基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器的制作方法

1.本发明属于电力电子领域，特别涉及一种基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器。


背景技术：

2.随着配电网的不断发展，中压配电网正面临着一系列发展瓶颈，主要包括：1)配电网用电负荷快速增长，出现了配变负载率过高、馈线负荷分布不均衡等问题；2)统计表明80％以上的用户停电都是由配电网侧引起的，经配电自动化改造的开环配电网，在故障倒闸操作时仍避免不了短时的停电；3)随着“双碳”的推进，配电网分布式能源和储能接入需求大幅增大，配电网呈现运行方式多样、潮流转供形式复杂等特点。
3.传统交流配电系统由于开环运行条件的限制，无法对分布式能源出力与负荷的变化进行快速的跟踪响应，也不能对功率流动进行连续精准的调节，使得系统电压偏离成为配电网运行管理中日益突出的问题。引入直流配电技术，构建基于电力电子变换器的交直流混合配电系统是应对这一挑战的重要手段。交直流混合配电系统能充分发挥电力电子装置的快速响应特性，又能大量减少电能变换环节，可实现在源荷双端强不确定性条件下对配电网络快速、灵活、连续和精准的功率与电压调控。
4.传统交流配电网在接入光伏和储能等分布式能源和直流负载后，使用了大量ac/dc变换环节，使得系统效率较低且成本较高。同时，配电网中可以通过ac/dc双向变流器增加低压直流母线以构建出直流微电网，将直流负荷接入直流微电网中，从而减少很多电能变换环节。更进一步地，以多端口电力电子变压器(pet)为枢纽的交直流混合配电网同时连接中压交流(medium voltage ac,mvac)、中压直流(medium voltage dc,mvdc)、低压交流(low voltage ac,lvac)和低压直流(low voltage dc,lvdc)4组母线，可实现各端口功率与电压的灵活调控、电能质量治理以及端口间能量互联互济和故障相互隔离。由此可见，多端口pet在交直流混合配电网中可扮演关键枢纽角色，对其进行研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。但现有的多端口pet仍然具有成本高，效率低等问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器。
6.本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器，包括：串联母线，两端交流母线，
7.其中，
8.所述串联母线设有面向电流源型变换器的接入端口；
9.所述两端交流母线通过交流
‑
直流变换器接入所述串联母线。
10.进一步，
11.所述串联母线为中压直流母线；
12.所述两端交流母线包括第一两端交流母线(mvaci)和第二两端交流母线(mvacii)。
13.进一步，
14.所述交流
‑
直流变换器为降压型电流源交流
‑
直流变换器，所述降压型电流源交流
‑
直流变换器直流端口的平均电压低于交流相电压峰峰值。
15.进一步，
16.所述降压型电流源交流
‑
直流变换器包括：三相交流电的第一相输入端(a)，第二相输入端(b)和第三相输入端(c)，
17.所述第一相输入端(a)连接第一半桥(a1)和第二半桥(a2)，所述第二相输入端(b)连接第三半桥(b1)和第四半桥(b2)，所述第三相输入端(c)连接第五半桥(c1)和第六半桥(c2)；
18.所述第一半桥(a1)至第六半桥(c2)均包括串联的至少两个开关管单元(s)，且前一个开关管单元(s)的第二端连接下一个开关管单元(s)的第一端，所述第一半桥(a1)至第六半桥(c2)中第一个开关管单元(s)的第一端分别作为第一半桥(a1)至第六半桥(c2)的第一端，所述第一半桥(a1)至第六半桥(c2)中最后一个开关管单元(s)的第二端分别作为第一半桥(a1)至第六半桥(c2)的第二端；
19.所述第一半桥(a1)、第三半桥(b1)和第五半桥(c1)的第一端连接在一起作为所述降压型电流源交流
‑
直流变换器的阴极(e1)，所述第二半桥(a2)的第二端连接第四半桥(b2)的第二端，第六半桥(c2)的第二端和第一电感(l1)的第一端，所述第一电感(l1)的第二端作为所述降压型电流源交流
‑
直流变换器的阳极(f1)。
20.进一步，
21.所述开关管单元(s)为逆阻型器件。
22.进一步，
23.所述开关管单元(s)采用第一绝缘栅双极晶体管和第一二极管串联构成，所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极连接第一二极管阳极，此时，所述开关管单元(s)的第一端为所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极，第二端为第一二极管的阴极，
