一種高壓直流-直流電力電子變壓器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種高壓直流-直流電力電子變壓器。
【背景技術】
[0002]目前，因為我國的能源與用電負荷分布的特殊性，構建大容量、遠距離的輸電系統成為了必然性。與傳統的交流輸電相比，直流輸電具有損耗小、傳輸距離遠、穩定性好與傳輸功率容量大等優勢，得到了越來越廣闊的應用。但是，直流輸電只是作為交流輸電的一種輔助功能還沒有直接用于用電設備，所以在直流輸電的逆變側仍然需要連接工頻變壓器，增大了整個系統的體積與重量。
[0003]而隨著電動汽車、分布式發電、儲能系統、可再生能源發電等領域的發展，將高壓直流輸電直接用于用電設備的需求正在不斷加大。所以需要和交流隔離變壓器功能類似的直流變壓裝置，將高壓直流電轉換成隔離的不同等級直流電壓來滿足各種用電設備。
[0004]因此，高壓直流-直流電力電子變壓器可以直接滿足一部分需求直流電的用戶，不需要使用工頻變壓器來轉換電能，降低了成本，減小損耗，還可以實現能量的雙向流動。隨著直流輸配電的快速發展，高壓直流-直流電力電子變壓器在直流配電中具有較大的應用前景。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是設計一種高壓直流-直流電力電子變壓器(DCSST)，該變壓器將模塊化的雙主動全橋(DAB)功率單元按照輸入串聯輸出并聯(input-seriesoutput-paralleled, IS0P)方式連接，通過控制功率單元上IGBT電子開關器件的導通與關斷來實現特定電壓的輸出。直流變壓器的DAB功率單元采用對稱的結構，左側為H全橋逆變結構，右側為H全橋整流結構，中間通過高頻變壓器連接起來，實現了電氣隔離。它具有雙向功率傳輸、模塊化結構、功率密度高和軟開關技術容易實現等優點。
[0006]為實現上述目的，本實用新型采取如下技術方案實現:
[0007]一種高壓直流-直流電力電子變壓器，該變壓器將模塊化的雙主動全橋功率單元按照輸入串聯輸出并聯方式連接，通過控制功率單元上IGBT電子開關器件的導通與關斷來實現特定電壓的輸出；所述的雙主動全橋功率單元由左右對稱的H全橋通過高頻變壓器連接組成，左邊為逆變側，右邊為整流側，所使用的電子開關器件為全控型開關器件IGBT ;所述的高壓直流-直流電力電子變壓器高壓側采用雙主動全橋功率單元高壓端口串聯，低壓側采用雙主動全橋功率單元低壓端口并聯。
[0008]所述的高壓直流-直流電力電子變壓器，不僅實現了高低壓的電壓等級變換和電氣隔離，還可以實現電壓、電流以及功率的主動控制。
[0009]與現有技術相比，由DAB構成的ISOP型DCSST具有以下幾個優點:
[0010]I)采用功率單元級聯方式，可根據用戶需求來選擇功率單元的級聯個數，整體的靈活性較高；
[0011]2)每個模塊的輸入電壓為Udc/n，其中Udc為總的輸入電壓，η為功率單元級數，可以大幅度降低開關器件的應力，減少成本；
[0012]3)每個模塊輸出功率為Ρ/η，其中P為總的輸出功率，使得單個功率模塊設計與系統熱設計更簡單；
[0013]4)如果采用交錯控制技術，可以很大程度上減少電流輸出紋波；
[0014]5)由于舍棄了傳統的工頻變壓器，直接采用了高頻變壓器，實現電氣隔離，進一步提高了系統的模塊化程度和功率密度，減小噪音，降低了成本。
[0015]6)該拓撲可以實現能量的雙向流動，可以滿足將直流微電網接入配網以及實現各種不同電壓等級直流配電網的連接。
【附圖說明】
[0016]圖1是直流-直流電力電子變壓器(DCSST)拓撲圖。
[0017]圖2是高頻隔離雙主動全橋功率單元(DAB)結構圖。
[0018]圖3-1是傳統的交流電力系統的基本工作原理圖。
[0019]圖3-2是采用DAB單元交流電力系統的基本工作原理圖。
[0020]圖4是功率單元(DAB)雙重移相(DPS)控制原理圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本實用新型的具體技術方案進行詳細敘述。
[0022]本實用新型設計的高壓直流-直流電力電子變壓器(DCSST)的拓撲(圖1)主要基于高頻隔離雙主動全橋DC/DC變換器(DAB)，DCSST的高壓側采用DAB單元(圖2為DAB單元具體的結構圖)高壓端口串聯，低壓側采用DAB功率單元低壓端口并聯。
