[發(fā)明專利]一種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態(tài)變壓器

無效

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• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104158401A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發(fā)明（設計）人: 趙彪;宋強;劉文華;劉國偉;趙宇明;姚森敬
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學;深圳供電局有限公司
• 主分類號: H02M3/28
• 分類號: H02M3/28
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發(fā)明屬于電力技術領域，涉及到直流輸配電，特別涉及一種用于直流輸配電的模塊化直流固態(tài)變壓器。

背景技術

由于具有模塊化程度高、效率高、功率密度高、噪音低、智能化程度高等大量優(yōu)點，目前已經(jīng)有較多研究關注采用電力電子變壓器(也稱為固態(tài)變壓器SST)取代傳統(tǒng)交流配電變壓器，尤其是隨著智能電網(wǎng)中分布式電能、儲能等的快速發(fā)展，SST作為各種分布式單元的集成系統(tǒng)、并實現(xiàn)電壓、潮流等靈活控制的解決方案越來越受到重視。但總的來說，整個國際上目前對SST的研究基本上都停留在交流SST上，對直流SST的研究較少涉及。

而目前，基于電壓源變流器(Voltage?Source?Converter,VSC)的柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)可以獨立、快速控制所傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率，因此極大地增強了輸電的靈活性，使其成為最近發(fā)展起來的最有潛質(zhì)的電力傳輸方式，特別適用于風力發(fā)電場與主網(wǎng)之間的穩(wěn)定聯(lián)結(jié)、向孤立的遠方小負荷區(qū)供電等應用。近年來VSC-HVDC技術在國內(nèi)外都已得到了普遍的重視，VSC-HVDC工程也日益增多。在配電網(wǎng)絡方面，隨著城市的發(fā)展和用電負荷的快速增加，對配電網(wǎng)絡輸送容量的要求也日益增加，需要在有限的配電網(wǎng)走廊上輸送更大的容量。在用電密集的城市電網(wǎng)中采用柔性直流技術，將可以占用更少的輸電走廊，并可利用它的快速可控性等特點，解決城市供電中存在的供電困難、成本高以及潮流難以控制等問題，維持城市電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟運行。通過直流配網(wǎng)的方式，還可以減少儲能系統(tǒng)和新能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，降低接入成本、提高功率轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量。

在直流輸配電中，需要實現(xiàn)不同直流電壓等級電網(wǎng)之間的電壓變換和功率流動，而在直流電網(wǎng)中，難以像交流電網(wǎng)中通過交流磁耦合的方式實現(xiàn)電壓變換，因此必須基于電力電子技術通過直流SST實現(xiàn)直流電壓的變換和功率的雙向傳遞。

雖然在低壓小容量領域DC/DC變換器已經(jīng)得到比較廣泛的應用，但由于電力電子半導體器件發(fā)展程度的限制，中高壓大容量等級的直流SST仍有待研究和應用。目前已有的直流SST技術方案中，大多采用低壓小容量DC/DC變換器在高壓端串聯(lián)和在低壓端并聯(lián)的方案，而這種方案可以實現(xiàn)高壓和低壓直流端的電壓和功率轉(zhuǎn)換，卻無法實現(xiàn)高壓和高壓直流端的電壓和功率轉(zhuǎn)換，應用領域受限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決上述的技術問題，提出一種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態(tài)變壓器，實現(xiàn)高壓和低壓或者高壓和高壓直流輸配電網(wǎng)的電壓匹配，并且實現(xiàn)功率的雙向流動和電氣隔離，減小系統(tǒng)的重量和體積。

本發(fā)明采取的技術方案如下：

一種用于高壓直流輸配電的模塊化直流固態(tài)變壓器，其特征在于：該系統(tǒng)主要由模塊化多電平變換器1、變壓器2和模塊化多電平變換器3組成。模塊化多電平變換器1由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由n個子模塊SM串聯(lián)，k≥2，n≥2；變壓器2的原、副邊均由k個繞組組成；模塊化多電平變換器3由k個相同的橋臂組成，每個橋臂分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由m個子模塊SM串聯(lián)，m≥2；模塊化多電平變換器1中k個橋臂均與高壓直流端A并聯(lián)連接，各個橋臂的中點分別與變壓器2的原邊各繞組引線相連；模塊化多電平變換器3中k個橋臂均與高壓直流端B并聯(lián)連接，各個橋臂的中點分別與變壓器2的副邊各繞組引線相連。

所述的每個橋臂可以包含兩個電感模塊，所述的電感模塊一個串聯(lián)在上半橋臂下端和橋臂中點之間，一個串聯(lián)在下半橋臂上端和橋臂中點之間，兩個電感的電感量Lc≥0。

所述的模塊化多電平變換器1和3中的子模塊SM由一個全控型橋臂與一個直流電容C并聯(lián)組成，全控型橋臂由第一開關S1、第二開關S2、第一二級管D1和第二二極管D2構(gòu)成，第一開關S1與第一二級管D1反并聯(lián)，第二開關S2與第二二級管D2反并聯(lián)，第一開關S1與第二開關S2串聯(lián)，第一開關S1的上端與直流電容C的正極相連，第二開關S2的下端與直流電容C的負極相連。

所述的變壓器2為中頻或者高頻隔離變壓器，工作頻率f≥200。

本發(fā)明可通過改變每個橋臂上串聯(lián)的子模塊SM的數(shù)量，可以實現(xiàn)不同電壓等級直流電網(wǎng)的接入。

本發(fā)明的直流固態(tài)變壓器的功率不僅可以從輸入端流入輸出端，還可以從輸出端流入輸入端。

采用上述技術方案，本發(fā)明的有益效果在于：

1)可以作為直流輸配電網(wǎng)的接口系統(tǒng)，實現(xiàn)高壓和低壓或者高壓和高壓直流環(huán)節(jié)的電壓匹配，并且實現(xiàn)功率的雙向流動和電氣隔離。