24.或
25.所述开关管单元(s)采用第一集成门极换流晶闸管和第二二极管串联构成，所述第一集成门极换流晶闸管的阴极连接第二二极管阳极，此时，所述开关管单元(s)的第一端为第一集成门极换流晶闸管的阳极，第二端为第二二极管的阴极，
26.或
27.所述开关管单元(s)采用第一逆阻型集成门极换流晶闸管串联构成，前一个第一逆阻型集成门极换流晶闸管的阴极连接下一个第一逆阻型集成门极换流晶闸管的阳极，此时，所述开关管单元(s)的第一端为第一个第一逆阻型集成门极换流晶闸管的阳极，第二端为最后一个第一逆阻型集成门极换流晶闸管的阴极。
28.进一步，
29.还包括集中低压直流母线，
30.所述集中低压直流母线通过直流变压器接入所述中压直流母线。
31.进一步，
32.所述直流变压器采用基于中频隔离的直流
‑
直流变换器，所述直流
‑
直流变换器包括级联的全桥逆变器、中频隔离变压器(tr)和整流器；
33.所述全桥逆变器的第一输入端(bb)作为所述直流
‑
直流变换器的正极输入端，所述全桥逆变器的第二输入端(aa)作为所述直流
‑
直流变换器的负极输入端，所述全桥逆变器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由的第一开关管(s1)和第三开关管(s3)串联组成，所述第一开关管(s1)的第二端连接第三开关管(s3)的第一端，第二桥臂由第二开关管(s2)和第四开关管(s4)串联组成，所述第二开关管(s2)的第二端连接第四开关管(s4)的第一端，第一开关管(s1)至第四开关管(s4)中的每一个开关管均反并联一个二极管，所述第一开关管(s1)的第一端连接第二开关管(s2)的第一端并作为全桥逆变器的所述第一输入端(bb)，第三开关管(s3)的第二端连接第四开关管(s4)的第二端并作为全桥逆变器的所述第二输入端(aa)；
34.所述中频隔离变压器原边的同极性端与所述第一开关管(s1)的第二端或第三开关管(s3)的第一端相连，异极性端与所述第二开关管(s2)的第二端或第四开关管(s4)的第一端相连；
35.整流器包括第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂包括第七半桥(d1)和第八半桥(d2)，所述第四桥臂包括第九半桥(e1)和第十半桥(e2)，所述第七半桥(d1)至第十半桥(e2)结构相同，均包括串联的至少两个第二开关管单元(ss)，且前一个第二开关管单元(ss)的第二端连接下一个第二开关管单元(ss)的第一端，所述第七半桥(d1)至第十半桥(e2)中每个半桥的第一个第二开关管单元(ss)的第一端作为所述每个半桥的第一端，所述每个半桥中最后一个第二开关管单元(ss)的第二端作为所述每个半桥的第二端；
36.所述第七半桥(d1)的第二端连接第八半桥(d2)的第一端作为第三桥臂的中点，所述第九半桥(e1)的第二端连接第十半桥(e2)的第一端作为第四桥臂的中点，所述中频隔离变压器副边的同极性端与第三桥臂中点相连，所述中频隔离变压器副边的异极性端与第四桥臂中点相连；
37.所述第七半桥(d1)的第一端连接第九半桥(e1)的第一端作为所述直流变压器的阴极(e2)，所述第八半桥(d2)的第二端连接第十半桥(e1)的第二端和第二电感(l2)的第一端，所述第二电感(l2)的第二端作为所述直流变压器的阳极(f2)。
38.进一步，
39.所述第一开关管(s1)至第四开关管(s4)为第二绝缘栅双极晶体管，所述第一开关管(s1)至第四开关管(s4)的第一端为集电极，第二端为发射极；
40.所述开关管单元(ss)采用第三绝缘栅双极晶体管和第三二极管串联构成，所述第三绝缘栅双极晶体管的发射极连接第三二极管阳极，此时，所述开关管单元(ss)的第一端为所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极，第二端为第三二极管的阴极，
41.或
42.所述开关管单元(ss)采用第二集成门极换流晶闸管和第四二极管串联构成，所述第二集成门极换流晶闸管的阴极连接第四二极管阳极，此时，所述开关管单元(ss)的第一端为第二集成门极换流晶闸管的阳极，第二端为第四二极管的阴极，
43.或
44.所述开关管单元(ss)采用第二逆阻型集成门极换流晶闸管串联构成，前一个第二
逆阻型集成门极换流晶闸管的阴极连接下一个第二逆阻型集成门极换流晶闸管的阳极，此时，所述开关管单元(ss)的第一端为第一个第二逆阻型集成门极换流晶闸管的阳极，第二端为最后一个第二逆阻型集成门极换流晶闸管的阴极。
45.进一步，
46.还包括离散低压直流母线。
