[发明专利]一种用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流变压器及其实现方法，具体涉及一种用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法。

背景技术

随着全球环境污染加剧、能源短缺和制造业技术升级等诸多问题的升级，以风电和太阳能发电为代表的新能源发电在规模和容量上不断提高，大规模远距离高效率的输电方式对于新能源电力外送的问题则显得尤为重要。相比交流输电，高压直流输电技术具有输送容量大、输电距离远且损耗小等优点，因此在我国电网中得到了大规模的应用。从输电领域看，传统的电力系统很难满足提升用户供电质量、超远距离输送电能的要求。从发电领域看，随着各种大规模可再生能源的接入，传统的电力装备、电网结构和运行技术在接纳超大规模、高波动性、低质的可再生能源方面越来越力不从心，必须采用新的技术、装备和电网结构来满足未来能源格局的变化。从配电领域看，考虑到以分布式光伏、直流负荷设备为代表的直流端口逐步增加，通过建立直流配电网可以在增大输送容量的同时减少输电走廊需求，降低损耗，减少换流环节。因此，直流电网成为一种具有发展前景电力输送的解决方案。

对于大规模的新能源发电来说，其输出端口电压与直流电网的电压之间存在着较大的电压幅值的差别，大功率型直流变压器将可以实现不同电压等级的变换或直流功率调节，是解决大规模新能源电源与直流电网的互联接口问题的有效方案，也是直流电网中关键设备之一。

对于有效的大功率型直流变压器，需具备以下功能：

1)具备高电压与低电压的直流网络的互联功能；

2)具备功率的双向流动、快速调节和分配潮流功能

3)具备一定的故障电流耐受能力和故障隔离功能。

目前，国内外高校与研究机构均对直流变压器有一定的研究，AlonsoAR等人其中提出一种双侧有源式DC/DC变换器，其存在用于高压直流输电中需要IGBT桥臂承受全部电压的器件均压问题，应用于高压大功率下需采用串联或并联的结构问题；Jovcic D等人提出一种谐振式DC/DC变换器，其存在用于高压直流输电中需要IGBT桥臂承受全部电压以及不具备电气隔离功能的问题，Kish G J等人提出一种基于MMC技术拓扑的DC/DC变换器，其存在功率器件的损耗和变换器效率低，经济成本高等问题。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于新能源接入直流电网的直流变压器及其实现方法，该方法实现大功率高效的直流变压器在直流电网中的应用。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种用于新能源接入直流电网的直流变压器，所述直流变压器采用隔离型DC/DC变换器方式，其改进之处在于，所述直流变压器包括低压侧(24V-1kV)的全桥变换器和高压侧(1kV及以上)的模块化多电平变换器，所述低压侧的单相全桥变换器和高压侧的单相模块化多电平变换器通过高频(400Hz及以上)变压器连接。

进一步地，所述单相全桥变换器由四个桥臂构成，每个桥臂由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成，所述的高频变压器的一次侧一端连接在上下桥臂之间的一个支路上，另一端通过一个电容-电感串联支路连接在上下桥臂之间的另一支路上。

进一步地，所述模块化多电平变换器由两相四个桥臂单元构成，每一相由上下两个桥臂组成；每个桥臂由一个电抗器L与N个结构相同的子模块串联组成。

本发明提供一种用于新能源接入直流电网的直流变压器的实现方法，其改进之处在于，所述方法包括：

①确定直流变压器中低压侧与高压侧等效交流电压关系；

②确定直流变压器中低压侧输出电压的吸收功率；

③确定直流变压器中模块化多电平换流器的桥臂输出电压的开关频率。

进一步地，所述步骤①中，直流变压器低压侧输出电压v_AB和高压侧输出电压v_abp均为正弦波形，均等效为两个正弦电压源，通过将高压侧的桥臂电感折算到高频变压器原边，得到直流变压器交流环节等效电路；所述直流变压器中的低压侧与高压侧交流电压表示为：

其中，L_P为模块化多电平变换器的桥臂电抗器L折算到高频变压器原边的值，L_1k为中间高频变压器漏电感，i_s为传输线路上的电流；v_abp为直流变压器高压侧输出电压，v_AB为直流变压器低压侧输出电压，t为电压和电流的时域值。