[發(fā)明專利]一種具有冗余能力的雙極性軟開關(guān)直流變壓器

在審

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• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107968570A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾嶸;趙彪;宋強;李建國
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02M1/32
• 代理公司: 北京知聯(lián)天下知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11594
• 代理人: 王沖,吳鑫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及到變壓器，特別涉及一種雙極性軟開關(guān)直流變壓器。

背景技術(shù)

近年來,隨著大功率電力電子元器件及其控制技術(shù)的發(fā)展,通過電力電子變換技術(shù)實現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的新型變壓器――電力電子變壓器(PET)得到了越來越多的關(guān)注。以美國弗吉尼亞電力電子中心FredC.Lee為首的學者系統(tǒng)地提出了直流變壓器的概念。直流變壓器在接100％的等效占空比下工作,輸出省去了濾波電感,結(jié)構(gòu)簡單；采用開環(huán)控制,易于實現(xiàn)軟開關(guān),可進一步提高開關(guān)頻率,提高功率密度。既可以直接將DC/DC變壓器通過閉環(huán)控制應(yīng)用在調(diào)壓和需要隔離的直流應(yīng)用場合，也可以將DC/DC變壓器應(yīng)用在兩個直流系統(tǒng)之間，提高分布式和兩級結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)整模塊以及航空靜止變流器等供電系統(tǒng)的效率和功率密度。

在低壓小容量領(lǐng)域，DC/DC變換器已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用，對于高頻隔離型DC/DC變換器(IBDC)也有了長足發(fā)展。但目前的DC/DC變換器會導致直流電容迅速放電，產(chǎn)生較大的過電流；并且故障清除后，需要對直流電容重新充電，使直流系統(tǒng)的動態(tài)恢復(fù)過程變慢。在能量傳輸過程中，當兩端直流電壓與變壓器變比不匹配時存在很大的環(huán)流，進而導致很大的電流應(yīng)力、較低的效率，這也是目前限制DC/DC變換器大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。而基于雙主動全橋(DAB)的多重化直流變壓器方案在進行系統(tǒng)級直流組網(wǎng)時，由于直流母線電壓會存在波動，使得各子單元兩端直流電壓與變壓器變比不匹配，降低直流變壓器的運行效率。

現(xiàn)有技術(shù)方案中的雙向直流變壓器(如圖1所示)，采用雙主動全橋(DAB)的拓撲結(jié)構(gòu)，雖然這種雙向直流變壓器可以通過封鎖脈沖從故障處切除，不會產(chǎn)生過電流，直流電容也不會放電，故障消失后系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)，但這種雙向直流變壓器軟開關(guān)能力不足，需要使用的器件較多，成本高；同時，這種雙向直流變壓器無法形成雙極性低壓直流端，限制了其應(yīng)用能力。

發(fā)明內(nèi)容

解決現(xiàn)有技術(shù)方案的缺陷與不足，本發(fā)明提出一種具有冗余能力的雙極性軟開關(guān)直流變壓器，通過在低壓側(cè)采用兩個不控整流橋串聯(lián)，引出雙極性直流電壓，增強了應(yīng)用能力。同時，本發(fā)明的直流變壓器的交流環(huán)節(jié)采用軟開關(guān)諧振方案，提高了系統(tǒng)效率。

本發(fā)明的直流變壓器的技術(shù)方案如下：直流變壓器包括N個開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC(Switched capacitor series resonant converter)，N為任意正整數(shù)。首臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC中壓側(cè)通過電感L與中壓直流側(cè)的正極相連；第N-1臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC的中壓側(cè)第二連接端子與第N臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC的中壓側(cè)第一連接端子相連；第N臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC的中壓側(cè)第二連接端子與中壓直流側(cè)的負極相連；N臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC的低壓側(cè)均通過兩個不控整流橋引出并聯(lián)的雙極性直流電壓+VLV、0、－VLV。實現(xiàn)N臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC在中壓側(cè)串聯(lián)，低壓側(cè)并聯(lián)。

每臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC包括5個帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管S1～S5、8個二極管M1～M8、2個高頻隔離變壓器T1和T2、2個諧振電容Cs1和Cs2、3個直流電容C1、C2和C3。如圖2所示，各元件在中壓側(cè)連接成H橋結(jié)構(gòu)，在低壓側(cè)構(gòu)成串聯(lián)的兩個不控整流橋，引出雙極性直流電壓+VLV、0、－VLV。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果在于：

1)、當一臺開關(guān)電容串聯(lián)諧振變換電路單元SCSRC發(fā)生故障，通過旁路故障SCSRC，使得本發(fā)明的直流變壓器具有冗余能力。

2)、本發(fā)明的直流變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)采用了軟開關(guān)諧振方案，能夠使得開關(guān)管始終工作在軟開關(guān)狀態(tài)，提高了直流變壓器系統(tǒng)效率。

3)、采用了兩個不控整流橋引出雙極性直流電壓，拓展了直流變壓器的應(yīng)用場景，增強了應(yīng)用能力。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的直流變壓器拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明具有冗余能力的雙極性軟開關(guān)直流變壓器一個實施例的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明具有冗余能力的雙極性軟開關(guān)直流變壓器另一個實施例的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

結(jié)合本發(fā)明的技術(shù)方案和附圖進一步敘述本發(fā)明的具體實施例。