一种新型双向dc/dc变流器拓扑结构
技术领域
1.本技术涉及电力设备领域，具体是一种新型双向dc/dc变流器拓扑结构。
背景技术：2.为了满足输电线路中高压大功率的传输需求，现有技术多采用isop(输入串联输出并联)型的拓扑结构来构建高-低压直流变换器。该拓扑结构由多个隔离功率模块组成，输入侧各模块之间以串联方式连接，保证能够承受中高压，输出侧并联在低压母线上，从而输出大电流，isop型的拓扑结构参见图1所示。
3.其中，隔离型dab变换器正是基于isop型拓扑结构构建的典型，其因具有众多的优良特性而被广泛采用。隔离型dab变换器的拓扑结构相对简单，由输入侧的高频逆变器、中间的高频变压器及输出侧的高频整流器构成，结构参见图2所示。多个dab变换器进行串并联组合可以得到isop-dab直流变压器，结构参见图3所示，其存在如下技术问题：
4.在输入侧为高压直流输入，输出侧为低压直流输出时，vin一般是v+和v-的差值，例如v+是+20kv直流电压幅值，v-是-20kv直流电压幅值。在高压逆变器的若干串联侧，对于靠近最高幅值直流电压的dab变换器中的变压器，其绕组里面的铜线会承受较大的绝对电压，因此绝缘要求很高，击穿风险较大。
技术实现要素：5.针对现有技术中的问题，本技术提供一种双向dc/dc变流器拓扑结构，能够改进传统的双向dc/dc变流器拓扑结构，以避免变压器绕组内的铜线承受过高的绝对电压，降低了设备击穿风险。
6.为解决上述技术问题，本技术提供以下技术方案：
7.本技术提供一种双向dc/dc变流器拓扑结构，包括：
8.变流器输入端，包括以串联方式连接的多级输入全桥变流器；其中，所述输入全桥变流器的级数为2n；从第1级输入全桥变流器至第2n级输入全桥变流器依次串联；第1级输入全桥变流器的dc端正极连接至高压母线正极，第2n级输入全桥变流器的dc端负极连接至高压母线负极；第n级输入全桥变流器的dc端及第n+1级输入全桥变流器的dc端均接地；n为正整数且大于2；
9.变流器输出端，包括以并联方式连接的多级输出全桥变流器；其中，所述输出全桥变流器的级数为级；所述各级输出全桥变流器的dc端正极均连接至低压母线正极，所述各级输出全桥变流器的dc端负极均连接至低压母线负极；m为正整数，且m小于n。
10.进一步地，所述输入全桥变流器通过一级变压器连接对应的输出全桥变流器。
11.进一步地，所述输入全桥变流器通过级联的一级变压器及二级变压器连接对应的输出全桥变流器。
12.进一步地，所述一级变压器的第一变比及所述二级变压器的第二变比均是根据所
述输入全桥变流器所对应的层级预先设定的。
13.进一步地，所述输入全桥变流器的ac端正极连接第一电感后，通过对应的一级变压器的原边与该输入全桥变流器的ac端负极连接。
14.进一步地，位于奇数层级的输入全桥变流器与位于偶数层级的输入全桥变流器两两构成一组，同一组中位于奇数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极与位于偶数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极短接，同一组中位于奇数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极与位于偶数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极短接。
15.进一步地，所述输出全桥变流器的ac端正极通过对应的二级变压器的副边与该输出全桥变流器的ac端负极连接。
16.进一步地，所述一级变压器的第一匝数及所述二级变压器的第二匝数均是根据所述输入全桥变流器所对应的层级预先设定的。
17.进一步地，所述二级变压器的原边连接第二电感。
18.进一步地，本技术还提供一种柔性变电站，包括所述的双向dc/dc变流器拓扑结构以及高压直流电网、低压直流电网。
19.针对现有技术中的问题，本技术提供的双向dc/dc变流器拓扑结构，对于承受绝对电压较高的全桥变流器，能够通过扩充变压器级数的方式，降低变压器一次绕组与二次绕组之间的绝对电压差，从而减轻变压器一次绕组与二次绕组之间的绝缘压力，降低设备的击穿风险。
附图说明
20.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，下面描述中的附图仅仅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。
21.图1为现有技术中isop结构的示意图；
22.图2为现有技术中隔离型dab变换器的结构示意图；
23.图3为现有技术中isop-dab直流变压器的结构示意图；
24.图4为本技术实施例中双向dc/dc变流器拓扑结构的示意图；
25.图5为本技术实施例中单个全桥变流器(fbc)的结构示意图；
26.图6为本技术实施例中全桥变流器(fbc)的简化结构示意图；
27.图7为现有技术中dc/dc变流器拓扑结构的示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
29.如背景技术中所介绍，为了满足输电线路中高压大功率的传输需求，现有技术多
采用isop(输入串联输出并联)型的拓扑结构来构建高-低压直流变换器。该拓扑结构由多个隔离功率模块组成，输入侧各模块之间以串联方式连接，保证能够承受中高压，输出侧并联在低压母线上，从而输出大电流，isop型的拓扑结构参见图1所示。
