒有用到的元件略去，以簡化電路結(jié)構(gòu)；
[0014] 本發(fā)明提供的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，包括通過中頻變壓器相連的單極側(cè) 功率模塊和雙極側(cè)功率模塊；
[0015] 所述單極側(cè)功率模塊包括電力電子器件全橋電路、穩(wěn)壓電容和直流斷路器；所述 電力電子器件全橋電路連接于所述中頻變壓器與單極直流系統(tǒng)之間；
[0016] 所述雙極側(cè)功率模塊包括電力電子器件全橋電路、電容、穩(wěn)壓電容、電抗器和直流 斷路器；電力電子器件全橋電路連接于所述中頻變壓器與雙極直流系統(tǒng)之間。
[0017] 優(yōu)選的，所述單極側(cè)功率模塊中的穩(wěn)壓電容并聯(lián)在所述電力電子器件全橋電路的 兩端后，一端通過直流斷路器接入單極直流系統(tǒng)，另一端直接接入所述單極直流系統(tǒng)；
[0018] 所述穩(wěn)壓電容用于抑制由于所述電力電子器件的開關(guān)過程引起的電壓波動；
[0019] 優(yōu)選的，所述雙極側(cè)功率模塊的電力電子器件全橋電路中的兩個(gè)相鄰橋臂分別依 次通過電抗器和直流斷路器接入雙極直流系統(tǒng)，所述兩個(gè)橋臂的連接點(diǎn)與所述中頻變壓器 的一端相連；所述電力電子器件全橋電路中的另外兩個(gè)相鄰橋臂的連接點(diǎn)與所述中頻變壓 器的另一端相連，所述連接點(diǎn)接地；
[0020] 優(yōu)選的，所述電容連接于所述電力電子器件全橋電路與所述電抗器相連的連接點(diǎn) 之間；所述電容用于對雙極側(cè)功率模塊中的功率進(jìn)行匯集；
[0021] 優(yōu)選的，所述電抗器與所述直流斷路器的連接點(diǎn)通過穩(wěn)壓電容接地；所述穩(wěn)壓電 容用于抑制由于所述電力電子器件的開關(guān)過程引起的電壓波動；
[0022] 優(yōu)選的，所述單極側(cè)功率模塊中電力電子器件全橋電路的相鄰橋臂以50%占空比 互補(bǔ)導(dǎo)通；
[0023] 優(yōu)選的，所述雙極側(cè)功率模塊中電力電子器件全橋電路的相鄰橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通；所 述電力電子器件全橋電路中與同一個(gè)電抗器相連的橋臂的導(dǎo)通占空比相同，載波相位相差 180。；
[0024] 優(yōu)選的，所述直流變換器的工作模式包括功率交互模式、單極運(yùn)行模式和孤島運(yùn) 行模式；
[0025] 所述功率交互模式時(shí)，直流斷路器均閉合，實(shí)現(xiàn)單極直流系統(tǒng)與雙極直流系統(tǒng)的 有功功率交互；
[0026] 所述單極運(yùn)行模式時(shí)，單極側(cè)功率模塊中的直流斷路器閉合，雙極側(cè)功率模塊中 與雙極直流系統(tǒng)中發(fā)生故障的單極端連接的直流斷路器斷開，另一個(gè)直流斷路器閉合；
[0027] 所述孤島運(yùn)行模式時(shí)，單極側(cè)功率模塊中的電力電子器件閉鎖，雙極側(cè)功率模塊 中的電力電子器件互補(bǔ)導(dǎo)通。
[0028] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果是：
[0029] 1、本發(fā)明技術(shù)方案中，采用含有新型單雙極轉(zhuǎn)換變換器的雙極直流配網(wǎng)結(jié)構(gòu)能 夠維持雙極直流系統(tǒng)的雙極電壓均衡，節(jié)省了現(xiàn)有低壓直流架構(gòu)（low-voltage direct current，LVDC)中電壓均衡器，克服了帶有該變換器器所導(dǎo)致的系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜的問題；
[0030] 2、本發(fā)明技術(shù)方案中，所提出的單雙極轉(zhuǎn)換變換器具體實(shí)施電路采用中頻變壓器 實(shí)現(xiàn)高升壓比（5-10倍），從而能夠?qū)崿F(xiàn)低壓雙極直流系統(tǒng)與中壓直流的連接，使得使低壓 雙極直流系統(tǒng)擴(kuò)展到中壓直流系統(tǒng)；
[0031] 3、本發(fā)明技術(shù)方案中，所提出的單雙極轉(zhuǎn)換變換器具體實(shí)施電路能夠?qū)崿F(xiàn)雙極直 流系統(tǒng)的不對稱運(yùn)行，具備自動分配功率的能力；具體實(shí)現(xiàn)方式是調(diào)整開關(guān)S 23占空比，并 保證S23、S24互補(bǔ)導(dǎo)通；假設(shè)S23占空比為D，則S24占空比為1-D穩(wěn)態(tài)時(shí)

