超导储能用双向多电平软开关DC/DC及其电压侧移相控制方法技术

一种超导储能用双向多电平软开关ＤＣ／ＤＣ，由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成。电压单元可通过增加变压器原边的绕组和Ｈ桥逆变器的数量，提高电压等级，电流单元可通过并联形式提高电流等级。电压单元的电流等级也可通过Ｈ桥逆变器直流输出端并联的形式获取，电流单元的电压等级也可以通过其直流输出端的串联获取。本发明专利技术通过变压器进一步降低电流单元的电压，加在超导磁体上的电压相对较低，从而减少了电流侧的纹波，减轻了对滤波电路的要求和超导磁体的交流损耗。同时，它还能实现电流单元全部开关管的零电流开关，电压单元全部开关管的零电压开关，本发明专利技术采用电压单元移相控制的方式，使系统灵活工作在充放电状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超导储能用的直流变换器及其控制方法，特别涉及一种超导储能技术双向多电平软开关DC/DC及其电压侧移相控制方法。
技术介绍
近年来，随着超导材料技术的发展，超导材料在电力领域的运用越来越得到人们的关注与重视，世界各国纷纷开展超导电力技术的研究。其中超导储能技术由于能实现脉冲能量调节、电力系统稳定控制等多方面的功能而倍受人们的关注，成为目前唯一商业化的超导电力技术。超导储能技术一般分为电压源型和电流源型两种类型，其中电压源型和电流源型相比，技术更为成熟，从而成为超导储能系统的主流选择。在电压源型超导储能装置中，需要用DC/DC对超导磁体进行充放电。目前常用的DC/DC技术要么是需要充放电设备各一套，如美国专利US005159261“采用充电和放电DC/DC的超导储能稳定装置”；要么采用一套装置同时实现充放电的功能，如美国专利US005661646“采用不同相角的多重化DC/DC斩波器”和美国专利US004695932“超导储能电路”。这些专利虽然采用的拓扑结构不一样，但是都没有解决两个关键的问题1、开关管的软开关问题。这些DC/DC都是通过硬开关来实现超导磁体的充放电，开关管开关应力大，损耗大，不仅大大缩短了开关管的寿命，而且降低了系统的工作效率。2、直流电压端电压低，且只有一个直流端电压接口，无法与先进的多电平电压源逆变器相连。附图说明图1为美国专利US004695932“超导储能电路”的拓扑结构图，其中10为用于超导磁体充放电的DC/DC斩波器。它通过开关管17a和17b的硬开关来实现对超导磁体的充放电，开关管的应力大，损耗也大；同时，它只有一个直流端电压接口，如图1所示的电容9两端所提供的直流电压接口，为了减小谐波，它只能通过采用多重化的形式的电压源换流器与高压电力系统相连。而多重化的电压源换流器需要使用多个体积庞大，价格昂贵的工频变压器。不仅大大增大了系统的体积，还大大增加了系统的成本。工频变压器的体积和成本都占到整个系统的40％以上。
技术实现思路
为了克服已有技术的不足，本专利技术提供了一种可以实现能量双向流动的多电平DC/DC，它的电压单元可以根据需要，通过增加变压器原边的绕组和H桥逆变器的数量，提高电压等级，而它的电流单元可通过并联的形式提高电流等级，同时电压单元的电流等级也可以通过H桥逆变器直流输出端并联的形式来获取，电流单元的电压等级也可以通过其直流输出端的串联来获取。由于可以通过变压器降低电流单元的电压，加在超导磁体上的电压相对较低，从而减少了电流侧的纹波，减轻了对滤波电路的要求和超导磁体的交流损耗。同时，它还能实现电流单元全部开关管的零电流开关，电压单元全部开关管的零电压开关，提高了工作效率。并且，通过采用变压器降压，使电流单元可以采用电压容量低而电流容量大的开关器件，而电流侧电流源换流器单元模块的并联，则进一步提高了电流侧的通流能力，从而有效地提高了超导磁体的储能量。本专利技术还能通过变压器钳位，在外部输入电流一致并且变压器原边等效串联电阻一致的情况下，使得每个H桥逆变器直流端电容器上的电压能自动保持一致，在外部输入电流不同并且变压器原边等效串联电阻存在一定误差的情况下，其直流端电压仅有微小的稳态误差，完全符合工程应用的要求，解决了多电平DC/DC直流端电压难以平衡的难题，并使得与之相连的多电平逆变器的直流端电压也得到了平衡控制，使得超过五电平的多电平逆变器运用于高压系统成为可能，从而避免了采用多重化的电压源逆变器与高压系统相连，降低了系统的体积和成本。本专利技术不仅能运用于超导储能系统，而且还能作为多电平逆变器的辅助电压平衡装置，用以解决多电平逆变器直流端电压不平衡的问题。本专利技术的拓扑结构由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成。其中直流电压端分离形式的拓扑结构可用于连接级联逆变器，而直流电压端连接形式的拓扑结构可用于连接二极管钳位、电容器钳位等形式的多电平逆变器。