[發明專利]一種具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器及控制方法

有效

• 申請號: 202011251085.2
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112421602B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 張建文;孔心怡;施剛;周劍橋;蔡旭
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02J1/08
• 分類號: H02J1/08;H02J1/10;H02J1/14
• 代理公司: 南京禹為知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32272
• 代理人: 朱寶慶

1.一種具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器，其特征在于：包括，

直流變壓器(100)包括輸入級變換器(101)、中間隔離變壓器(102)和輸出級變換器(103)，在所述輸入級變換器(101)和輸出級變換器(103)注入直流電流；

控制器(200)連接于所述直流變壓器(100)，控制輸入直流變壓器(100)中的直流電流；

所述直流變壓器(100)還包括，所述直流變壓器(100)分為并網型直流變壓器(100a)和離網型直流變壓器(100b)；

所述直流變壓器(100)工作原理包括，

直流變壓器(100)采用傳統的單移相調制方式，通過控制原副邊橋臂電壓v_i和v_o之間移相角φ的大小來控制傳輸功率，設定移相角與π之比為移相占空比為D，即設定變壓器原副邊匝比為N，且V₁/N＝V₂；在真雙極對稱運行時，即副邊電感電流i_L2不含直流分量時的直流變壓器(100)，在這種工況下，求取[t₂，t₃]時段內電感電流的大小，得到正向工作時半個開關周期內i_L2的表達式，為：

通過在變壓器副邊注入直流，可實現正負極的能量交互，從而平衡雙極功率，實現直流變壓器穩定的真雙極不對稱運行，當副邊的電感電流中注入直流分量I_dc2時，其表達式為i′_L2(t)＝i_L2(t)+I_dc2,

通過正負極輸出的平均功率得出：

P₂-P₁＝V₂I_dc2

其中：P₁為正極輸出的平均功率，P₂為負極輸出的平均功率；用P_u表示雙極不平衡功率，即P_u＝P₂-P₁，上式可以改寫為：

P_u＝V₂I_dc2。

2.如權利要求1所述的具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器，其特征在于：所述控制器(200)包括，所述控制器(200)包括并網型控制器(201)和離網型控制器(202)，其中所述并網型控制器(201)連接于所述并網型直流變壓器(100a)，所述離網型控制器(202)連接于所述離網型直流變壓器(100b)。

3.如權利要求2所述的具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器，其特征在于：所述并網型控制器(201)包括，功率外環控制器(201a)和電流內環控制器(201b)，控制輸入所述并網型控制器(201)的直流電流，所述電流內環控制器(201b)有兩個分別為電流內環控制器1(201b-1)和電流內環控制器2(201b-2)，并且與所述輸入級變換器(101a)和輸出級變換器(103a)相連接，對注入其中的直流電流進行控制。

4.如權利要求2或3所述的具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器，其特征在于：所述離網型控制器(202)包括，電壓控制器(202a)和電流控制器(202b)，控制輸入所述離網型直流變壓器(100b)的直流電流，其中所述直流電流在所述離網型直流變壓器(100b)的輸出級變換器(103a)注入。

5.如權利要求1所述的具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器，其特征在于：所述輸入級變換器(101)包括，所述輸入級變換器(101)采用全橋結構。

6.如權利要求5所述的具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器，其特征在于：所述輸出級變換器(103)包括，所述輸出級變換器(103)采用三電平結構或半橋結構。

7.一種具有真雙極并離網運行能力的直流變壓器的控制方法，其特征在于，包括，

設定變壓器原、副邊直流注入的電流參考值并與實際電感電流的直流分量進行比較，得到電流偏差；

將所述偏差進行PI控制，獲得直流注入電壓參考值并經過PWM調制使得變壓器輸出側正負極功率平衡，同時變壓器中不存在直流偏置磁通；

利用控制器進行參考值和偏差值的調節，實現變壓器的控制；

所述直流變壓器(100)工作原理包括，

直流變壓器(100)采用傳統的單移相調制方式，通過控制原副邊橋臂電壓v_i和v_o之間移相角φ的大小來控制傳輸功率，設定移相角與π之比為移相占空比為D，即設定變壓器原副邊匝比為N，且V₁/N＝V₂；在真雙極對稱運行時，即副邊電感電流i_L2不含直流分量時的直流變壓器(100)，在這種工況下，求取[t₂，t₃]時段內電感電流的大小，得到正向工作時半個開關周期內

i_L2的表達式，為：

通過在變壓器副邊注入直流，可實現正負極的能量交互，從而平衡雙極功率，實現直流變壓器穩定的真雙極不對稱運行，當副邊的電感電流中注入直流分量I_dc2時，其表達式為i′_L2(t)＝i_L2(t)+I_dc2，通過正負極輸出的平均功率得出：

P₂-P₁＝V₂I_dc2

其中：P₁為正極輸出的平均功率，P₂為負極輸出的平均功率；用P_u表示雙極不平衡功率，即P_u＝P₂-P₁，上式可以改寫為：

P_u＝V₂I_dc2

所述實現變壓器的控制包括：

所述變壓器包括基于直流注入的并網型真雙極直流變壓器和離網型真雙極直流變壓器，其中對所述基于直流注入的并網型真雙極直流變壓器進行控制包括：通過不平衡功率外環控制器控制所述變壓器的不平衡功率，利用PI調節器調節所述不平衡功率和控制后的偏差值，產生直流參考值，實現對變壓器雙極不平衡功率的控制；對所述離網型真雙極直流變壓器進行控制包括：利用電流控制器調節變壓器原邊的直流注入，實現原、副邊電感電流直流分量的平衡，從而消除變壓器直流偏磁，利用電壓控制器對電壓參考值和實際值的偏差，再利用PI調節器產生移相調制下的移相占空比，實現對變壓器輸出電壓的控制。