[发明专利]一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器

说明书

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及到直流输配电，特别涉及一种用于直流输配电的模块化直流固态变压器。

背景技术

由于具有模块化程度高、效率高、功率密度高、噪音低、智能化程度高等大量优点，目前已经有较多研究关注采用电力电子变压器(也称为固态变压器SST)取代传统交流配电变压器，尤其是随着智能电网中分布式电能、储能等的快速发展，SST作为各种分布式单元的集成系统、并实现电压、潮流等灵活控制的解决方案越来越受到重视。但总的来说，整个国际上目前对SST的研究基本上都停留在交流SST上，对直流SST的研究较少涉及。

而目前，基于电压源变流器(Voltage Source Converter,VSC)的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)可以独立、快速控制所传输的有功功率和无功功率，因此极大地增强了输电的灵活性，使其成为最近发展起来的最有潜质的电力传输方式，特别适用于风力发电场与主网之间的稳定联结、向孤立的远方小负荷区供电等应用。近年来VSC-HVDC技术在国内外都已得到了普遍的重视，VSC-HVDC工程也日益增多。在配电网络方面，随着城市的发展和用电负荷的快速增加，对配电网络输送容量的要求也日益增加，需要在有限的配电网走廊上输送更大的容量。在用电密集的城市电网中采用柔性直流技术，将可以占用更少的输电走廊，并可利用它的快速可控性等特点，解决城市供电中存在的供电困难、成本高以及潮流难以控制等问题，维持城市电网的安全可靠经济运行。通过直流配网的方式，还可以减少储能系统和新能源发电系统接入电网的中间环节，降低接入成本、提高功率转换效率和电能质量。

在直流输配电中，需要实现不同直流电压等级电网之间的电压变换和功率流动，而在直流电网中，难以像交流电网中通过交流磁耦合的方式实现电压变换，因此必须基于电力电子技术通过直流SST实现直流电压的变换和功率的双向传递。

虽然在低压小容量领域DC/DC变换器已经得到比较广泛的应用，但由于电力电子半导体器件发展程度的限制，中高压大容量等级的直流SST仍有待研究和应用。目前已有的直流SST技术方案中，大多采用低压小容量DC/DC变换器在高压端串联和在低压端并联的方案，而这种方案可以实现高压和低压直流端的电压和功率转换，却无法实现高压和高压直流端的电压和功率转换，应用领域受限。

发明内容

本发明的目的是为解决上述的技术问题，提出一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，实现高压和低压或者高压和高压直流输配电网的电压匹配，并且实现功率的双向流动和电气隔离，减小系统的重量和体积。

本发明采取的技术方案如下：

一种用于高压直流输配电的模块化直流固态变压器，其特征在于：该系统主要由模块化多电平变换器1、变压器2和模块化多电平变换器3组成。模块化多电平变换器1由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块SM串联，k≥2，n≥2；变压器2的原、副边均由k个绕组组成；模块化多电平变换器3由k个相同的桥臂组成，每个桥臂分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块SM串联，m≥2；模块化多电平变换器1中k个桥臂均与高压直流端A并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器2的原边各绕组引线相连；模块化多电平变换器3中k个桥臂均与高压直流端B并联连接，各个桥臂的中点分别与变压器2的副边各绕组引线相连。

所述的每个桥臂可以包含两个电感模块，所述的电感模块一个串联在上半桥臂下端和桥臂中点之间，一个串联在下半桥臂上端和桥臂中点之间，两个电感的电感量Lc≥0。

所述的模块化多电平变换器1和3中的子模块SM由一个全控型桥臂与一个直流电容C并联组成，全控型桥臂由第一开关S1、第二开关S2、第一二级管D1和第二二极管D2构成，第一开关S1与第一二级管D1反并联，第二开关S2与第二二级管D2反并联，第一开关S1与第二开关S2串联，第一开关S1的上端与直流电容C的正极相连，第二开关S2的下端与直流电容C的负极相连。

所述的变压器2为中频或者高频隔离变压器，工作频率f≥200。

本发明可通过改变每个桥臂上串联的子模块SM的数量，可以实现不同电压等级直流电网的接入。

本发明的直流固态变压器的功率不仅可以从输入端流入输出端，还可以从输出端流入输入端。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1)可以作为直流输配电网的接口系统，实现高压和低压或者高压和高压直流环节的电压匹配，并且实现功率的双向流动和电气隔离。