一种模块化多电平隔离型直流变压器拓扑结构及其控制方法与流程

本发明涉及直流变压器领域，具体的是一种模块化多电平隔离型直流变压器拓扑结构及其控制方法。

背景技术：

1、随着可再生能源的普及和直流负荷的发展，直流输电和配电技术由于其功率控制灵活，便于新能源接入，输电距离远等优势，得到了迅速发展。直流变压器是直流电网中的核心装备，可以实现不同电压等级的直流电网互联，提高直流输配电灵活性，但在实际应用中存在体积大、功率密度低的问题，限制了直流电网的进一步发展。

2、为了解决这些问题，mmc（modular multilevel converter，模块化多电平换流器）因其结构模块化和优良的故障处理能力，已被广泛应用于高压直流输电和电力电子变压器等领域。通过将两个mmc变换器的交流侧经隔离变压器链接，可以得到一种适用于高压直流变换的直流变压器。然而，该拓扑结构需要大量的半桥或者全桥子模块，成本高、占地面积大、功率密度低。为了进一步减少直流变换器体积和建设成本，现有研究通过采用晶闸管/二极管替换部分全桥/半桥子模块阀串从而构造直流变压器拓扑，然而依旧存在器件数量多、体积和重量大，运行效率低等问题，制约了其进一步的发展和广泛应用。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种模块化多电平隔离型直流变压器拓扑结构及其控制方法，通过在晶闸管三相逆变电路的交流侧与直流中点之间引入全桥模块阀组，由三相全桥阀组主动控制三相变压器端口电压和电流，实现直流功率变换与晶闸管的可靠关断。全桥模块阀组仅需承担一半的中压侧直流电压，显著降低子模块数量，同时三相逆变电路的上下晶闸管分别承担正负半周交流电流，而全桥模块仅在环流过程中提供部分功率，显著降低全桥模块阀组电流应力。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种模块化多电平隔离型直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由中压直流电容cmv1，中压直流电容cmv2，三相晶闸管逆变电路、晶闸管滤波电感，三相全桥模块阀组，二极管滤波电感，三相变压器，三相二极管整流电路和高压直流电容chv组成，三相晶闸管逆变电路连接中压直流电容cmv1和cmv2，构成中压直流端口，三相二极管整流电路连接高压直流电容chv，构成高压直流端口。

4、进一步地，所述三相晶闸管逆变电路中，第一晶闸管t1的阴极连接至第四晶闸管t4的阳极，第三晶闸管t3的阴极连接至第六晶闸管t6的阳极，第五晶闸管t5的阴极连接至第二晶闸管t2的阳极，第一晶闸管t1，第三晶闸管t3与第五晶闸管t5的阳极连接至中压直流端口的正极，第四晶闸管t4，第六晶闸管t6和第二晶闸管t2的阴极连接至中压直流端口的负极。

5、进一步地，所述三相晶闸管逆变电路中，第一晶闸管t1的阴极经过a相晶闸管滤波电感lta，a相二极管滤波电感lka串联连接至变压器ta原边绕组同名端，第三晶闸管t3的阴极经过b晶闸管滤波电感ltb，b相二极管滤波电感lkb串联连接至变压器tb原边绕组同名端，第五晶闸管t5的阴极经过c相晶闸管滤波电感ltc，c相二极管滤波电感lkc串联连接至变压器tc原边绕组同名端。

6、进一步地，所述三相全桥模块阀组中，全桥模块阀组a的上端连接至a相晶闸管滤波电感lta与a相二极管滤波电感lka的连接点，全桥模块阀组b的上端连接至b相晶闸管滤波电感ltb与b相二极管滤波电感lkb的连接点，全桥模块阀组c的上端连接至c相晶闸管滤波电感ltc与c相二极管滤波电感lkc的连接点，全桥模块阀组a，全桥模块阀组b与全桥模块阀组c的下端连接至中压直流电容cmv1与中压直流电容cmv2的连接点。所述全桥模块阀组由n个全桥模块与阀组电感lg级联构成。