其中电压单元为多个开关管并联电容的H桥逆变器，H桥逆变器的每个开关管都并联电容器。H桥逆变器的交流端接变压器原边绕组，H桥逆变器的直流端与电容器并联。变压器单元为一个在原边和副边都有多个绕组的变压器，变压器原副边的绕组都在同一个磁芯上，原边绕组的匝数相等，副边绕组的匝数也相等；可以为普通变压器或副边带中间抽头的变压器。电流单元的结构根据变压器单元而定。若为普通变压器，副边为全桥形式的电流源逆变器，若为带中间抽头的变压器，副边为全波形式的电流源逆变器。电流源逆变器的直流端可根据需要进行串联、并联或串并联。电压单元根据需要，也可采用几个H桥逆变器为一组，在直流端进行并联。为了提高功率密度，变压器可用高频变压器。直流端分离形式的拓扑结构中，H桥逆变器直流端相互独立，彼此没有连接，而直流端连接形式的拓扑结构中H桥逆变器直流端上下相互连接。本专利技术的控制方法采用电流单元的触发脉冲不变，而在电压单元进行移相控制的方法。根据电压单元的移相角，可以使变换器工作在充电和放电的状态。调整电压单元的移相角，若使得电流单元直流端输出电压的平均值大于零，则处于充电状态；小于零，则处于放电状态。这种控制方法简单易行，而且充放电转换的速度快。同时这种方法在充放电的过程中，电流单元直流端输出电压，基本上是一种单极性的电压，电流的纹波相对较小，超导磁体的交流损耗较小，而且对电流侧滤波电路的要求也比较低。以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。图1为现有技术美国专利US004695932的原理图。图2为本专利技术的三电平直流电压端分离形式的拓扑结构原理图。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为开关管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为H桥逆变器直流端电容器，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为电流只能单相流动的开关或者是双向流动的开关与二极管相串联的组合，L为超导磁体。图3为本专利技术的三电平直流电压端连接形式的拓扑结构原理图。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为开关管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为H桥逆变器直流端电容器，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为电流只能单相流动的开关或者是双向流动的开关与二极管相串联的组合，L为超导磁体。图4为本专利技术多电平直流电压端分离形式的一个拓扑结构原理图。其中C1-Cn为电容器，FB-1……FB-n为开关管并联电容器的H桥逆变器，REC-1……REC-n为电流源逆变器。L1……Ln为均流电感，L为超导磁体。其中电流单元采用并联的形式，根据需要，也可以采用串联或串并联结合的形式。电压单元根据需要，也可采用几个H桥逆变器为一组，在直流端进行并联。图5为本专利技术多电平直流电压端连接形式的一个拓扑结构原理图。其中C1-Cn为电容器，FB-1……FB-n为开关管并联电容器的H桥逆变器，REC-1……REC-n为电流源逆变器。L1……Ln为均流电感，L为超导磁体。其中电流单元采用并联的形式，根据需要，也可以采用串联或串并联结合的形式。电压单元根据需要，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导储能用双向多电平软开关ＤＣ／ＤＣ，其特征在于它由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成；其中电压单元由多个Ｈ桥逆变器组成，Ｈ桥逆变器的每个开关管都并联电容器，Ｈ桥逆变器的直流端并接电容器，电容器的两端提供与外部电路的接口；Ｈ桥逆变器的交流端接在变压器原边的一个绕组上；变压器单元为一个在原边和副边都有多个绕组的变压器，变压器原副边的绕组都在同一个磁芯上，原边绕组的匝数相等，副边绕组的匝数也相等；电流单元的结构根据变压器单元而定，若为普通变压器，副边为全桥形式的电流源逆变器，若为带中间抽头的变压器，副边为全波形式的电流源逆变器；电流源逆变器的直流端可根据需要进行串联、并联或串并联；电压单元也可采用几个Ｈ桥逆变器为一组，在直流端进行并联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文勇，赵彩宏，欧阳羿，辛理夫，李学斌，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]