30.其中，隔离型dab变换器正是基于isop型拓扑结构构建的典型，其因具有众多的优良特性而被广泛采用。隔离型dab变换器的拓扑结构相对简单，由输入侧的高频逆变器、中间的高频变压器及输出侧的高频整流器构成，结构参见图2所示。多个dab变换器进行串并联组合可以得到isop-dab直流变压器，结构参见图3所示，其存在如下技术问题：
31.在输入侧为高压直流输入，输出侧为低压直流输出时，vin一般是v+和v-的差值，例如v+是+20kv直流电压幅值，v-是-20kv直流电压幅值。在高压逆变器的若干串联侧，对于靠近最高幅值直流电压的dab变换器中的变压器，其绕组里面的铜线会承受较大的绝对电压，因此绝缘要求很高，击穿风险较大。针对上述问题，一实施例中，参见图4，为了能够改进传统的双向dc/dc变流器拓扑结构，避免变压器绕组内的铜线承受过高的绝对电压，降低设备的击穿风险，本技术提供一种新型的双向dc/dc变流器拓扑结构，包括：变流器输入端及变流器输出端。
32.其中，变流器输入端包括以串联方式连接的多级输入全桥变流器；其中，所述输入全桥变流器的级数为2n；从第1级输入全桥变流器至第2n级输入全桥变流器依次串联；第1级输入全桥变流器的dc端正极连接至高压母线正极(udcl+)，第2n级输入全桥变流器的dc端负极连接至高压母线负极(udcl-)；第n级输入全桥变流器的dc端及第n+1级输入全桥变流器的dc端均接地；n为正整数且大于2；
33.变流器输出端包括以并联方式连接的多级输出全桥变流器；所述各级输出全桥变流器的dc端正极均连接至低压母线正极(udcl+)，所述各级输出全桥变流器的dc端负极均连接至低压母线负极(udcl-)。
34.可以理解的是，为了方便说明，将双向dc/dc变流器输入侧的fbc称作输入全桥变流器；将双向dc/dc变流器输出侧的fbc称作输出全桥变流器。
35.现有技术中将高压直流转换为低压直流的换流器的拓扑结构参见图7所示，其中的重要组成部分为全桥变流器(下文简称fbc)。图7中，udch+和udch-分别代表高压母线的正极与负极。udch是高压母线的正极与负极之间的电压之差。udcl+和udcl-分别代表低压母线的正极与负极。udcl是低压母线的正极与负极之间的电压之差。ln为滤波电感，a:b为变压器的变比，其中，参见图4，a:b可以为n1：k、n2：k
……
m1：1、m2：1
……
x1：k、x2：k等。具体实施时，可根据电压值由本领域技术人员进行合理设定，本技术不以此为限。
36.在该传统的拓扑结构中，由于接地点位于图7示出的中间部位，从而导致靠近udch+和udch-的fbc连接的变压器的变比n值(包括n1、n2
……
)较大，对变压器绕组铜丝的绝缘要求很高。当换流器运行一段时间以后，很容易出现因设备老化导致的高变比绕组击穿，并且为解决该问题而提升变压器绕组的绝缘性能所带来的成本也较高。
37.为解决上述技术问题，本技术提供的新型双向dc/dc变流器拓扑结构由若干个全桥变流器组成。其中，参见图4，输入全桥变流器从上至下依次为：第1级输入全桥变流器、第2级输入全桥变流器、第3级输入全桥变流器
……
第2n-1级输入全桥变流器及第2n级输入全桥变流器，即将各输入全桥变流器分划为1至2n个层级。对应地，将各输出全桥变流器也划分为若干层级，输出全桥变流器的总层级数少于输入全桥变流器的总层级。
38.具体地，输出全桥变流器的级数为级；m为正整数，且m小于n。
39.需要说明的是，参见图4，各组输入全桥变流器均通过变压器与其对应的输出全桥变流器级联；具体的级联方式包括两种：
40.第一种：变压器包括一级变压器及二级变压器；输入全桥变流器通过级联的一级变压器及二级变压器连接对应的输出全桥变流器。在此情况下，所谓一级变压器是指与输入全桥变流器的ac端直接相连的变压器；二级变压器是指与输出全桥变流器的ac端直接相连的变压器。
41.第二种：变压器仅包括一级变压器；输入全桥变流器通过一级变压器连接对应的输出全桥变流器。在此情况下，变压器的原边连接输入全桥变流器的ac端，变压器的副边连接输出全桥变流器的ac端。
42.需要说明的是，针对第一种级联方式，参见图4，相邻两级的输入全桥变流器可以组成一组，例如，第1级输入全桥变流器与第2级输入全桥变流器组成一组，第3级输入全桥变流器与第4级输入全桥变流器组成一组，以此类推；第2n级输入全桥变流器与第2n-1级输入全桥变流器组成一组，第2n-2级输入全桥变流器与第2n-3级输入全桥变流器组成一组，以此类推。
43.对于同一组输入全桥变流器，每级输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极短接，每级输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极短接。由此，对于同一组输入全桥变流器，相当于是共用同一个输出全桥变流器。换而言之，奇数层级的输入全桥变流器与相邻的偶数层级的输入全桥变流器两两构成一组，同一组中奇数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极与相邻的偶数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极短接，同一组中奇数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极与相邻的偶数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极短接。
