[發明專利]一種基于級聯DAB結構的直流變壓器

有效

• 申請號: 201911080227.0
• 申請日: 2019-11-06
• 公開（公告）號: CN111224550B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 田杰;王丹;毛承雄;官志濤;鄔瑋晗
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春;李智

本發明公開了一種基于級聯DAB結構的直流變壓器，包括n臺相同的直流變換子模塊SM1、SM2、…SMn，第一臺直流變換子模塊SM1的高壓側第一連接端子T1通過直流電感L1與高壓直流側的正極相連，第i臺直流變換子模塊SMi的高壓側第二連接端子T2與第i+1臺直流變換子模塊SMi+1的高壓側第一連接端子T1相連，第n臺直流變換子模塊SMn的高壓側第二連接端子T2與高壓直流側的負極相連；n臺直流變換子模塊SM1、SM2、…SMn的低壓側第三連接端子T3均與低壓直流側的正極相連。本發明通過對輸入側半導體開關的協調控制，當系統內某一直流變換子模塊任何一個部分發生故障時可以迅速旁路故障的子模塊，實現全冗余功能，保證直流變壓器的安全可靠運行。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，更具體地，涉及一種基于級聯DAB結構的直流變壓器。

背景技術

隨著電力電子控制技術和器件制造技術的發展，相比交流電網，直流電網在很多領域取得了技術和經濟的優勢。尤其是隨著分布式新能源并網的需求日益增長，以及直流負載的廣泛應用，直流電網是今后電力發展的趨勢。

為了實現高低壓直流電網的電壓變換和功率管理，直流變壓器作為直流電網的重要組成部分受到了廣泛的關注。基于雙主動全橋(DAB)級聯的直流變壓器是當前研究的一個熱點。其由多個DAB子模塊級聯構成，高壓側串聯，低壓側并聯，如圖1所示。該直流變壓器不僅可以實現了高低壓等級的變換，還實現了高低壓直流母線的電氣隔離以及功率的雙向流動。但是，由于高壓側直流電容采用串聯結構，當某一個DAB子模塊發生內部故障時，其高壓側直流電容無法被旁路，此直流電容電壓將一直上升，直到系統過壓保護啟動。此拓撲結構無法實現直流變壓器冗余運行，降低了直流變壓器的可靠性。另外，當發生直流母線外部故障時，會導致直流電容迅速放電，產生較大的過電流，并且故障清除后，需要對直流電容重新充電，使直流系統的動態恢復過程變慢。此外，當DAB子模塊中直流電壓變比與高頻變壓器兩端物理變比不匹配時，DAB子模塊將承受更大的電流應力，使得系統損耗增加和功率密度降低。

文獻《一種開關電容接入的高頻鏈雙向直流變壓器及其控制方法》公開了基于開關電容接入的雙向直流變壓器方案，如圖2所示。該直流變換器由n臺相同的直流變換器子模塊SM1、SM2、…、SMn組成，每個直流變換子模塊SM在圖1的DAB子模塊的基礎上增加了三個半導體開關(S9、S10、S11)和一個直流電抗(L2)。第九、第十半導體開關(S9、S10)與高壓直流側串聯的高頻電抗器一起構成直流穩壓電路，從而保持高頻鏈環節的電壓匹配，有利于減小環流。第十一半導體開關(S11)與低壓直流側電容串聯。當外部發生故障時，可以通過關斷所有半導體開關實現故障的快速切除，且外部故障消失時，可以實現快速恢復運行；當內部發生故障時，可以通過第九、第十一半導體開關(S9、S11)關斷，第十半導體開關(S10)導通，確保實現故障的冗余運行。該方案通過增加三個半導體開關和一個直流電抗，有利于解決傳統級聯DAB結構的缺陷和不足，如直流電壓不匹配和環流增加問題，外部故障的快速切換和恢復問題以及內部故障冗余問題。但是增加的三個半導體開關，并沒有實現直流變壓器各種內部故障的全冗余，在以下三種情況下，無法實現故障模塊可靠切除：a)第九半導體開關(S9)出現短路故障；b)第十半導體開關(S10)出現開路故障；c)第十一半導體開關(S11)出現短路故。