47.进一步，
48.所述离散低压直流母线用于储能，所述储能采用由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器接入所述中压直流母线，所述由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器采用电感作为直流侧滤波装置。
49.进一步，
50.所述中压直流母线为一条，所述中压直流母线预留有其它面向电流源型变换器的接入端口，
51.所述交流
‑
直流变换器，降压型电流源交流
‑
直流变换器，直流变压器，非隔离式半桥或全桥模块串联的变换器通过串联开关切入或切出所述中压直流母线。
52.进一步，
53.所述交流
‑
直流变换器，直流变压器，基于中频隔离的直流
‑
直流变换器，由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器中的一个变换器用于控制所述串联母线的电流大小恒定，其余变换器用于控制各自注入的有功功率。
54.进一步，
55.在所述降压型电流源交流
‑
直流变换器，直流变压器，基于中频隔离的直流
‑
直流变换器，由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器中的电感端口、串联母线发生断路故障的环节设置避雷器接地。
56.本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器面向“双高”背景下的高可靠配电应用场景，低成本、紧凑化、高效率；本发明实现了中压交流配电网在线互联、高比例分布式能源汇集、大容量储能接入、“源网荷储”灵活互动的应用需求。
57.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
58.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1示出了根据本发明实施例的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器的基本结构示意图；
60.图2示出了根据本发明实施例的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器的拓扑结构图。
具体实施方式
61.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.图1示出了根据本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器的基本结构。图2所示为本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器的拓扑结构。
63.首先，定义电流源型变换器(简称为电流源型变换器)为采用电感作为直流侧滤波装置，具有恒定直流电流的交流
‑
直流电力电子变换器或直流
‑
直流电力电子变换器。本发明采用的变换器均为电流源型变换器。
64.由图1和图2可知，本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器中，包括：串联母线，第一两端交流母线mvaci和第二两端交流母线mvacii，集中lvdc和离散lvdc。其中，所述串联母线为mvdc母线，所述mvdc母线为一条；所述离散lvdc用于储能；第一两端交流母线mvaci，第二两端交流母线mvacii，集中lvdc和离散lvdc均串联接入所述mvdc母线。其中，串联母线是指该母线中串联接入有上述电流源型变换器，所述串联母线设有面向电流源型变换器的接入端口。
65.其中，第一两端交流母线mvaci和第二两端交流母线mvacii通过降压型电流源交流(ac)
‑
直流(dc)变换器ca或cd接入mvdc母线。参见图2，所述降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd包括：三相交流电的第一相输入端a，第二相输入端b和第三相输入端c。第一相输入端a连接第一半桥a1和第二半桥a2；第二相输入端b连接第三半桥b1和第四半桥b2；第三相输入端c连接第五半桥c1和第六半桥c2。第一半桥a1至第六半桥c2均包括串联的至少两个开关管单元s，其中，前一个开关管单元s的第二端连接下一个开关管单元s的第一端；第一半桥a1至第六半桥c2中第一个开关管单元s的第一端分别作为第一半桥a1至第六半桥c2的第一端；第一半桥a1至第六半桥c2中最后一个开关管单元s的第二端分别作为第一半桥a1至第六半桥c2的第二端。