一种新型无母线四端口双极dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，包括由变换器单元组依次连接形成的环形架构；变换器单元组包括两个相连的变换器单元，变换器单元组的数据为四；变换器单元的电力电子器件支路包括两个同向连接的电力电子器件，电力电子器件支路的数目为二；电力电子器件的连接点之间通过电抗器相连。与现有技术相比，本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，具备功率双向流动能力，适用于所接直流系统的不同运行工况，降低了功率转换级数，提升变换器功率变换的效率。
【专利说明】-种新型无母线四端口双极DC-DC变换器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种新型无母线四端口双极DC-DC变换 器。
【背景技术】
[0002] 直流供电系统中的直流配电将整流输出的直流和蓄电池组输出的直流汇接成不 间断的直流输出母线，再分接为各种容量的负载供电支路，传入相应熔断器或负荷开关后 向负载供电。
[0003] 与传统的交流配电网比，直流配电网具有下述优点：
[0004] ①：减小电能变换中的交流环节，在减少系统元件数的同时，降低了变流器损耗； 不存在涡流损耗和无功功率，降低线路损耗；
[0005] ②：便于分布式电源与负载连接；
[0006] ③：提高电能质量与供电可靠性；
[0007] ④：提供更为经济的照明选择。
[0008] 现有直流配电网包括两线制、三线制（双极）和五线制；其中双极系统由于具备单 极运行能力，降低线路耐压，便于负载接入电压选择等优点而受到广泛关注。将多个双极直 流系统互联将有助于降低系统中总储能装置容量、提高供电可靠性；因此需要提供一种具 有多端的双极直流变换器。
【发明内容】
[0009] 为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种新型无母线四端口双极DC-DC变换 器，所述变换器包括由变换器单元组依次连接形成的环形架构；所述变换器单元组包括两 个相连的变换器单元；所述变换器单元组的数目为四；
[0010] 所述变换器单元的电力电子器件支路包括两个同向连接的电力电子器件，所述电 力电子器件支路的数目为二；所述电力电子器件的连接点之间通过电抗器相连。
[0011] 优选的，所述变换器单元组的变换器单元连接点接地；
[0012] 优选的，所述变换器单元组内，一个变换器单元的通过发射极与电抗器两端连接 的电力电子器件分别与另一个变换器单元的通过集电极与电抗器两端连接的电力电子器 件相连；
[0013] 优选的，所述变换器单元组的端口包括两个电力电子器件集电极端口和两个电力 电子器件发射极端口；
[0014] 优选的，所述变换器单元组通过所述电力电子器件集电极端口分别与相邻的所述 变换器单元组的一个电力电子器件集电极端口相连；所述变换器单元组通过所述电力电子 器件发射极端口与相邻的所述变换器单元组的一个电力电子器件发射极端口相连；
[0015] 优选的，相邻的所述变换器单元组之间，所述电力电子器件集电极端口的连接点 与变换器单元的连接点之间并联稳压电容，所述电力电子器件发射极端口的连接点与所述 变换器单元的连接点之间并联稳压电容；
[0016] 优选的，所述变换器的端口的两端分别与两个相邻的所述变换器单元组的电力电 子器件集电极端口的连接点和电力电子器件发射极端口的连接点相连；
[0017] 优选的，所述变换器的两个相邻端口之间通过一级变换器单元组连接；所述变换 器的两个不相邻端口之间通过两级变换器单元组连接。
[0018] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
[0019] 1、本发明技术方案中，变换器单元能够实现过流保护，从而使得变换器的任意一 个或多个端口发生外部短路故障时，对故障端口的切除，而保证其它端口的正常运行；
[0020] 2、本发明技术方案中，变换器单元的工作模式包括双向Buck模式、双向Boost模 式和双向Buck-Boost模式，从而利于变换器接入不同电压等级时灵活调整接入的端口，以 及通过调制电力电子器件的导通、关断状态调整变换器的工作模式；该四端双极变换器具 备宽输入电压范围的特性；
[0021] 3、本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，具备功率双向流动能 力，能够同时适用于所接直流系统的不同运行工况；
