一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑制造技术

本发明专利技术提出了一种具有故障自切除能力的直流电力电子变压器拓扑。直流电力电子变压器所适用的场合主要有两种，场合一：中、高压直流母线与低压直流母线间的电压变换；场合二：不同中、高压母线间的电压变换。本发明专利技术所提出的直流电力电子变压器拓扑结构在保证开关器件电压应力不变的条件下，降低级联DC/DC变换器的数量，减少变压器和开关器件的数量，从而进一步降低直流电力电子变压器的体积和重量；本发明专利技术所提出的直流电力电子变压器拓扑结构可以实现软开关，提高直流变换的效率；本发明专利技术所提出的直流电力电子变压器拓扑结构能够实现单元模块的故障自切除，无需采用直流接触器对故障单元模块进行故障切除。

A new type of DC power transformer topology with fault self removal capability

A new type of DC power transformer topology with fault self - excision is proposed in this invention. There are mainly two applications of DC power electronic transformer, one is voltage transformation between medium and high voltage DC bus and low voltage DC bus, and two is voltage transformation between different medium and high voltage buses. Electronic transformer DC power topology is provided in order to ensure the voltage stress of switch devices under the same conditions, reduce the number of cascaded DC/DC converter, reduce the number of transformer and switching devices, so as to further reduce the volume and weight of electronic transformer DC power electronic transformer; DC power topology structure of the invention can be achieved by the proposed soft switching, improve the efficiency of DC converter; since the fault of DC power electronic transformer topology proposed by the invention can realize the unit module, without the use of DC contactor for fault unit module fault.

【技术实现步骤摘要】
一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑
本专利技术涉及一种具有故障自切除能力的新型电力电子变压器拓扑，适用于柔性交、直流输、配电网，新型轨道交通变流装置，新能源并网，能源互联网等所有可能用到中、高压双向隔离直流变换的领域。
技术介绍
电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)是一种基于电力电子变换技术、具备高频链路环节、能够实现变压变流与电气隔离的电能变换装置，也常被称为固态变压器(Solidstatetransformer，SST)。电力电子变压器不仅具有传统变压器的基本功能，还具备如下特点：1、使用中、高频变压器替代工频变压器，减小了变压器的体积和重量；2、原、副边电压电流可控，可在保护供电质量的同时减小系统的谐波污染；3、具有模块化结构，可以实现装置的“即插即用”，利于模块的修理和拆卸，同时也便于系统的保护；4、既可以连接交流母线，也可以连接直流母线，又或者实现交、直流母线的互联。基于上述特点，使得电力电子变压器在柔性交、直流输、配电网，新型轨道交通变流装置，新能源并网、能源互联网等场合得到了广泛地研究和应用。电力电子变压器的核心部分为高频链路环节，而目前的高频化方案主要有两类：第一类为基于矩阵式变换器的AC/AC变换，另一类则为基于级联型双向隔离式直流变换器的DC/DC变换。相较于第一类AC/AC变换，DC/DC变换具有功率密度高，控制简单，结构模块化程度高和易于扩展等优点，得到了更为广泛的应用。而基于级联型双向隔离式直流变换器的DC/DC变换方案，由于能够直接实现不同电压等级的直流变换，也被称之为直流电力电子变压器。现有的直流电力电子变压器的基本结构为模块级联型拓扑。图1为一种典型的输入串联，输出并联的模块级联型直流电力电子变压器拓扑结构，通过若干个输入串联、输出并联的隔离型DC/DC变换器模块，实现中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，这种拓扑结构具有模块化程度高的优点，但是，由于其使用了较多的DC/DC变换器模块级联，所需的变压器、开关器件数量较多，装置的体积、重量、成本和可靠性相对较差。为了解决这一问题，研究人员提出采用三电平隔离型DC/DC变换器模块替代原有的模块，这样能够在一定程度上减少变压器和开关器件的数量，但是，这类拓扑结构受均压控制的复杂性所限，电平数难以进一步增加，因此所达到的优化效果差强人意。此外，现有的直流电力电子变压器拓扑结构通常都依赖直流接触器来旁路故障单元、切除故障。旁路接触器有三个问题：第一，大容量高压接触器比较大，占用设备体积；第二，对于现有的级联型电路，无论交流，还是直流，实际操作需考虑“阻断IGBT器件脉冲”和“使能旁路接触器”的先后顺序，因为接触器的反应存在延时，如果操作时序不当，将会导致故障蔓延而使整个系统停机；第三，旁路接触器不能直接与电容并联，否则，接触器动作时电容将被接触器短路，而导致接触器或电容烧损。故采用直流接触器的方案会大大增加系统的复杂性、体积、重量和成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对直流电力电子变压器所存在的变压器、开关器件数量庞大，故障切除成本高的现状，提出了一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑。直流电力电子变压器所适用的场合主要有两种。场合一：中、高压直流母线与低压直流母线间的电压变换；场合二：不同中、高压直流母线间的电压变换。针对上述两种主要应用场合，本专利技术分别提出了相应的基本拓扑结构及其优化拓扑结构。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，包括：中、高压直流母线Pp、中、高压直流母线Pn、低压直流母线Qp、低压直流母线Qn、1个均压变换器和级联型双向隔离式DC/DC变换器；其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；级联型双向隔离式DC/DC变换器的输入侧与中、高压直流母线Pp和中、高压直流母线Pn相连，输出侧与低压直流母线Qp和低压直流母线Qn相连；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，低压直流母线Qp与低压直流母线Qn之间由n个直流支撑电容Co1，Co2，……，Con并联，共同作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，且其桥臂中点Pi1-Pin的相邻桥臂中点间连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。在上述方案的基础上，为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离DC/DC变换器。在上述方案的基础上，为了进一步降低开关器件的数量，可将均压变换器中的桥臂作为双向隔离式DC/DC变换器的桥臂来使用，要求均压变换器的开关频率与双向隔离式DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。在上述方案的基础上，当任意一个双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，可直接封锁相应双向隔离式DC/DC变换器的驱动脉冲实现对该双向隔离式DC/DC变换器的自动旁路，其余双向隔离式DC/DC变换器仍能继续运行，且额定电压不发生变化；直流支撑电容的电压平衡依靠均压变换器来实现。在上述方案的基础上，所述双向隔离式DC/DC变换器可以为任何形式的隔离式DC/DC变换器。在上述方案的基础上，所述双向隔离式DC/DC变换器推荐采用全桥结构或半桥结构的双向隔离式DC/DC变换器。如双向隔离式DC/DC变换器采用全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线间的电压变换，包括：中、高压直流母线Pp，中、高压直流母线Pn，中、高压直流母线Qp，中、高压直流母线Qn，级联型双向隔离式DC/DC变换器和2个均压变换器；其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间由k个直流支撑电容Co1，Co2，……，Com，……，Co(m+n-1)，……，Cok自上而下依次串联，其中直流支撑电容Com-Co(m+n-1)分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；其中一个均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，另一个均压变换器的k组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Qp与中、高压直流母线Qn之间，且它们的桥臂中点Pi1-Pin和Qo1-Qok的相邻桥臂中间点分别连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入、输出直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。在上述方案的基础上，为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，其特征在于，包括：中、高压直流母线Pp，中、高压直流母线Pn，低压直流母线Qp，低压直流母线Qn，1个均压变换器和级联型双向隔离式DC/DC变换器；其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；级联型双向隔离式DC/DC变换器的输入侧与中、高压直流母线Pp和中、高压直流母线Pn相连，输出侧与低压直流母线Qp和低压直流母线Qn相连；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，低压直流母线Qp与低压直流母线Qn之间由n个直流支撑电容Co1，Co2，……，Con并联，共同作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，且其桥臂中点Pi1‑Pin的相邻桥臂中点间连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。