7、进一步地，所述三相二极管整流电路中，第一二极管d1的阳极连接至第四二极管d4的阴极与变压器ta副边绕组的同名端，第三二极管d3的阳极连接至第六二极管d6的阴极与变压器tb副边绕组的同名端，第五二极管d5的阳极连接至第二二极管d2的阴极与变压器tc副边绕组的同名端，第一二极管d1，第三二极管d3与第五二极管d5的阴极连接至高压直流端口的正极，第四二极管d4，第六二极管d6和第二二极管d2的阳极连接至高压直流端口的负极。

8、进一步地，所述三相变压器中，变压器ta，变压器tb与变压器tc的原边绕组异名端相连，变压器ta，变压器tb与变压器tc的副边绕组异名端相连。

9、进一步地，所述三相变压器可以采用集中式三相变压器。

10、所述三相逆变电路中晶闸管由多个低耐压的晶闸管串联组合形成，或者替换为串联含反并联二极管的晶闸管，串联二极管，串联高压igct阀或其他半导体双向开关。所述三相整流电路中二极管由多个低耐压的二极管串联组合形成，或者替换为串联含反并联晶闸管的二极管，串联晶闸管，串联高压igct阀或其他半导体双向开关。

11、一种模块化多电平隔离型直流变压器拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述控制方法如下：

12、所述全桥模块阀组产生多电平交流电压，全桥模块阀组a，全桥模块阀组b和全桥模块阀组c相差1/3交流周期工作；

13、在所述三相逆变电路中，第四晶闸管t4与第一晶闸管t1相差半个交流周期开通，第六晶闸管t6与第三晶闸管t3相差半个交流周期开通，第二晶闸管t2与第五晶闸管t3相差半个交流周期开通，第三晶闸管t3滞后第一晶闸管t1 1/3交流周期开通，第五晶闸管t5滞后第三晶闸管t3 1/3交流周期开通；

14、在每个开关周期中，交替触发逆变电路晶闸管，通过控制全桥模块阀组输出电压，控制晶闸管及其滤波电感电流在1/3交流周期先增大后维持不变，在1/3交流周期后减小，晶闸管滤波电感电流减小至零后，控制全桥模块阀组输出电压使晶闸管可靠关断。

15、在每个开关周期中，通过控制全桥模块阀组输出电压，控制二极管及其滤波电感电流在1/3交流周期内增大，在1/3交流周期后减小，实现三相二极管整流电路的换流。

16、每个开关周期中，通过改变全桥模块阀组输出电压、晶闸管滤波电感与二极管滤波电感的幅值和相位，控制三相逆变电路输入中压直流电流，全桥模块阀组三相交流电流和三相二极管整流电路输出高压直流电流，并实现全桥模块阀组中全桥模块电容电压均衡。

17、本发明的有益效果：

18、1、本发明提出一种适用于中高压直流电网互联、具有模块化多电平的隔离型直流变压器，将晶闸管三相逆变电路、三相全桥模块阀组和二极管三相整流电路相结合，借助全桥模块阀组实现晶闸管三相逆变电路和二极管三相整流电路电流的精确控制和可靠换流，借助晶闸管导通损耗，晶闸管与二极管串联技术成熟，提升运行效率与可靠性，降低建造成本与体积；同时，通过改变中压侧和高压侧所采用器件类型，还可实现功率双向传输。

19、2、本发明中的全桥模块阀组仅需要承担一半的直流电压，可以显著降低子模块数量，同时三相逆变电路的上下晶闸管分别承担正负半周交流电流，而全桥模块仅在换流过程中提供部分功率，显著降低全桥模块阀组电流应力。

20、3、本发明中的全桥模块阀组，可以协调控制晶闸管三相逆变电流与二极管整流电路电流波形与相位差，可以在中压侧合成平滑直流电流，在高压侧合成高频脉动电流，显著降低中压侧和高压侧滤波器体积。