[0022] 4、本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，不存在公共母线，从 而避免了母线侧故障导致变换器的停运，提升了变换器的整体可靠性；
[0023] 5、本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，采用非隔离型结构可 以降低变换器体积与重量；
[0024] 6、本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，够降低功率转换级 数，提升变换器功率变换的效率；
[0025] 7、本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，采用相同变换电路单 元，便于模块化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0027] 图1是：本发明实施例中变换器单元的拓扑结构图；
[0028] 图2是：本发明实施例中变换器单元组的拓扑结构图；
[0029] 图3是：本发明实施例中无母线四端口双极DC-DC变换器的拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0030] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0031] 现有技术中的变换器往往具有如下缺陷：
[0032] ①：通过支撑电容构成双极系统，然而对应的变换器不具备单极运行能力；
[0033] ②：变换器的任意两个端口之间需要两级变换，降低变换效率；
[0034] ③：采用交流母线上的中频断路器切断内部故障，在增加变换器控制的复杂度的 同时特制的硬件部分也使得变换器结构复杂；
[0035] ④：当母线侧发生故障时，所有变换器均需停止运行，导致变换器系统不能正常工 作；
[0036] ⑤：变换器最大升压比受单个斩波单元升压比所限，变换器接入电压范围有限。
[0037] 为克服上述缺陷本发明提供的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器采用由 四个变换器单元组依次连接形成的环形结构，每个变换器单元组包括两个变换器单元；
[0038] (1)如图1所示，本实施例中变换器单元的一条电力电子器件支路包括同向连接 的电力电子器件S U1和S&，另一条电力电子器件支路包括同向连接的电力电子器件Su3和 Su4 ;电力电子器件Sul、S&的连接点和电力电子器件Su3、Su4的连接点之间通过电抗器L连 接。
[0039] (2)①：变换器单元组的内部连接关系：
[0040] 如图2所示，本实施例中变换器单元组内，变换器单元1中通过集电极与电抗器L 连接的电力电子器件su2和Su4分别与变换器单元2中通过发射极与电抗器L'连接的电力 电子器件S u5和Su7相连；变换器单元1和变换器单元2的连接点接地，即电力电子器件Su2 和Su5的连接点接地，电力电子器件Su4和Su7的连接地接地。
[0041] ②：变换器单元组的端口结构：
[0042] 图2所示变换器单元组的四个端口分别为电力电子器件SU1和Su3的集电极端口， 电力电子器件s u6和Su8的发射极端口，上述端口为变换器单元组之间的连接端口；如图3所 示通过变换器单元组1、变换器单元组2、变换器单元组3和变换器单元组4依次连接形成 的环形四端口 DC-DC变换器；
[0043] ③：变换器单元组之间的连接关系：
[0044] a、变换器单元组1和变换器单元组2的连接方式为：变换器单元组1的电力电子 器件S1311发射极端口与变换器单元组2的电力电子器件S 1411发射极端口相连，变换器单 元组1的电力电子器件S13 21集电极端口与变换器单元组2的电力电子器件S14 21集电极端 口相连；
[0045] 变换器单元组1和变换器单元组4的连接方式为：变换器单元组1的电力电子器 件S13 23发射极端口与变换器单元组2的电力电子器件S23 23发射极端口相连，变换器单元 组1的电力电子器件S13 13集电极端口与变换器单元组2的电力电子器件S23 13集电极端口 相连；
[0046] 变换器单元组1、变换器单元组2、变换器单元组3和变换器单元组4的其他具体 连接关系如图3所示。
[0047] b、相邻的两个变换器单元组之间，电力电子器件集电极端口的连接点与变换器单 元的连接点之间并联稳压电容，电力电子器件发射极端口的连接点与变换器单元的连接点 之间并联稳压电容；即如图3所示，变换器单元组1与变换器单元组2连接时，电力电子器 件S 13 n和S14 n的连接点与变换器单元接地点之间并联稳压电容Portl_P，电力电子器件 S13_21和S14 21的连接点与变换器单元接地点之间并联稳压电容Portl_N ;
