[发明专利]一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块

说明书

本发明公开了一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑结构及其控制方法，适用于多模块输入串联、输出并联型直流变压器。子模块包括中压侧电路、高频多相变压器与谐振腔、低压侧电路。中压侧电路由N个半桥电路串联构成，低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容并联构成，谐振腔由谐振电感、谐振电容与励磁电感组成，中、低压侧电路通过多相变压器与谐振腔连接。该子模块具有高输入电压与高输出电流，可有效减少直流变压器子模块个数，提升直流变压器功率密度。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑结构及其控制方法。

背景技术

近年来，随着分布式能源的发展，直流负荷的增多，中低压直流配电系统受到了广泛的关注。而直流变压器作为中低压直流配电系统中的关键设备，成为了一个研究的热点。目前，直流变压器一般采用输入串联输出并联的结构，以减小中压直流侧开关器件的电压应力与低压直流侧开关器件的电流应力。同时，模块化的构造提高了直流变压器的可靠性与故障冗余性能。但受限于目前的半导体器件耐压水平与成本考虑，直流变压器的每个子模块的输入电压有限，使得直流变压器所使用的模块数量增多。进一步地，开关器件与高频变压器的数量也大大增加，从而导致直流变压器的功率密度难以进一步提高。如何在不增加器件耐压的前提下，通过改变子模块拓扑结构，减少直流变压器模块数量，提升直流变压器功率密度成为了一个难题。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑结构及其控制方法，通过对基于LLC结构的直流变压器子模块拓扑结构进行改进，提升直流变压器单个子模块输入电压，从而减少直流变压器模块数量，提升装置功率密度。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块由中压侧电路、低压侧电路、高频多相变压器与谐振腔组成。中压侧电路由N个半桥电路串联构成，其中，在第i半桥电路内，第一开关管Q_i1与第二开关管Q_i2串联组成半桥桥臂，并与第i输入滤波电容C_ini并联；低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容C_o并联组成，其中，第i半桥桥臂由第三开关管Q_i3与第四开关管Q_i4串联组成；多相变压器包含N相变压器绕组，每相变压器绕组包含一个原边绕组与一个副边绕组。谐振腔由谐振电感、谐振电容与励磁电感组成。中压侧、低压侧电路与多相变压器和谐振腔采用不同的连接方式构成双向LLC直流变压器子模块。其中，中压侧第i半桥电路、低压侧第i半桥桥臂、多相变压器第i原边绕组#ip、第i副边绕组#is、第i谐振电感L_ri、第i谐振电容C_ri、第i励磁电感L_mi共同构成第i单元模块。

多相变压器原边绕组和谐振腔与中压侧电路的连接方式有以下五种，其中P₁₂、P₂₂、……、P_N2、S₁₂、S₂₂、……、S_N2端子为多绕组变压器同名端。

可选的，iN-1时，第i相变压器的原边绕组#ip的端子P_i1与第i谐振电感L_ri和第i谐振电容C_ri串联后，连接中压侧电路的第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Q_i1的发射极；第i相变压器的原边绕组#ip端子P_i2连接中压侧电路的第(i+1)半桥电路内半桥桥臂中间点；i＝N时，第N相变压器的原边绕组#Np端子P_N2连接中压侧电路的第1相半桥电路内半桥桥臂中间点；