44.具体实施时，可以根据各输入全桥变流器的接入电压的高低来确定是采用第一种级联方式还是采用第二种级联方式。在本技术实施例中，当输入全桥变流器的接入电压低于某一设定阈值时，可以采用第二种级联方式。一般地，在图4中，靠近图示中接地点的至少两级输入全桥变流器可以采用第二种级联方式连接其对应的输出全桥变流器。
45.可以理解的是，靠近udch+与udch-的fbc所连接的一级变压器(包括至少为四级，例如第1级输入全桥变流器、第2级输入全桥变流器、第2n-1级输入全桥变流器及第2n级输入全桥变流器所对应的四级变压器)的绕组承受的绝对电压较高，因此，在本技术实施例中，对于此类fbc，可以先经过第一级变压器w：k(w可为n1、n2、
……
m1、m2
……
x1、x2等；1《k《n)变换过度，然后再将绝对电压较高的交流电压经过第二级变压器k:1变换。承受正负绝对电压较高的fbc(位于图4所示的上下两端)，可以使用两级变压器，分两步变换。由此，对变压器绕组的绝缘要求有所降低，减少了绕组击穿的发生，还可以降低绕组绝缘的制造成本。
46.综上所述，如果输入侧要串联的fbc较多，可以将承受正、负绝对电压较高的输入全桥变流器对应的变压器的绕组分成两级变压器进行变换；对于承受正、负绝对电压在预设范围内的输入全桥变流器对应的变压器，仍然可采用一级变压器进行变换。具体实施时，可以设定一个层级阈值，当输入全桥变流器对应的层级小于预设的层级阈值时，输入全桥
变流器通过对应的一级变压器直接连接至对应的输出全桥变流器。在图4中，最靠近接地点的4个串联的fbc采用一级变压器直接进行变换。
47.需要说明的是，输入全桥变流器的ac端正极连接第一电感后，通过对应的一级变压器的原边与该输入全桥变流器的ac端负极连接。二级变压器的原边连接第二电感。第一电感和第二电感的作用都在于过滤逆变器产生的高频谐波，使得经过变压器的基波比例尽可以大。
48.一实施例中，变比包括一级变压器的第一变比及二级变压器的第二变比；所述第一变比及所述第二变比均是根据输入全桥变流器所对应的层级预先设定的。例如，参见图4，位于图4顶端的第一级输入全桥变流器对应的第一变压器的第一变比为n1：k；二级变压器的第二变比为k：1。
49.一实施例中，输出全桥变流器的ac端正极通过对应的二级变压器的副边与该输出全桥变流器的ac端负极连接。
50.一实施例中，一级变压器的第一匝数及所述二级变压器的第二匝数均是根据所述输入全桥变流器所对应的层级预先设定的。具体实施时，距离高压母线较近的输入全桥变流器的匝数相对较多，反之，距离高压母线较远的输入全桥变流器的匝数相对较少。
51.需要说明的是，单个全桥变流器的拓扑结构示意图参见图5所示。其中，c是电容，q1至q4均为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)。udc+和udc-分别为dc端(也称直流侧)的正极与负极，udc表示直流侧的正极与负极之间的电压差，uac+与uac-分别表示交流侧的正极与负极，uac表示交流侧的正极与负极之间的电压差。在规模较大的电力电子结构示意图中，图5可以用图6来替代，以简洁明了。图4中即是采用图6中的简化符号来表示fbc的。
52.进一步地，本发明还提供了一种柔性变电站，包括所述的双向dc/dc变流器拓扑结构以及高压直流电网、低压直流电网；其中，所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的第1级输入全桥变流器的dc端正极连接至所述高压直流电网的高压母线正极，所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的第2n级输入全桥变流器的dc端负极连接至所述高压直流电网的高压母线负极；所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的各级输出全桥变流器的dc端正极均连接至所述低压直流电网的低压母线正极，所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的所述各级输出全桥变流器的dc端负极均连接至所述低压直流电网的低压母线负极。
53.由于本技术提供的双向dc/dc变流器拓扑结构，对于承受绝对电压较高的全桥变流器，能够通过扩充变压器级数的方式，降低变压器一次绕组与二次绕组之间的绝对电压差，从而减轻变压器一次绕组与二次绕组之间的绝缘压力，降低设备的击穿风险，因此，将本技术提供的双向dc/dc变流器拓扑结构应用于柔性变电站，可以降低柔性变电站中双向dc/dc变流器因为绝缘击穿导致的故障率，可以降低柔性变电站整体的绝缘制造成本，从而提高柔性变电站变流器环节的安全性和经济性。
54.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
55.上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围
内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