所述开关管单元s采用第一绝缘栅双极晶体管(igbt)和第一二极管串联构成(第一igbt的发射极连接第一二极管的阳极，此时，开关管单元s的第一端为第一igbt的集电极，第二端为第一二极管的阴极)，或采用第一集成门极换流晶闸管(igct)和第二二极管串联构成(第一igct的阴极连接第二二极管的阳极，此时，开关管单元s的第一端为第一igct的阳极，第二端为第二二极管的阴极)，或采用第一逆阻型igct串联构成(此时，前一个第一逆阻型igct的阴极连接下一个第一逆阻型igct的阳极，第一个第一逆阻型igct的阳极为开关管单元s的第一端，最后一个第一逆阻型igct的阴极为开关管单元s的第二端)。第一半桥a1、第三半桥b1和第五半桥c1的第一端连接在一起作为降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd的阴极e1。第一半桥a1的第二端连接第二半桥a2的第一端和第一相输入端a，第三半桥b1的第二端连接第四半桥b2的第一端和第二相输入端b，第五半桥c1的第二端连接第六半桥c2的第一端和第三相输入端c。第二半桥a2的第二端连接第四半桥b2的第二端，第六半桥c2的第二端和第一电感l1的第一端，第一电感l1的第二端作为降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd的阳极f1。所述降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd直流端口平均电压低于交流相电压峰峰值，具体地，其中的开关管单元s为逆阻型器件，所述逆阻型器件，是指能够
承受反向电压的电力电子半导体器件，或为由不能承受反向电压的电力电子半导体器件串联了二极管(用于承受反向电压)的串联结构构成，因而开关管单元s为上述的igbt
‑
二极管串联结构，igct
‑
二极管串联结构或逆阻型igct串联结构。
66.所述集中lvdc通过直流变压器cb接入mvdc母线，所述直流变压器cb采用基于中频隔离的直流(dc)
‑
直流(dc)变换器。参见图2，所述基于中频隔离的dc
‑
dc变换器包括级联的全桥逆变器、中频隔离变压器tr和整流器。所述全桥逆变器的第一输入端bb作为所述dc
‑
dc变换器的正极输入端，所述全桥逆变器的第二输入端aa作为dc
‑
dc变换器的负极输入端，第一输入端bb和第二输入端aa之间并联有全桥逆变器电容。全桥逆变器包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂由的第一开关管s1和第三开关管s3串联组成，第一开关管s1的第二端连接第三开关管s3的第一端。第二桥臂由第二开关管s2和第四开关管s4串联组成，第二开关管s2的第二端连接第四开关管s4的第一端。第一开关管s1至第四开关管s4中的每一个开关管均反并联一个二极管。第一开关管s1的第一端连接第二开关管s2的第一端并作为全桥逆变器的第一输入端bb，第三开关管s3的第二端连接第四开关管s4的第二端并作为全桥逆变器的第二输入端aa。中频隔离变压器原边的同极性端与第一桥臂中间点(即第一开关管s1的第二端或第三开关管s3的第一端)连接，异极性端与第二桥臂中间点(即第二开关管s2的第二端或第四开关管s4的第一端)连接，第一开关管s1至第四开关管s4可为第二ibgt，此时，第一开关管s1至第四开关管s4的第一端为集电极，第二端为发射极。整流器包括第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂包括第七半桥d1和第八半桥d2，所述第四桥臂包括第九半桥e1和第十半桥e2。第七半桥d1至第十半桥e2结构相同，均包括串联的至少两个第二开关管单元ss，且前一个第二开关管单元ss的第二端连接下一个第二开关管单元ss的第一端；所述第七半桥d1至第十半桥e2中每个半桥中第一个第二开关管单元ss的第一端作为该半桥的第一端；第七半桥d1至第十半桥e2中每个半桥中最后一个第二开关管单元ss的第二端作为该半桥的第二端。所述第二开关管单元ss采用第三igbt和第三二极管串联构成(第三igbt的发射极连接第三二极管的阳极，此时，第二开关管单元ss的第一端为第三igbt的集电极，第二端为第三二极管的阴极)，或采用第二igct和第四二极管串联构成(第二igct的阴极连接第四二极管的阳极，此时，第二开关管单元ss的第一端为第二igct的阳极，第二端为第四二极管的阴极)，或采用第二逆阻型igct串联构成(此时，前一个第二逆阻型igct的阴极连接下一个第二逆阻型igct的阳极，第一个第二逆阻型igct的阳极为第二开关管单元ss的第一端，最后一个第二逆阻型igct的阴极为第二开关管单元的第二端)。所述第七半桥d1的第二端连接第八半桥d2的第一端作为第三桥臂的中点，所述第九半桥e1的第二端连接第十半桥e2的第一端作为第四桥臂的中点。中频隔离变压器副边的同极性端与第三桥臂中点相连，异极性端与第四桥臂中点相连。所述第七半桥d1的第一端连接第九半桥e1的第一端作为直流变压器cb的阴极e2，所述第八半桥d2的第二端连接第十半桥e1的第二端和第二电感l2的第一端，第二电感l2的第二端作为直流变压器cb的阳极f2。直流变压器cb中，mvdc侧变换部分采用电流源型拓扑结构，并通过电感与mvdc母线串联，mvdc侧变换部分采用直接串联的多个第二开关管单元ss。
