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CN107257206A - 一种三端直流变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三端直流变压器，包括依次串联的三个链式模块，第一链式模块的输入端通过桥臂电感与第一直流电压源的正极连接，第二链式模块的输入端通过滤波电感与第二直流电压源的正极连接，第三链式模块的输入端通过滤波电感与第三直流电压源的正极连接，所述第三链式模块的输出端分别与所述第一直流电压源的负极、所述第二直流电压源的负极以及所述第三直流电压源的负极连接；每一链式模块由若干半桥型子模块以及至少一全桥型子模块串联组成。

Description

一种三端直流变压器
技术领域
本发明涉及电学领域，具体地，涉及一种三端直流变压器。
背景技术
随着传统能源的短缺和环境恶化问题的加剧，风能、太阳能等可再生清洁能源的利用与开发得到了越来越多的重视。风能、太阳能等新能源发电具有间歇性，随机性的特点，传统的电网结构和运行技术无法适应大规模可再生能源接入，而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效手段。由于直流电网尚无统一标准，现有的直流线路大都运行在不同的电压等级，为了将不同电压等级的直流输电系统互联形成直流电网，需要应用直流变压器(通常又称为DC-DC变换器)。已有的高压DC-DC变换器可连接两个直流输电系统，如果需要同时连接三个直流输电系统，则需要多个DC-DC变换器，这会增加系统成本。另一种方案是应用三端直流变压器(三端DC-DC变换器)，可直接连接三个直流输电系统以降低系统的成本与损耗。
发表于IEEE Transactions on Power Electronics的文献“Quasi two-leveloperation of modular multilevel converter for use in a high-power dctransformer with dc fault isolation capability”，提出了一种基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的隔离型三端DC-DC变换器拓扑，该变换器本质上是由三个共交流母线的MMC组成，隔离变压器用于电气隔离和变压。由于变换器需要工频变压器，且所需的子模块数量大，因此具有成本高，损耗大，效率低的缺陷。
发表于IEEE Transactions on Power Delivery的文献“Multiport High-PowerLCL DC Hub for Use in DC Transmission Grids”提出了一种直流变压器拓扑，直流变压器采用LCL电路进行变压，因此不需要隔离变压器。但是变换器所需的子模块数量大，因此成本和损耗均较大。
发表于IEEE Transactions on Power Electronics的文献“Multiport DC–DCAutotransformer for Interconnecting Multiple High-Voltage DC Systems at LowCost”提出了一种自耦型多端DC-DC变换器拓扑。变换器中变压器的容量相比上述第一篇文献更小，且所需的子模块数减少。但是变换器仍然需要多个工频隔离变压器，因此系统的体积和成本较高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种体积小、成本低的三端直流变压器。
根据本发明提供的三端直流变压器，包括依次串联的三个链式模块，第一链式模块的输入端通过桥臂电感与第一直流电压源的正极连接，第二链式模块的输入端通过滤波电感与第二直流电压源的正极连接，第三链式模块的输入端通过滤波电感与第三直流电压源的正极连接，所述第三链式模块的输出端分别与所述第一直流电压源的负极、所述第二直流电压源的负极以及所述第三直流电压源的负极连接；
每一链式模块由若干半桥型子模块以及至少一全桥型子模块串联组成。
优选的，所述半桥型子模块由一个电容和两个功率开关管构成，第一功率开关管与电容正极相连，第二功率开关管与电容负极相连。
优选的，所述全桥型子模块由一个电容和四个功率开关管构成，第一功率开关管与第三功率开关管与电容正极相连，第二功率开关管与第四功率开关管与电容负极相连。
优选的，所述第一直流电压源的电压值Udc1>所述第二直流电压源的电压值Udc2>所述第三直流电压源的电压值Udc3。
优选的，所述链式模块的输出电压的交流分量为正弦波，方波和脉宽调制波。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)子模块电容容值大大减小，可减小变换器体积和成本；
2)交流环流更小，开关频率更低，因此效率更高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一种三端直流变压器的电路结构图；
图2为本发明提供的半桥型子模块的电路结构图；
图3为本发明提供的全桥型子模块的电路结构图；
图4为本发明三个链式模块的输出电压示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的三端直流变压器包括依次串联的三个链式模块，链式模块1的输入端通过桥臂电感La与直流电压源Udc1的正极连接，链式模块2的输入端通过滤波电感Lf1与直流电压源Udc2的正极连接，链式模块3的输入端通过滤波电感Lf2与直流电压源Udc3的正极连接，链式模块3的输出端分别与直流电压源Udc1的负极、直流电压源Udc2的负极以及直流电压源Udc3的负极连接，其中Udc1>Udc2>Udc3。
链式模块由多个子模块串联而成，子模块可以为图2中的半桥型子模块或图3中的全桥型子模块。半桥型子模块由一个电容和两只功率开关管构成，第一功率开关管S1与电容正极相连，第二功率开关管S2与电容负极相连。全桥型子模块由一个电容和四只功率开关管构成，第一功率开关管S1、第三功率开关管S3与电容正极相连，第二功率开关管S2、第四功率开关管S4与电容负极相连。在正常工作时，子模块采用半桥型子模块即可，若需要隔离直流故障，则部分子模块必须采用全桥型子模块，因此，设置每一链式模块由若干半桥型子模块以及至少一全桥型子模块串联组成。
如图4所示，链式模块1、2和3的输出电压(vCl1、vCl2、vCl3)均为两电平脉宽调制波形，占空比分别为d1、d2和d3。链式模块2的输出电压相比链式模块1的输出电压存在相移，移相占空比为ds1，链式模块2的输出电压相比链式模块1的输出电压存在相移，移相占空比为ds2。本发明直流变压器通过调节移相占空比ds1和ds2来维持所有子模块电容电压平衡。
所有链式模块的输出电压包含直流分量和交流分量，链式模块1、2和3的输出电压的直流分量分别为(Udc1-Udc2)、(Udc2-Udc3)和Udc3。链式模块间通过交流环流来传递有功功率以实现子模块电容的充放电平衡。链式模块输出电压的交流分量可为正弦波，方波和脉宽调制波。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种三端直流变压器，其特征在于，包括依次串联的三个链式模块，第一链式模块的输入端通过桥臂电感与第一直流电压源的正极连接，第二链式模块的输入端通过滤波电感与第二直流电压源的正极连接，第三链式模块的输入端通过滤波电感与第三直流电压源的正极连接，所述第三链式模块的输出端分别与所述第一直流电压源的负极、所述第二直流电压源的负极以及所述第三直流电压源的负极连接；
每一链式模块由若干半桥型子模块以及至少一全桥型子模块串联组成。
2.根据权利要求1所述的三端直流变压器，其特征在于，所述半桥型子模块由一个电容和两个功率开关管构成，第一功率开关管与电容正极相连，第二功率开关管与电容负极相连。
3.根据权利要求1所述的三端直流变压器，其特征在于，所述全桥型子模块由一个电容和四个功率开关管构成，第一功率开关管与第三功率开关管与电容正极相连，第二功率开关管与第四功率开关管与电容负极相连。
4.根据权利要求1所述的三端直流变压器，其特征在于，所述第一直流电压源的电压值Udc1>所述第二直流电压源的电压值Udc2>所述第三直流电压源的电压值Udc3。
5.根据权利要求1所述的三端直流变压器，其特征在于，所述链式模块的输出电压的交流分量为正弦波，方波和脉宽调制波。
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