一种单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法

1.本发明涉及新能源能源发电并网或者直流电网互联、电力电子技术领域， 具体为一种单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法。


背景技术：

2.与陆地风电相比，海上风电可直接接入东南沿海负荷中心，易于消纳，缓 解西电东送的压力，同时海上风电发展空间广阔，资源开发潜力大，无需占用 宝贵的陆地资源，又具备风速稳定，发电效率高等优势。但随着海上风电场系 统容量不断扩大、离岸距离持续增加，传统的高压交流传输(hvac)方式由于会 引起较大的充电功率、线路损耗、需要无功补偿装置等问题，已经不再适合于 大型海上风电场能量传输的场合，转而被无充电电容效应、线路损耗更小的高 压直流传输(hvdc)所取代。直流变压器将是直流电网中接入直流设备、连 接不同电压等级、新能源并网、电网互联的核心设备。
3.目前的直流输电接线方式有：单极接线和双极接线两种。采用双极接线主 要可以降低直流线路的绝缘水平、提高系统的可靠性，当双极侧的某一极发生 了断线故障，此时仍能够保证一半的能量传输，倘若直流风电场的送出功率大 于单极直流系统的传输容量，则需要协调风电场降低输出功率。同时考虑到海 上风电送出场景，输电线路上没有电力负荷，因此可允许直流上有较大的脉动 成分。但是需要注意的是，长时间的单极运行并不利于整个系统稳定运行，发 生断线故障后，应当在较短的时间内进行抢修。同时，现有的直流变压器主要 用于单极性接线直流电网和单极性接线直流电网之间的能量传输，单极性接线 直流电网和双极性接线直流电网之间的能量传输需要两套直流变压器才能实现， 但也带来了价格昂贵，损耗高、体积大等缺点。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳 实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省 略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不 能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明解决的技术问题是：现有的直流变压器主要用于单极性接线 直流电网和单极性接线直流电网之间的能量传输，单极性接线直流电网和双极 性接线直流电网之间的能量传输需要两套直流变压器才能实现，但也带来了价 格昂贵，损耗高、体积大等的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种单双极转换高电压 大容量直流变压器，包括：
8.单极性原边侧，所述单极性原边侧包括a、b两相桥臂电路和一个直流电 容以及正极母线、负极母线构成；
9.双极性副边侧，所述双极性副边侧包括，c相桥臂电路、两个直流电容、 正极母线、负极母线和中性线构成；
10.交流单元，所述交流单元连接于所述单极性原边侧与所述双极性副边侧之 间。
11.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的一种优选方案， 其中：所述的a、b两相桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路串联组成，a相 的上下桥臂电路分别为arm
au
、arm
al
，b相的上下桥臂电路分别为arm
bu
、 arm
bl
，直流电容为ci；其中，arm
au
和arm
bu
与正极母线相连，arm
al
和 arm
bl
与负极母线相连，arm
au
、arm
al
之间以及arm
bu
、arm
bl
之间各引出一 个抽头，直流电容ci并联在正负极母线之间。
12.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的一种优选方案， 其中：所述a、b两相桥臂电路包括，若干个级联子模块sm和一个电抗器l
p
； 其中，所述子模块sm由两个igbt开关、与之反向并联的二极管以及一个并联 直流电容组成。
13.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的一种优选方案， 其中：所述的c相桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路串联组成，分别为 arm
cu
和arm
cl
，两个串联的直流电容分别为cu和c
l
；其中arm
cu
和cu与正极母 线相连，arm
cl
和c
l
与负极母线相连，中性线连接在cu和c
l
之间，arm
cu
、 arm
cl
之间以及cu、c
l
之间各引出一个抽头。
14.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的一种优选方案， 其中：所述c相桥臂电路由若干个级联子模块sm和阻抗模块sw以及一个电 抗器ls构成；其中，每个子模块sm由两个igbt开关、与之反向并联二极管以 及一个并联直流电容组成，阻抗模块sw由一个开关和阻抗并联组成。
15.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的一种优选方案， 其中：所述交流单元(200)为中高频隔离变压器，所述中高频隔离变压器的一 次侧与所述单极性原边侧(100)的两个抽头相连，所述中高频隔离变压器的二 次侧与所述双极性副边侧(300)两个抽头相连。
