一种高压大容量直流-直流变换系统的制作方法

1.本发明属于新能源接入技术领域，具体地说是一种高压大容量直流-直流变换系统。


背景技术：

2.由于新能源出力的间歇性、随机性特点，电网安全运行与电能质量问题日益突显，对新能源的接入方式提出了很高的要求。
3.现有的新能源接入方式主要有交流汇集-交流送出、交流汇集-直流送出以及直流汇集-直流送出三种形式，如图1a、1b、1c所示。
4.交流汇集-交流送出、交流汇集-直流送出为目前新能源的主流接入形式。但当大规模新能源采用这两种形式接入弱交流电网时，对电网的承载力和稳定性带来严峻挑战。
5.随着直流输电技术的推广应用，大规模新能源直流汇集-直流送出技术应运而生，相比于另外两种并网技术，直流汇集-直流送出技术(即新能源纯直流接入技术)仅需要维持直流电压稳定即可实现全网稳定，控制目标单一，响应速度快，是未来新能源汇集送出的发展趋势。
6.高压大容量直流-直流变换系统作为新能源直流汇集直流送出系统中的核心设备，能够实现直流变压与功率传递的功能，需要满足以下要求：(1)实现高增益、高效率的直流升压变换；(2)具备一定的故障耐受能力和故障隔离能力；(3)尽可能降低成本，实现变换平台轻量化等。
7.目前，根据是否具备电气隔离，可以将高压大容量直流-直流变换系统分为隔离型和非隔离型。mmc-dab拓扑属于典型的隔离型拓扑(图2)，通过将2个mmc经交流变压器面对面连接，实现电压变换的同时继承了mmc的诸多优点，还能实现故障隔离。但由于该拓扑存在中间交流环节，所需开关器件较多，设备利用率低，体积和成本均存在较大劣势。非隔离型拓扑相对类型较多，有学者采用辅助支路构造的方法提出了一种t型直流变换拓扑(图3)，每相单元由三个桥臂组成t形结构，无需大容量中频变压器且省去输出侧较大的电感滤波装置，工程适用性较强；但非隔离型拓扑在高升压比场合下无法保证低成本，且不具故障隔离能力。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种高压大容量直流-直流变换系统，其通过低压侧电力电子器件直串或三相子模块并联形式和高压侧三相子模块串联形式，在确保可靠性的同时，使得直流-直流变换系统的成本和设备体积显著下降。
9.为此，本发明采用的一种技术方案如下：一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，
10.低压侧采用基于电力电子器件直串形式的三相桥式结构，高压侧采用基于模块化
多电平形式的三个单相桥式电路串联结构。
11.进一步地，所述低压侧采用三相两电平拓扑，桥臂由电力电子器件直接串联而成；所述高压侧采用三相子模块串联形式，为三相两段配置。
12.更进一步地，所述的三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个子桥臂构成的单相mmc电路，三个单相mmc电路串联后再连接至高压侧直流母线。
13.上述的拓扑结构，作为隔离型拓扑，高、低压侧由交流隔离变压器连接，使其具备高、低压侧全电磁隔离能力，系统安全性高。
14.低压侧采用三相两电平拓扑，桥臂由电力电子器件直接串联而成。选择三相结构的原因是低压侧电流应力较高，三相比两相更能降低电力电子器件的电流应力。选择电力电子器件直接串联承受低压侧的电压应力，能够提高功率密度，降低设备体积和成本，且中压侧电压等级较低，均压问题不突出，采用压接式器件串联可实施性高。
15.高压侧采用子模块串联，而与传统mmc-dab拓扑不同的是，在高压侧不再采用常规mmc三相六桥臂结构，而是三段两相配置：变压器出来的每一相交流连至由四个子桥臂构成的单相mmc电路，三个单相电路再串联之后连接至高压侧直流母线。相比于mmc-dab，提出的直流-直流变化拓扑能够将高压侧mmc的桥臂精简掉一个相单元，减少1/3总数的桥臂模块，从而使设备造价和体积显著下降；同时三段两相配置还能降低交流隔离变压器的变比，减少每个控制周期的子模块投切数量，从而降低隔离变压器承受的du/dt应力。
16.上述的拓扑结构，可实现直流-直流变换装置功率的双向流动，可以满足低压直流母线扩展直流配用电系统的需求；同时本发明的交流隔离变压器属于高压设备，频繁启停对设备寿命损耗大、运行人员操作任务繁重，双向拓扑可以避免新能源受环境影响频繁启停。
17.在上述拓扑基础上，本发明还提供以下三种类似拓扑，以适应不同场景的需求。
18.1)一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，所述低压侧采用基于电力电子器件直串形式的三相两电平拓扑；所述高压侧采用三相二极管串联形式，为二极管三段两相配置。
19.进一步地，所述的二极管三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个二极管直接串联桥臂构成的单相二极管整流电路，三个单相二极管整流电路串联后再连接至高压侧直流母线。