[0048] 变换器单元组1、变换器单元组2、变换器单元组3和变换器单元组4的其他具体 连接关系如图3所示。
[0049] (3)本实施例中变换器的四端口包括：
[0050] 每个端口的两端分别与相邻的两个变换器单元组的电力电子器件集电极端口 的连接点和电力电子器件发射极端口的连接点相连；如图3所示，变换器Portl端口的 Portl_P与电力电子器件S13 n和S14 n的连接点相连，Portl_N与电力电子器件S13 21和S14 2ι 的连接点相连；
[0051] 变换器P〇rt2端口的Port2_P与电力电子器件S23 n和S24 n的连接点相连，Port2_ N与电力电子器件S23 21和S24 21的连接点相连；
[0052] 变换器Port3端口的Port3_P与电力电子器件S13 13和S23 13的连接点相连，Port3_ N与电力电子器件S13 23和S23 23的连接点相连；
[0053] 变换器Port4端口的Port4_P与电力电子器件S14 23和S24 23的连接点相连，Port4_ N与电力电子器件S14 13和S24 13的连接点相连。
[0054] 任意相邻的两个端口之间均通过一级变换器单元组连接，任意两个不相邻的端口 之间通过两级变换器单元组连接，如图3所示，端口 Portl与端口 Port3通过变换器单元组 1连接，端口 Portl与端口 Port4通过变换器单元组2连接，端口 Portl与端口 Port2依次 通过变换器单元组1和4连接，端口 Portl与端口 Port2同样也可以依次通过变换器单元 组2和3连接。
[0055] (4)本实施例中变换器的工作过程为：
[0056] ①：变换器单元的电力电子器件的调制策略为：
[0057] 如图1所示，当仏侧电压高于队侧电压时，电力电子器件Su3导通，电力电子器件 Su4关断，电力电子器件Sul和Su2互补导通，此时变换器单元工作在双向Buck模式；
[0058] 当U2侧电压高于仏侧电压时，电力电子器件Sul导通，电力电子器件S&关断，电力 电子器件s u3和Su4互补导通，此时变换器单元工作在双向Boost模式；
[0059] 当U2侧电压与仏侧电压接近时，电力电子器件互补导通，其中电力电子器件S U1和 Su4同时导通，电力电子器件Su2和Su3同时导通，此时变换器工作在双向Buck-Boost模式。
[0060] 当Ui侧发生短路故障时，由于电抗器L中的电流不能突变，因此能够保证电力电 子器件S U1不会过流损坏，通过闭锁电力电子器件SU1切除短路故障；同时电力电子器件su2 导通，为电抗器电流提供通路以降低稳压电容上电压过冲；当u2侧发生短路故障时，通过闭 锁电力电子器件s u3切除短路故障；同时电力电子器件su4导通，为电抗器电流提供通路以 降低稳压电容上电压过冲。
[0061] ②：如图2所示变换器单元组实现变换器单元的双极输入输出；
[0062] ③：变换器的电力电子器件的调制策略为：
[0063] a、当端口 Portl与端口 Port2作为稳压端，相应端口 Port3与端口 Port4作为被 稳压端。一般采用下垂控制法、主从控制法、平均电流法、最大电流法等控制端口 P〇rt3与 端口 Port4电压恒定。本实施例中变换器采用主从控制法，即通过控制端口 Portl与端口 Port3间的变换器单元组，维持端口 Port3电压稳定，相应端口 Port2与端口 Port3之间变 换器单元组工作在恒定输出电流控制模式；通过控制端口 P〇rt2与端口 Port4间变换器单 元组，维持端口 P〇rt4电压稳定，相应端口 Portl与端口 Port4之间变换器单元组工作在恒 定输出电流控制模式。
[0064] b、当端口 Portl的正极端Port 1_P发生短路故障时，闭锁电力电子器件S1311和 S14 n，导通电力电子器件S13 12和S14 12 ;此时，端口 Port3的正极端Port3_P和端口 Port4的 正极端P〇rt4_P仍然能够与端口 Port4的正极端Port4_P进行功率交换，变换器的负极正 常工作；
[0065] 当端口 Portl的负极端Portl_N发生短路故障时，闭锁电力电子器件513 21和 S14 21，导通电力电子器件S13，和S14 22 ;此时，端口 Port3的负极端Port3_N和端口 Port4的 负极端P〇rt4_N仍然能够与端口 Port4的负极端Port4_N进行功率交换，变换器的正极正 常工作；