16.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法的一 种优选方案，其中：包括单移向控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、直 流偏磁抑制策略。
17.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法的一 种优选方案，其中：所述单移向控制策略包括电压控制模式和功率控制模式。
18.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法的一 种优选方案，其中：所述子模块电容电压均衡控制策略，包括，对各桥臂中所 述子模块sm的电容电压进行采样和排序，采用移相角较小的驱动信号控制电 容电压较低的子模块，采用移相角较大的驱动信号控制电容电压较高的子模块。
19.作为本发明所述的单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法的一 种优选方案，其中：所述直流偏磁抑制策略，包括，在所述单双极转换高电压 大容量直流变压器调制过程中引入桥臂间驱动信号移相角，使a相上桥臂和b 相下桥臂的驱动信号超前于a相下桥臂和b相上桥臂的驱动信号或者使a相上 桥臂和b相下桥臂的驱动信号滞后于a相下桥臂和b相上桥臂的驱动信号。
20.本发明的有益效果：1、本发明交流环节采用一个双绕组变压器，双极侧 只采用一套变换器，降低了整个系统的成本，能够实现双极运行。当双极侧某 一极母线发生断线故障后，本发明仍然可以在短时间内传输一半的额定功率。
21.2、现有的单极性转单极性直流变压器的电压匹配比为1，本发明的两个输 出集中电容之间无中性线或者中性点不接地时，该变换器就转化为单极性转单 极性直流变压器，由于副边侧为模块化多电平(mmc)单相半桥结构，可实现 电压匹配比为1/2，降低了中高频隔离变压器的绝缘要求。
22.3、当功率传输变化时，励磁电流平均值在一个周期内不为零，本发明在 单极性原边侧上下桥臂间驱动信号的引入移向角实现在交流变压器的原边主动 注入直流来减少直流偏磁现象发生的时间。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 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性的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
24.图1为本发明一个实施例提供的应用于单极性直流接线与双极性直流接线 互联场景下的直流变压器的拓扑结构图；
25.图2为本发明一个实施例提供的应用于单极性直流接线与单极性直流接线 互联场景下的直流变压器的拓扑结构图；
26.图3为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器应用 于新能源汇聚母线与电网输电线连接(即海上平台)场景下的定电压控制模式；
27.图4为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器应用 于电网母线互联场景下的定功率控制模式；
28.图5为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器中桥 臂内部子模块电容电压均衡控制图；
29.图6为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中直流偏磁抑制策略；
30.图7为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中双极对称运行的输出功率(p
out1
＝50mw，p
out2
＝50mw)图；
31.图8为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中双极对称运行的交流侧原副边电压v
ac1
、v
ac2
、原副边电流i
ac1
、 i
ac2
图；
32.图9为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中励磁电流im图；
33.图10为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中桥臂间移向比d
arm
的仿真实验波形图；
34.图11为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法的一种功率传输变化条件图；
35.图12为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法在图11功率传输变化条件下，无直流偏磁抑制控制下的励磁电流仿真 实验波形图，在1s-4s内励磁电流im出现直流分量；
36.图13为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制
方法在图11功率传输变化条件下，有直流偏磁抑制控制下的励磁电流仿真 实验波形图，在1s-1.25s内励磁电流im出现直流分量；
37.图14为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中负极母线断线后的输出功率(p
out1
＝50mw，p
out2
＝0)图；