20.上述拓扑结构，适应经济性要求高(即要求成本低)、系统潮流传输方向单一的应用场景，能够进一步优化设备成本和体积(或占地)。
21.2)一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，所述的低压侧采用三相子模块并联的三相两电平拓扑，所述高压侧采用三相二极管串联形式，为二极管三段两相配置。
22.进一步地，所述的二极管三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个二极管直接串联桥臂构成的单相二极管整流电路，三个单相二极管整流电路串联后再连接至高压侧直流母线。
23.上述拓扑结构，适应低压侧电压等级较高的场景，同样为单相拓扑，该拓扑的优势在于低压侧采用子模块级联方式，虽然成本和体积优势有所减弱，但不存在电力电子器件直接串联后均压困难的问题。
24.3)一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，所述的低压侧包括两条并列运行的支路，每条支路均采用基于电力电子器件直串形式的三相两电平拓扑，高压侧采用三相子模块串联形式，为三相两段配置。
25.进一步地，低压侧两条支路的容量之和等于高压侧容量。
26.进一步地，所述的三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个子桥臂构成的单相mmc电路，三个单相mmc电路串联后再连接至高压侧直流母线。
27.上述拓扑结构，为提升交流隔离变压器的可靠性，同时兼顾成本，拓扑的基础上增加一条支路，相当于交流隔离变压器原边两条支路并列运行，交流隔离变压器原边两条支路的容量之和等于副边容量。当交流隔离变压器原边一条支路因故障停运时，另一条支路仍可以输出功率，保留50％的新能源功率输出。此外，增加的支路可以作为一个新的端口引入其他新能源接入。
28.较现有技术，本发明的拓扑具有如下优势：低压侧采用功率器件直接串联方式，设备体积小、功率密度高、成本低，且低压侧电压等级较低，均压问题不突出，还能采用压接式电力电子器件(igct、igbt)实现串联设计；高压侧采用三相子模块串联结构，相比于mmc-dab拓扑精简掉一个相单元，减少了1/3总数的桥臂模块，使设备造价和占地显著下降；作为隔离型拓扑能够实现故障隔离；原副边可采用移相控制实现软开关，进一步提升效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1a为现有新能源交流汇集-交流送出系统的结构图；
31.图1b为现有新能源交流汇集-直流送出系统的结构图；
32.图1c为现有新能源直流汇集-直流送出系统的结构图；
33.图2为现有mmc-dab拓扑图；
34.图3为现有t型直流变换拓扑图；
35.图4为本发明高压大容量直流-直流变换系统的第一种拓扑图；
36.图5为本发明高压大容量直流-直流变换系统的第二种拓扑图；
37.图6为本发明高压大容量直流-直流变换系统的第三种拓扑图；
38.图7为本发明高压大容量直流-直流变换系统的第四种拓扑图。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1
41.如图4所示的一种高压大容量直流-直流变换系统。低压侧为基于电力电子器件直
接串联形式的三相桥式结构，高压侧为基于模块化多电平形式的三个单相桥式电路串联结构。
42.作为隔离型拓扑，高低压侧由交流隔离变压器连接，使其具备高、低压侧全电磁隔离能力，系统安全性高。低压侧采用三相两电平拓扑，桥臂由电力电子器件直接串联而成，能够提高功率密度，降低设备体积和成本，且中压侧电压等级较低，均压问题不突出，采用压接式器件串联可实施性高。高压侧采用三相子模块串联形式，而与传统mmc-dab拓扑不同的是，在高压侧不再采用常规mmc三相六桥臂结构，而是三段两相配置：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个子桥臂构成的单相mmc电路，三个单相电路再串联之后连接至高压侧直流母线。
43.相比于传统mmc-dab拓扑，本发明的直流-直流变化拓扑能够将高压侧mmc的桥臂精简掉一个相单元，减少1/3总数的桥臂模块，从而使设备成本和体积显著下降；同时三段两相配置还能降低变压器的变比，降低变压器的制造难度。
44.图4的拓扑可实现直流-直流变换装置功率的双向流动，可以满足低压直流母线扩展直流配用电系统的需求；同时本发明的交流隔离变压器属于高压设备，频繁启停对设备寿命损耗大、运行人员操作任务繁重，双向拓扑可以避免新能源受环境影响频繁启停。
45.实施例2
46.图5为本发明高压大容量直流-直流变换系统的另一种拓扑，图5是在图4的基础上，将高压侧三段两相配置的子模块改为二极管阀，即高压侧采用三相二极管串联形式，为二极管三段两相配置。所述的二极管三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个二极管直接串联桥臂构成的单相二极管整流电路，三个单相二极管整流电路串联后再连接至高压侧直流母线。
