[发明专利]二端口子模块、自耦式直流变压器及其调制方法

说明书

本发明提出了一种二端口子模块、自耦式直流变压器及其调制方法，包括一次侧机构；二次侧机构，二次侧机构与一次侧机构电连接；电容C分别与一次侧机构及二次侧机构电连接。子模块通过输入串联输出串联方式组合后，输入侧与输出侧之间串联连接，整体形成自耦变结构。本发明具有如下的有益效果：拓扑所采用的二端口子模块具有3种工作模式，分别对应一次侧充电、二次侧放电和两侧隔离状态，控制设计相对简单；拓扑所采用的二端口子模块具有两个输入输出端口，组合方式灵活，能够满足交、直流多种场景需求；拓扑结构无内部交流链接变压器，实现直流初级侧与直流次级侧的直接功率变换，提升传输效率，减小装置体积。

技术领域

本申请涉及直流输电领域与电力电子变换器设计和控制领域，涉及模块化多电平直流变压器的拓扑设计与运行控制，具体涉及二端口子模块、自耦式模块化直流变压器及其调制方法。

背景技术

电力电子技术的迅速发展和电力电子设备的广泛应用显著提升了电网的可控程度和智能化水平，并且推动电网形态发生变革。直流电网是未来电网发展的重要方向。中高压大容量直流变压器，是直流电网的关键核心元件之一。国内外学者对直流变压器的研究已经日益深入，并提出了多种拓扑结构。然而，当前电网越来越高的电压等级与现有电力电子器件极为有限的耐压能力之间存在着巨大的矛盾。电力电子器件难以承受过高电压，这导致电力电子设备在高压应用上存在诸多限制。为了满足坚强智能电网条件下不同电压等级的设备需求，模块化多电平结构成为输电设备的重要发展方向。

模块化多电平结构，具有结构简单，控制难度较低，制造难度小，冗余度高，可靠性高的优点。目前，基于模块化多电平结构的特高压换流器已经应用于我国多项柔性直流输电示范工程，华东电网投运了多套基于模块化多电平结构的统一潮流控制器，而基于模块化多电平结构的直流变压器等设备也已经有样机问世。应用于中高压大容量场景的直流变压器，大多采用模块化结构，主要可以分成隔离型和非隔离型两大类拓扑。

传统隔离型直流变压器，通常利用交流变压器实现一次侧与二次侧的电气隔离，如图1所示。该方案需要经过直流-交流-交流-直流的多级能量变换，传输效率较低，且体积庞大。同时，该方案每桥臂均由大量开关器件串联构成，以满足高压场合应用的需要，桥臂串联器件的均衡设计难度很大。在此基础上，有学者提出借鉴模块化多电平换流器(MMC)的思路，将桥臂改为MMC结构，如图2所示。半桥子模块结构简单，波形质量高，但是半桥子模块的特点导致其难以实现直流故障隔离。因此，在该子模块的基础上，发展出了如图3所示的全桥子模块、箝位双子模块等各种具有直流故障阻断能力的拓扑，但这些拓扑结构较为复杂，尚未实现大规模的工程应用。与此同时，这种拓扑方案中固有的交流变压器带来的传输效率低、体积庞大的问题依然存在。

同样借鉴MMC思路，有学者提出了将双有源桥(DAB)进行串并联组合的方案，如图4所示。该方案将DAB进行输入串联/并联、输出串联/并联，以此满足高压大容量应用的要求。同时，该方案还利用提高调制频率的办法，减小装置体积。该方案难点在于控制器需要考虑各DAB模块之间的均衡，设计难度较大。此外，该模块化DAB方案需要利用高频变压器来减小装置体积，而适用于大容量应用场景的高频变压器目前存在较大设计和制造难度。