38.图15为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中负极母线断线后交流侧原副边电压v
ac1
和v
ac2
波形图、电流i
ac1
和 i
ac2
波形图；
39.图16为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中负极母线断线后励磁电流im波形图；
40.图17为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中负极母线断线后桥臂间移向比d
arm
的仿真实验波形图；
41.图18为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中的正极母线断线后的输出功率(p
out1
＝0，p
out2
＝50mw)图；
42.图19为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中的正极母线断线后交流侧原副边电压v
ac1
和v
ac2
，原副边电流i
ac1
和 i
ac2
波形图；
43.图20为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中的正极母线断线后励磁电流im波形图；
44.图21为本发明一个实施例提供的单双极转换高电压大容量直流变压器及其 控制方法中的桥臂间移向比d
arm
的仿真实验波形图。
具体实施方式
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书 附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的 一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的 保护的范围。
46.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
47.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少 一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在 一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施 例互相排斥的实施例。
48.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明， 表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例， 其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及 深度的三维空间尺寸。
49.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述 本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第 一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广 义理解，例
如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械 连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件 内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。
51.实施例1
52.参照图1～2，为本发明的一个实施例，提供了一种单双极转换高电压大容 量直流变压器，包括：
53.单极性原边侧100、双极性副边侧300和交流单元200，所述交流单元200 连接于所述单极性原边侧100与所述双极性副边侧300之间。
54.应说明的是，中高频隔离变压器连接在原副边的上下桥臂之间中点处。
55.更进一步的，所述单极性原边侧100包括a、b两相桥臂电路和一个直流 电容以及正极母线、负极母线构成；所述的a、b两相桥臂电路由上桥臂电路 和下桥臂电路串联组成，a相的上下桥臂电路分别记为arm
au
、arm
al
，b相的 上下桥臂电路分别记为arm
bu
、arm
bl
，直流电容为ci；其中，arm
au
和arm
bu
与正极母线相连，arm
al
和arm
bl
与负极母线相连，arm
au
、arm
al
之间以及 arm
bu
、arm
bl
之间各引出一个抽头，直流电容ci并联在正负极母线之间。
56.更进一步的，所述a、b两相桥臂电路包括，若干个级联子模块sm1和一 个电抗器l
p
；其中，所述子模块sm由两个igbt开关、与之反向并联的二极 管以及一个并联直流电容组成。
57.应说明的是，单极性原边侧100为模块化多电平单相全桥结构，子模块sm1的个数n由接入系统的电压等级要求来决定。
58.更进一步的，所述双极性副边侧300包括，c相桥臂电路、两个直流电容、 正极母线、负极母线和中性线构成；所述的c相桥臂电路由上桥臂电路和下桥 臂电路串联组成，分别为arm
cu
和arm
cl
，两个串联的直流电容分别为cu和c
l
； 其中arm
cu
和cu与正极母线相连，arm
cl
和c
l
与负极母线相连，中性线连接在cu和c
l
之间，arm
cu
、arm
cl
之间以及cu、c
