[发明专利]具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元

说明书

技术领域

本发明涉及模块化多电平变流器技术及直流变换技术领域，尤其涉及一种具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元。

背景技术

随着传统化石能源的日益短缺和环境污染的加剧，对清洁电力能源传输和能源供需广域平衡等新技术的要求逐渐出现和提高，这给传统的电网相关技术带来重大挑战。为了进一步提高电网的稳定性和可靠性，改善电网电能质量、提高供电容量、隔离故障区域，同时方便可再生能源及储能装置的灵活接入，国内外学者纷纷针对直流电网展开相关研究，并取得了一定的进展。

在构成直流电网所需的各类关键设备中，高压大功率直流变换器无疑是直流电网的支撑技术，起到了类似交流电网中变压器的作用。近年来，随着以模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)为代表的高压柔性直流输电技术的成熟，将其应用到直流变压器研制中，以发挥模块化多电平变流器良好的冗余性、开关频率低、损耗小、输出谐波少等优点，成为新的技术发展趋势，但从已有成果来看，此类结构的相关研究尚处于初期阶段，还没有实际工业样机的相关报道，且在系统容量和可靠性上依然存在一定的瓶颈，难以适应直流电网中宽电压变比的应用需求。

文献“A Versatile DC-DC Converter for Energy Collection and Distribution using the Modular Multilevel Converter”首先提出一种基于传统MMC的直流变换器的拓扑构想，但在直流电压变比较高的应用场合，会导致中频变压器的两侧变比过大，而过大的低压侧电流需要较粗的绕线，并不利于中频变压器的绕制，而且由于目前单体中频变压器的最大容量约为5MW，因此使用单一的中频变压器也限制了其容量进一步提升。

发明专利“基于级联模块化多电平的电力电子变压器CN104638940A”中公开了一种一次侧使用多个MMC串联，二次侧使用H桥子模块并联的串入并出式(Input-Series Output-Parallel，ISOP)直流变换器，尽管分散了交流侧能量，降低了中频变压器的绕制难度，但由于直流并联输出端电压等级较低，只能应用于变比较大的情况。

因此，研究使用分布式隔离中频变压器且具有宽电压变比的新型直流变换拓扑具有重要的实际意义。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元，包括第一级联模块和第二级联模块，两个级联模块的输入端串联，输出端也串联。每个级联模块都包括一次侧的模块化多电平逆变器、中频变压器以及二次侧的模块化多电平整流器；一次侧模块化多电平逆变器的交流端经中频变压器连接到二次侧模块化多电平整流器的交流端。

每个级联模块中的模块化多电平逆变器和模块化多电平整流器产生的环流压降可以相互抵消，实现环流反向自消除。

模块化多电平逆变器及模块化多电平整流器均由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块和一个桥臂电感串联组成。每个半桥子模块由两组串联的开关器件反并联两个续流二极管组成，每个续流二极管反并联在每个开关器件两端，串联开关器件两端并联一个子模块电容。

一种直流变换器，包括若干具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元，输入侧和输出侧进行串并联组合，共有4种结构，直流变换单元的输入侧串联，输出侧串联；直流变换单元的输入侧串联，输出侧并联；直流变换单元的输入侧并联，输出侧串联；直流变换单元的输入侧并联，输出侧并联。

有益效果：本发明将直流变换单元进行不同形式的串并联模块化组合可得到适用于不同电压等级的高压大功率直流变换器，接入直流电网，最终达到直流互联的目的。本发明将能量分散传递，避免使用可能在高压大容量场合中成为系统应用瓶颈的单一的中频变压器，因此相比传统MMC型直流变换器有着中频变压器更易绕制的优势。本发明使用对称双级联结构，可通过控制使每个级联模块中两个MMC所产生的环流反向自消除；又因为使用MMC与串并联模块化组合相结合的结构，可实现更宽变比的直流变换。

附图说明

图1是本发明所述的具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元；

图2是模块化多电平逆变器MMCl和模块化多电平整流器MMC2的电路拓扑图；

图3是半桥子模块的电路拓扑图；

图4是本发明直流变换单元的整体原理图；