[0023]DAB單元由左右對稱的H全橋通過高頻變壓器連接組成。左邊為逆變側，右邊為整流側，它們所使用的電子開關器件都是全控型開關器件IGBT。該結構的DAB單元與傳統的交流電力系統的基本工作原理(圖3-1、圖3-2)事實上都可以等效成連接在電感兩端的兩個交流源，通過調節兩者之間的相移來改變功率流動的方向與大小。不同的地方在于傳統交流電力系統中交流源為工頻正弦波，而DAB中為高頻方波。圖中L為輔助電感和變壓器漏感之和，VjP V 2分別為全橋H H 2的直流端電壓，V hl為全橋H i的交流輸出電壓，V κ為全橋H2的交流輸出折合到V2側后的電壓，i力電感電流。
[0024]本次設計中DCSST的DAB單元基本控制方法采用了雙重移相(dual-phase_shift，DPS)控制(圖4)，圖中Q1-Q4為全橋H1開關器件，S1-S4為全橋H2開關器件。與傳統的單移相(single-phase-shift)控制相比較，除了在同一個H橋內橋臂之間存在內移相比Dl，還在DAB單元的左右兩側H橋之間存在外移相比D2。對于DPS控制，在效率特性、電流應力、軟開關范圍等方面都有一定的優勢，并且在功率方向改變時IGBT狀態無需改變，只需要對移相角進行調節。從各方面來說，DPS控制是一種值得在DAB控制上推廣的方法。
[0025]在DCSST的整體控制策略上采用了分布式控制與管理，使各子單元具有完全相同的控制模型，使用軟開關技術，提高了系統的穩定性與動態性能；在硬件設計上，采用了模塊化的設計思路，有利于設備的安裝維護與系統擴容，可以根據客戶的需求任意修改功率單元級數滿足設計。
[0026]在本實用新型所設計的DCSST中，有三種工作模式，分別為HV電壓控制模式、LV電壓控制模式和功率控制模式。而各子單元具有完全相同的控制模型，分別由HV電壓控制器、HV電流控制器、LV電壓控制器、LV電流控制器、平衡控制器組成。
[0027](I)模式1:HV電壓控制模式。在HV電壓控制模式中，低壓直流(LVDC)母線電壓固定，高壓直流(HVDC)母線電壓由直流變壓器控制，功率流動大小和方向則由負載決定。此時HV電壓和電流控制器被使能，各DAB控制各自高壓端電壓，并保證各自電壓相等，以均分負載。
[0028](2)模式2:LV電壓控制模式。在LV電壓控制模式中，HVDC母線電壓固定，LVDC母線電壓由DCSST控制。此外，直流變壓器還需要控制各DAB單元在串聯端的電壓平衡和并聯端的功率平衡，功率流動大小和方向則由負載決定。此時LV電壓和電流控制器以及平衡控制器被使能。在LV控制模式中，LV電壓控制器將母線電壓與參考值之間的誤差送入PI調節器，PI調節器的輸出作為各DAB單元電流內環參考值。
[0029](3)模式3:功率控制模式。在功率控制模式中，高低壓母線電壓均固定，直流變壓器控制功率流動的大小和方向，并且控制各DAB單元在串聯端的電壓平衡和并聯端功率平衡。此時DCSST控制狀態與LV電壓控制模式基本類似，所不同的是在功率控制模式中，只有LV電流控制器和平衡控制器使能，LV電流控制器的參考值根據傳輸功率的大小計算得出。
[0030]本實用新型所設計的DCSST不僅實現了高低壓的電壓等級變換和電氣隔離，還可以實現電壓、電流以及功率的主動控制，相比交流變壓器，DCSST的變換步驟更少，因此具有更高的變換效率，在直流配電中具有較大的應用前景。
【主權項】
1.一種高壓直流-直流電力電子變壓器，其特征在于，該變壓器將模塊化的雙主動全橋功率單元按照輸入串聯輸出并聯方式連接，通過控制功率單元上IGBT電子開關器件的導通與關斷來實現特定電壓的輸出；所述的雙主動全橋功率單元由左右對稱的H全橋通過高頻變壓器連接組成，左邊為逆變側，右邊為整流側，所使用的電子開關器件為全控型開關器件IGBT ;所述的高壓直流-直流電力電子變壓器高壓側采用雙主動全橋功率單元高壓端口串聯，低壓側采用雙主動全橋功率單元低壓端口并聯。
【專利摘要】本實用新型涉及一種高壓直流-直流電力電子變壓器，該變壓器將模塊化的雙主動全橋功率單元按照輸入串聯輸出并聯方式連接，通過控制功率單元上IGBT電子開關器件的導通與關斷來實現特定電壓的輸出；所述的雙主動全橋功率單元由左右對稱的H全橋通過高頻變壓器連接組成，左邊為逆變側，右邊為整流側，所使用的電子開關器件為全控型開關器件IGBT；所述的高壓直流-直流電力電子變壓器高壓側采用雙主動全橋功率單元高壓端口串聯，低壓側采用雙主動全橋功率單元低壓端口并聯。它不僅實現了高低壓的電壓等級變換和電氣隔離，還可以實現電壓、電流以及功率的主動控制。
【IPC分類】H02M3-335
【公開號】CN204578370
【申請號】CN201520086392
【發明人】郭自勇, 孫賢大, 王緒寶, 石華楷, 霍煜, 單國明, 陳鵬, 胡子珩, 姚森敬, 趙宇明, 劉國偉
【申請人】榮信電力電子股份有限公司, 遼寧榮信眾騰科技有限公司, 深圳供電局有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年2月4日