【權(quán)利要求】
1. 一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述直流變換器包括通過中頻變壓器 相連的單極側(cè)功率模塊和雙極側(cè)功率模塊； 所述單極側(cè)功率模塊包括電力電子器件全橋電路、穩(wěn)壓電容和直流斷路器；所述電力 電子器件全橋電路連接于所述中頻變壓器與單極直流系統(tǒng)之間； 所述雙極側(cè)功率模塊包括電力電子器件全橋電路、電容、穩(wěn)壓電容、電抗器和直流斷路 器；電力電子器件全橋電路連接于所述中頻變壓器與雙極直流系統(tǒng)之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述單極側(cè)功率 模塊中的穩(wěn)壓電容并聯(lián)在所述電力電子器件全橋電路的兩端后，一端通過直流斷路器接入 單極直流系統(tǒng)，另一端直接接入所述單極直流系統(tǒng)； 所述穩(wěn)壓電容用于抑制由于所述電力電子器件的開關(guān)過程引起的電壓波動。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述雙極側(cè)功率 模塊的電力電子器件全橋電路中的兩個(gè)相鄰橋臂分別依次通過電抗器和直流斷路器接入 雙極直流系統(tǒng)，所述兩個(gè)橋臂的連接點(diǎn)與所述中頻變壓器的一端相連；所述電力電子器件 全橋電路中的另外兩個(gè)相鄰橋臂的連接點(diǎn)與所述中頻變壓器的另一端相連，所述連接點(diǎn)接 地。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述電容連接于 所述電力電子器件全橋電路與所述電抗器相連的連接點(diǎn)之間；所述電容用于對雙極側(cè)功率 模塊中的功率進(jìn)行匯集。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述電抗器與所 述直流斷路器的連接點(diǎn)通過穩(wěn)壓電容接地；所述穩(wěn)壓電容用于抑制由于所述電力電子器件 的開關(guān)過程引起的電壓波動。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述單極側(cè)功率 模塊中電力電子器件全橋電路的相鄰橋臂以50%占空比互補(bǔ)導(dǎo)通。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述雙極側(cè)功率 模塊中電力電子器件全橋電路的相鄰橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通；所述電力電子器件全橋電路中與同一 個(gè)電抗器相連的橋臂的導(dǎo)通占空比相同，載波相位相差180°。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種單雙極性轉(zhuǎn)換直流變換器，其特征在于，所述直流變換器 的工作模式包括功率交互模式、單極運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式； 所述功率交互模式時(shí)，直流斷路器均閉合，實(shí)現(xiàn)單極直流系統(tǒng)與雙極直流系統(tǒng)的有功 功率交互； 所述單極運(yùn)行模式時(shí)，單極側(cè)功率模塊中的直流斷路器閉合，雙極側(cè)功率模塊中與雙 極直流系統(tǒng)中發(fā)生故障的單極端連接的直流斷路器斷開，另一個(gè)直流斷路器閉合； 所述孤島運(yùn)行模式時(shí)，單極側(cè)功率模塊中的電力電子器件閉鎖，雙極側(cè)功率模塊中的 電力電子器件互補(bǔ)導(dǎo)通。
【文檔編號】H02J1/00GK104218805SQ201410360512
【公開日】2014年12月17日 申請日期: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, 楊波, 許曉慧, 陶以彬, 曹遠(yuǎn)志, 李官軍, 蔡旭, 朱淼, 張建文, 馬建軍, 丁杰, 盧俊峰, 李琰, 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 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院, 上海交通大學(xué), 江蘇省電力公司