l
之间各引出一个抽头。
59.更进一步的，所述c相桥臂电路由若干个级联子模块sm2和阻抗模块sw 以及一个电抗器ls构成；其中，每个子模块sm由两个igbt开关、与之反向并 联二极管以及一个并联直流电容组成，阻抗模块sw由一个开关和阻抗并联组 成。
60.应说明的是，双极性副边侧300为模块化多电平单相半桥结构。
61.更进一步的，所述交流单元200为中高频隔离变压器，所述中高频隔离变 压器的一次侧与所述单极性原边侧100的两个抽头相连，所述中高频隔离变压 器的二次侧与所述双极性副边侧300两个抽头相连。
62.应说明的是，中高频隔离变压器以及子模块内部的igbt频率为1000hz，可 以降低设备的体积和重量，可以实现设备轻型化，降低设备的制造成本，方便 设备的运输和装配，减小占地面积。
63.正常运行时，a相上桥臂电路arm
au
和b相下桥臂电路arm
bl
的子模块sm 同时投入或者切除，a相下桥臂电路arm
al
和b相上桥臂电路arm
bu
的子模块 sm同时投入或者切除，同一相的上桥臂电路和下桥臂电路的子模块sm互补投 入；c相上下桥臂电路子模块sm互补投入，阻抗模块sw的开关闭合。
64.当双极性侧正极母线发生断线故障时，c相上桥臂电路arm
cu
的阻抗模块sw的开关
断开；即正极母线输出功率为零时，负极母线依旧可以输出功率； 当双极性侧负极母线发生断线故障时，c相下桥臂电路arm
cl
的阻抗模块sw的 开关断开，当负极母线输出功率为零时，正极母线依旧可以输出功率。这种方 式称为单极运行方式，可以暂时地防止功率传输中断，现有的方案一旦发生断 线故障将会中断功率的传输。
65.因此可以看出优势还在于现有的单双级转换直流变压器的双极侧一般由两 套独立的变换器级联在一起实现双极接线方式，其中交流环节一般采用三绕组 变压器或者直接采用两个双绕组变压器并联。而本设备的交流环节采用一个双 绕组变压器，双极侧只采用一套变换器，降低了整个系统的成本。同时，现有 的单极性转单极性直流变压器的电压匹配比为1，本发明的两个输出集中电容 之间无中性线或者中性点不接地时，该变换器就转化为单极性转单极性直流变 压器，由于副边侧为模块化多电平(mmc)单相半桥结构，可实现电压匹配比 为1/2，降低了中高频隔离变压器的绝缘要求。
66.实施例2
67.参照图3～6，为本发明的一个实施例，提供了单双极转换高电压大容量直 流变压器及其控制方法，包括：单移向控制策略、子模块电容电压均衡控制策 略、直流偏磁抑制策略。
68.更进一步的，单移向控制策略包括电压控制模式和功率控制模式。
69.应说明的是，单移向控制策略用来控制功率传输的大小。
70.具体的，电压控制模式：主要应用在新能源发电侧与输电系统之间的互联， 该控制以单极性侧电压为控制对象，系统采集单极侧直流电压与预先设定的参 考值进行比较，差值经过pi控制器后即为系统原副边电压的功率移向角功 率移向角应保持在范围[-π/2,π/2]内，对移向角限幅后通过脉宽调制生成各个 子模块sm内部的开关器件所需的脉冲信号。
[0071]
具体的，功率控制模式：主要应用在电网之间的互联，该控制以变换器的 传输功率为控制对象，系统采集单极侧输入功率与预先设定的参考值进行比较， 差值经过pi控制器后即为系统原副边电压的功率移向角功率移向角应保 持在范围[-π/2,π/2]内，对移向角限幅后通过脉宽调制生成各个子模块sm内部 开关器件所需的脉冲信号。
[0072][0073]
其中，
[0074]
式中：p为传输功率，n为变压器变比，v
dc1
为单极侧原边输入电压，v
dc2
为双极侧副边输出电压，为功率移向角，d为功率移向比，th为半个开关周 期，dn为a相和b相各个桥臂电路内部子模块间的最大移向比，dm为c相各 个桥臂电路内部子模块间的最大移向比，l
eq
为设备的等效电感，l
p
为原边桥 臂电感，ls为副边桥臂电感，l
t
为外部连接电感。
[0075]
上式表明，通过调节功率移向角(功率移向比d)控制功率p的大小，该 策略公式更具有一般性普适性。
[0076]
更进一步的，子模块电容电压均衡控制策略，包括，对各桥臂中所述子模 块sm的电容电压进行采样和排序，采用移相角较小的驱动信号控制电容电压 较低的子模块，采用
移相角较大的驱动信号控制电容电压较高的子模块。
[0077]
应说明的是，子模块电容电压均衡控制保证正常运行时桥臂中子模块sm 内部的电容电压的稳定。
[0078]
具体的，子模块sm的能量均衡是设备正常运行的必要条件，子模块sm的 能量反映在子模块sm的电容电压上，桥臂中每个子模块都有相应驱动信号所 驱动。
[0079][0080]
式中：δq为s
k+1
驱动的子模块与sk驱动的子模块电容能量之差，dk为第k 个子模块间的移向比，d
k+1
为第k+1个子模块间的移向比，dn为子模块间的最 大移向比，d为功率移向比。
[0081]
其中d
k+1
＞dk，dn＜＜d，因此不等式右侧小于零。上式表明，采用较大的 移向比驱动子模块使对应的子模块再一个开关周期内的能量反而少。
[0082]
同时，对各桥臂中子模块sm的电容电压进行采样和排序，采用移相角较 小的驱动信号控制电容电压较低的子模块，采用移相角较大的驱动信号控制电 容电压较高的子模块，此控制方法无需测量桥臂电流的方向。
[0083]
更进一步的，直流偏磁抑制策略，包括，
[0084]
s1：在所述单双极转换高电压大容量直流变压器a、b相的上下桥臂电路 间引入驱动信号移向角；
[0085]