[0066] 端口 Port2、Port3和Port4发生短路故障时时，相应的电力电子器件调制方法与 端口 Port 1的调制方法相同。
[0067] ④：本发明提供的变换器的另一个具体实施例为：
[0068] 端口 Portl接入光伏电源，电压为±400V;端口 Port2分别接入风力发电，电压为 ±400V ;端口 Port3接直流电网，直流电网电压等级为±1000V ;端口 Port4接负载，负载所 需电压等级为±170V ;
[0069] 变换器正常工作时，光伏电源与风力发电直接向邻近负载供电，电能不足时由直 流电网提供，电能过多时由直流电网接收；由于风光互补特性，使得变换器与直流电网之间 交互功率不会有较大波动，负载与直流电网之间通过两级变换器单元组连接，从而使得变 换器具有较高的升压比。
[0070] 本发明提供的变换器的另一个具体实施例为：
[0071] 端口 Portl和端口 Port2分别接入两个较高电压等级的双极直流系统，直流系统 的电压等级为± 500V ;端口 Port3和端口 Port4分别接入两个较低电压等级的双极直流系 统，直流系统电压等级为±170V ;此时，用于实现分布式电源向直流电网的双向功率传输。
[0072] 最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实 施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
【权利要求】
1. 一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器包括由变换器 单元组依次连接形成的环形架构；所述变换器单元组包括两个相连的变换器单元；所述变 换器单元组的数目为四； 所述变换器单元的电力电子器件支路包括两个同向连接的电力电子器件，所述电力电 子器件支路的数目为二；所述电力电子器件的连接点之间通过电抗器相连。
2. 如权利要求1所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变 换器单元组的变换器单元连接点接地。
3. 如权利要求1所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变 换器单元组内，一个变换器单元的通过发射极与电抗器两端连接的电力电子器件分别与另 一个变换器单元的通过集电极与电抗器两端连接的电力电子器件相连。
4. 如权利要求2所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变 换器单元组的端口包括两个电力电子器件集电极端口和两个电力电子器件发射极端口。
5. 如权利要求4所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变 换器单元组通过所述电力电子器件集电极端口分别与相邻的所述变换器单元组的一个电 力电子器件集电极端口相连；所述变换器单元组通过所述电力电子器件发射极端口与相邻 的所述变换器单元组的一个电力电子器件发射极端口相连。
6. 如权利要求4所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，相邻的 所述变换器单元组之间，所述电力电子器件集电极端口的连接点与变换器单元的连接点之 间并联稳压电容，所述电力电子器件发射极端口的连接点与所述变换器单元的连接点之间 并联稳压电容。
7. 如权利要求6所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变 换器的端口的两端分别与两个相邻的所述变换器单元组的电力电子器件集电极端口的连 接点和电力电子器件发射极端口的连接点相连。
8. 如权利要求7所述的一种新型无母线四端口双极DC-DC变换器，其特征在于，所述变 换器的两个相邻端口之间通过一级变换器单元组连接；所述变换器的两个不相邻端口之间 通过两级变换器单元组连接。
【文档编号】H02M3/10GK104218796SQ201410360478
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】姚良忠, 许晓慧, 李琰, 杨波, 曹远志, 卢俊峰, 蔡旭, 朱淼, 张建文, 马建军, 丁杰, 陶以彬, 李官军, 崔红芬, 王德顺, 周晨, 刘欢, 鄢盛驰, 王志冰, 孙蔚, 胡金杭, 冯鑫振, 吴婧, 朱红保, 李跃龙 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 上海交通大学, 江苏省电力公司