56.虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
57.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。
技术特征：1.一种双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，包括：变流器输入端，包括以串联方式连接的多级输入全桥变流器；其中，所述输入全桥变流器的级数为2n；从第1级输入全桥变流器至第2n级输入全桥变流器依次串联；第1级输入全桥变流器的dc端正极连接至高压母线正极，第2n级输入全桥变流器的dc端负极连接至高压母线负极；第n级输入全桥变流器的dc端及第n+1级输入全桥变流器的dc端均接地；n为正整数且大于2；变流器输出端，包括以并联方式连接的多级输出全桥变流器；其中，所述输出全桥变流器的级数为级；各级输出全桥变流器的dc端正极均连接至低压母线正极，所述各级输出全桥变流器的dc端负极均连接至低压母线负极；m为正整数，且m小于n。2.根据权利要求1所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述输入全桥变流器通过一级变压器连接对应的输出全桥变流器。3.根据权利要求1所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述输入全桥变流器通过级联的一级变压器及二级变压器连接对应的输出全桥变流器。4.根据权利要求3所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述一级变压器的第一变比及所述二级变压器的第二变比均是根据所述输入全桥变流器所对应的层级预先设定的。5.根据权利要求2或3所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述输入全桥变流器的ac端正极连接第一电感后，通过对应的一级变压器的原边与该输入全桥变流器的ac端负极连接。6.根据权利要求4所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，位于奇数层级的输入全桥变流器与位于偶数层级的输入全桥变流器两两构成一组，同一组中位于奇数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极与位于偶数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边正极短接，同一组中位于奇数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极与位于偶数层级的输入全桥变流器对应的一级变压器的副边负极短接。7.根据权利要求1所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述输出全桥变流器的ac端正极通过对应的二级变压器的副边与该输出全桥变流器的ac端负极连接。8.根据权利要求3所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述一级变压器的第一匝数及所述二级变压器的第二匝数均是根据所述输入全桥变流器所对应的层级预先设定的。9.根据权利要求8所述的双向dc/dc变流器拓扑结构，其特征在于，所述二级变压器的原边连接第二电感。10.一种柔性变电站，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的双向dc/dc变流器拓扑结构以及高压直流电网、低压直流电网；其中，所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的第1级输入全桥变流器的dc端正极连接至所述高压直流电网的高压母线正极，所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的第2n级输入全桥变流器的dc端负极连接至所述高压直流电网的高压母线负极；所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的各级输出全桥变流器的dc端正极均连接至所述低压直流电网的低压母线正极，所述双向dc/dc变流器拓扑结构中的所述各级输出全桥变流器的dc端负极均连接至所述低压直流电网的低压母线负极。
技术总结本申请提供一种双向DC/DC变流器拓扑结构，包括：变流器输入端，包括以串联方式连接的多级输入全桥变流器；其中，输入全桥变流器的级数为2N；从第1级输入全桥变流器至第2N级输入全桥变流器依次串联；变流器输出端，包括以并联方式连接的多级输出全桥变流器；各级输出全桥变流器的DC端正极均连接至低压母线正极，各级输出全桥变流器的DC端负极均连接至低压母线负极，本申请对于承受绝对电压较高的全桥变流器，能够通过扩充变压器级数的方式，降低变压器一次绕组与二次绕组之间的绝对电压差，从而减轻变压器一次绕组与二次绕组之间的绝缘压力，降低设备的击穿风险。降低设备的击穿风险。降低设备的击穿风险。
技术研发人员：赵志宇 曹天植 王晓斐 王丰 陈瑞 王长瑞 刘博 李梁 刘瑛琳 王泽森 张广韬 梁浩 李烜 刘苗 谢欢 黄天啸
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