47.上述拓扑结构，适应经济性要求高(即要求成本低)、系统潮流传输方向单一的应用场景，能够进一步优化设备成本和体积(或占地)。
48.实施例3
49.图6为本发明高压大容量直流-直流变换系统的又一种拓扑。
50.针对低压侧电压等级较高的场景，本发明在图5拓扑的基础上将低压侧的基于电力电子器件直串形式的三相两电平拓扑改为采用子模块级联的三相两电平拓扑，高压侧采用二极管阀三段两相配置。所述的二极管三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个二极管直接串联桥臂构成的单相二极管整流电路，三个单相二极管整流电路串联后再连接至高压侧直流母线。
51.同样为单相拓扑，该拓扑的优势在于低压侧采用子模块级联方式，虽然成本和体积优势有所减弱，但不存在电力电子器件直接串联后均压困难的问题。
52.实施例4
53.图7为本发明高压大容量直流-直流变换系统的再一种拓扑。
54.为提升交流隔离变压器的可靠性，同时兼顾经济性(即成本)，在图4拓扑的基础上增加一条支路，相当于交流隔离变压器原边两条支路并列运行，交流隔离变压器原边两条支路的容量之和等于副边容量。当交流隔离变压器原边一条支路因故障停运时，另一条支路仍可以输出功率，保留50％的新能源功率输出。此外增加的支路可以作为一个新的端口引入其他新能源接入。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，其特征在于，低压侧采用基于电力电子器件直串形式的三相桥式结构，高压侧采用基于模块化多电平形式的三个单相桥式电路串联结构。2.根据权利要求1所述的一种高压大容量直流-直流变换系统，其特征在于，所述低压侧采用三相两电平拓扑，桥臂由电力电子器件直接串联而成；所述高压侧采用三相子模块串联形式，为三相两段配置。3.根据权利要求2所述的一种高压大容量直流-直流变换系统，其特征在于，所述的三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个子桥臂构成的单相mmc电路，三个单相mmc电路串联后再连接至高压侧直流母线。4.一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，其特征在于，所述低压侧采用基于电力电子器件直串形式的三相两电平拓扑；所述高压侧采用三相二极管串联形式，为二极管三段两相配置。5.根据权利要求4所述的一种高压大容量直流-直流变换系统，其特征在于，所述的二极管三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个二极管直接串联桥臂构成的单相二极管整流电路，三个单相二极管整流电路串联后再连接至高压侧直流母线。6.一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，其特征在于，所述的低压侧采用三相子模块并联的三相两电平拓扑，所述高压侧采用三相二极管串联形式，为二极管三段两相配置。7.根据权利要求6所述的一种高压大容量直流-直流变换系统，其特征在于，所述的二极管三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个二极管直接串联桥臂构成的单相二极管整流电路，三个单相二极管整流电路串联后再连接至高压侧直流母线。8.一种高压大容量直流-直流变换系统，包括高压侧和通过交流隔离变压器与高压侧连接的低压侧，其特征在于，所述的低压侧包括两条并列运行的支路，每条支路均采用基于电力电子器件直串形式的三相两电平拓扑，高压侧采用三相子模块串联形式，为三相两段配置。9.根据权利要求8所述的一种高压大容量直流-直流变换系统，其特征在于，低压侧两条支路的容量之和等于高压侧容量。10.根据权利要求8所述的一种高压大容量直流-直流变换系统，其特征在于，所述的三段两相配置如下：交流隔离变压器出来的每一相交流连至由四个子桥臂构成的单相mmc电路，三个单相mmc电路串联后再连接至高压侧直流母线。

技术总结
本发明公开了一种高压大容量直流-直流变换系统。现有的MMC-DAB拓扑属于典型的隔离型拓扑，实现电压变换的同时继承了MMC的诸多优点，还能实现故障隔离；但由于该拓扑存在中间交流环节，所需开关器件较多，设备利用率低，体积和成本均存在较大劣势。本发明包括高压侧和低压侧，所述低压侧为基于电力电子器件直接串联形式的三相桥式结构；所述高压侧为基于模块化多电平形式的三个单相桥式电路串联结构。本发明的低压侧，设备体积小、功率密度高、成本低，且低压侧电压等级较低，均压问题不突出，还能采用压接式电力电子器件实现串联设计；高压侧，相比于MMC-DAB拓扑精简掉一个相单元，减少了1/3总数的桥臂模块，使设备造价和占地显著下降。下降。下降。


技术研发人员：陈骞 裘鹏 陆翌 黄晓明 陆承宇 许烽
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/10/19