67.所述储能采用由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器cc直接接入mvdc母线，大幅减少变换环节和接入成本。如图2所示，所述非隔离式半桥(或全桥模块)由开关管如igbt及与其反并联的二极管构成的开关管单元及并联电容构成。
68.上述各变换器(包括降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd，直流变压器cb，基于中频隔离的dc
‑
dc变换器，由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器cc)均可通过串联开关切入或切出mvdc母线。所述串联开关k1，k2，k3和k4均串联于所述mvdc母线上，降压型电流源ac
‑
dc变换器cd的阴极和阳极跨接于串联开关k4的两端，降压型电流源ac
‑
dc变换器ca的阴极和阳极跨接于串联开关k1的两端，直流变压器cb的阴极和阳极跨接于串联开关k2的两端，由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器cc的阴极和阳极跨接于串联开关k3的两端。即本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器中，在上述各变换器(包括降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd，直流变压器cb，基于中频隔离的dc
‑
dc变换器，由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器cc)的端口分别并联旁路开关(即上述串联开关)k1，k2，k3或k4，所述旁路开关闭合可实现旁路上对应的变换器的切除，所述旁路开关开断可实现旁路上对应的变换器的投入。
69.上述各变换器(包括降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd，直流变压器cb，基于中频隔离的dc
‑
dc变换器，由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器cc)中的一个变换器(如降压型电流源ac
‑
dc变换器ca或cd，也可为直流变压器cb，基于中频隔离的dc
‑
dc变换器，或由非隔离式半桥或全桥模块串联构成的变换器cc)用于控制所述串联母线的电流大小恒定，其余变换器用于控制其注入的有功功率。
70.本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器中，在母线敏感部位如直流平波用电感的端口、串联母线易发生断路故障的薄弱环节设置避雷器接地，以避免断路故障造成串联母线部分位置过压。
71.本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器中，在串联母线上预留有其它面向电流源型变换器的接入端口，以拓展连接其它电流源型变换器。
72.本发明中，ac
‑
dc采用器件直串的全控桥拓扑，避免了半桥或全桥模块的使用；采用具有母线端口降压的作用，能极大程度减少电力电子器件和中高频变压器的使用，降低变换器成本和体积；采用公共串联电流母线，减少电能形式变化次数，提高了设备效率。
73.本发明的基于降压型公共直流电流母线的串联构网型变压器低成本、紧凑化、高效率；实现了中压交流配电网在线互联、高比例分布式能源汇集、大容量储能接入、“源网荷储”灵活互动的应用需求。
74.本发明采用电流源型换流器串联构网，以直流侧电感作为支撑，控制直流电流恒定实现系统稳定，可应用于多端口电力电子变换器、交流电网合环、低压直流配电等场景。
75.随着基于晶闸管类器件的集成门极换流晶闸管等低通态损耗器件对发展，以及可预期的未来常温超导发展带来的电抗器的小型化和损耗降低，电流源型换流器将在成本、体积、效率上达到或超过电压源水平。本发明对电流源型换流器开展拓扑、组合形式、控制方法的研究具有前瞻性和技术指导意义。
76.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。