【技术特征摘要】
1.一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，应用于中、高压直流母线和低压直流母线间的电压变换，其特征在于，包括：中、高压直流母线Pp，中、高压直流母线Pn，低压直流母线Qp，低压直流母线Qn，1个均压变换器和级联型双向隔离式DC/DC变换器；其中，级联型双向隔离式DC/DC变换器包括n个双向隔离式DC/DC变换器；级联型双向隔离式DC/DC变换器的输入侧与中、高压直流母线Pp和中、高压直流母线Pn相连，输出侧与低压直流母线Qp和低压直流母线Qn相连；中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间由n个直流支撑电容Ci1，Ci2，……，Cin自上而下依次串联，分别作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输入电容，低压直流母线Qp与低压直流母线Qn之间由n个直流支撑电容Co1，Co2，……，Con并联，共同作为n个双向隔离式DC/DC变换器的输出电容；均压变换器的n组开关桥臂串联连接于中、高压直流母线Pp与中、高压直流母线Pn之间，且其桥臂中点Pi1-Pin的相邻桥臂中点间连接有由谐振电感和谐振电容串联而成的谐振支路，保证各输入直流支撑电容在不同工况下的电压平衡。2.如权利要求1所述的具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，为了减少变压器和开关器件的数量，可根据设计需求，任意减少双向隔离式DC/DC变换器的数量，但至少需要保留1个双向隔离DC/DC变换器；为了进一步降低开关器件的数量，可将均压变换器中的桥臂作为双向隔离式DC/DC变换器的桥臂来使用，要求均压变换器的开关频率与双向隔离式DC/DC变换器的开关频率相同，且桥臂上下开关管的驱动脉冲为50％占空比的互补方波脉冲。3.如权利要求1所述的具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，当任意一个双向隔离式DC/DC变换器发生故障时，可直接封锁相应双向隔离式DC/DC变换器的驱动脉冲实现对该双向隔离式DC/DC变换器的自动旁路，其余双向隔离式DC/DC变换器仍能继续运行，且额定电压不发生变化；直流支撑电容的电压平衡依靠均压变换器来实现。4.如权利要求1所述的具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述双向隔离式DC/DC变换器可以为任何形式的隔离式DC/DC变换器。5.如权利要求4所述的具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述双向隔离式DC/DC变换器为采用全桥结构或半桥结构的桥式双向隔离式DC/DC变换器；所述桥式双向隔离式DC/DC变换器采用全桥LLC谐振型DC/DC变换器或双有源桥式DC/DC变换器。6.一种具有故障自切除能力的新型直流电力电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张捷频，刘建强，杨景熙，郑琼林，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11