应说明的是，在所述单双极转换高电压大容量直流变压器调制过程中引入 桥臂间驱动信号移相角，即a相上桥臂和b相下桥臂的驱动信号超前于a相下 桥臂和b相上桥臂的驱动信号或者使a相上桥臂和b相下桥臂的驱动信号滞后 于a相下桥臂和b相上桥臂的驱动信号；超前或滞后取决于所需注入直流分量 的方向。
[0086]
具体的，
[0087][0088]
其中，γ为所述驱动信号移相角，d
arm
为桥臂间移向比。
[0089]
s2：依靠桥臂电抗器l
p
在上下桥臂电路之间传递有功功率，从而改变上下 桥臂的电压；
[0090]
应说明的是，由于驱动信号移相角的作用，会在桥臂电感上产生一个交流 电压，交流电压作用在桥臂电抗器l
p
上产生一个有功交流电流，相当于在上下 桥臂电路之间开辟了功率传输通道。
[0091]
同时，由于功率传输通道的作用，桥臂能量改变，桥臂能量由桥臂子模块 电容电压反映，从而改变了上下桥臂的电压；
[0092]
作为一种可实现的方式，上下桥臂电压变化量的绝对值可以表示为：
[0093][0094]
其中，d
arm
为桥臂间移向比，l
p
桥臂电感大小，f为开关频率，v
dc1
为单极 侧直流电
压，r
eq
为设备的桥臂电阻和交流变压器漏阻的等效电阻，δv为桥臂 电压变化量的绝对值，p为传输功率。
[0095]
s3：改变交流变压器原边电压的直流分量实现主动注入直流；
[0096]
具体的，交流变压器原边电压的直流分量为
[0097][0098]
上式中，v
al
为桥臂arm
al
的电压，v
au
为桥臂arm
au
的电压，v
bl
为桥臂arm
bl
的电压，v
bu
为桥臂arm
bu
的电压。上式表明，上下桥臂电压的不一致性(v
al
≠v
au
或v
bl
≠v
bu
)会在交流变压器原边叠加一个直流电压，进而实现主动注入直 流。
[0099]
s4：通过改变桥臂间移向比调节注入的直流分量i
dc
，从而抑制交流变压器 的直流偏磁现象。
[0100]
应说明的是，直流偏磁抑制策略主要用于防止中高频交流变压器发生磁饱 和现象。
[0101]
桥臂间移向比与直流分量i
dc
的关系为
[0102][0103]
上式中，d
arm
为桥臂间移向比，l
p
桥臂电感大小，f为开关频率，v
dc1
为单 极侧直流电压，i
dc
为注入的直流分量大小，r
eg
为设备的桥臂电阻和交流变压 器漏阻的等效电阻，p为传输功率。上式表明通过改变桥臂间移向比d
arm
可以 调节注入的直流分量i
dc
。
[0104]
在所述的直流变压器调制过程中引入桥臂间驱动信号移相角，使a相上桥 臂和b相下桥臂的驱动信号超前于a相下桥臂和b相上桥臂的驱动信号或者使 a相上桥臂和b相下桥臂的驱动信号滞后于a相下桥臂和b相上桥臂的驱动信 号，以此改变上下桥臂的瞬时电压，在变压器原边主动注入直流电流抑制交流 变压器可能出现的直流偏磁现象。该直流偏磁抑制策略不局限于本发明拓扑结 构，也可应用于常见的单极性转单极性模块化多电平直流变压器(mmdc)。
[0105]
并且其优势还在于，当功率传输变化时，励磁电流平均值在一个周期内不 为零，即产生一个直流偏磁电流，通常情况下直流偏磁电流通过元器件自身的 寄生电阻慢慢消耗掉，本发明在单极性原边侧上下桥臂间驱动信号的引入移向 角实现在交流变压器的原边主动注入直流来减少直流偏磁现象发生的时间。
[0106]
实施例3
[0107]
参照图7～21，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下 面结合附图及具体实施例对本发明方案进行进一步的详细说明和效果验证。根 据图1所示的单双极转换直流变压器，在matlab/simulink软件上搭建模型进 行验证，仿真参数如表1所示。
[0108]
表1
[0109][0110]
图7～图10为双极对称运行的输出功率(p
out1
＝50mw，p
out2
＝50mw)、 交流侧原副边电压v
ac1
、v
ac2
，原副边电流i
ac1
、i
ac2
、励磁电流im、桥臂间移 向比d
arm
的仿真实验波形图。从仿真波形图可以看出原副边的电压电流保持稳 定，隔离变压器的励磁电流没有直流分量，说明设备可以较好地保持双极对称 运行状态。
[0111]
图12为功率传输变化下(在图11功率传输变化条件下)，无直流偏磁抑制 控制下的励磁电流仿真实验波形图，在1s-4s内励磁电流im出现直流分量；图13 为功率传输变化下(在图11功率传输变化条件下)，有直流偏磁抑制控制下的 励磁电流仿真实验波形图，在1s-1.25s内励磁电流im出现直流分量。从图12与 图13的仿真实验波形图对比可以看出，在传输功率突变的情况下，通过我方直 流变压器的设计和直流偏磁抑制策略的运用，直流偏磁现象的时间间隔从3秒 (1s-4s)缩短为0.25秒(1s-1.25s)，图12和图13的对比说明了直流偏磁抑制控 制的有效性，使变压器在功率传输的变化下尽快地恢复最佳运行状态。
[0112]
图14～图17为负极母线断线后的输出功率(p
out1
＝50mw，p
out2
＝0)、 交流侧原副边电压v
ac1
和v
ac2
，原副边电流i
ac1
和i
ac2
、励磁电流im、桥臂间移 向比d
arm
的仿真实验波形图。仿真波形图说明负极母线发生断线故障后，正极 母线仍能维持功率的传输；励磁电流im没有直流分量，说明隔离变压器仍然可 以维持运行。
[0113]
图18～图21为实施方案中的正极母线断线后的输出功率(p
out1
＝0， p
out2
＝50mw)、交流侧原副边电压v
ac1
和v
ac2
，原副边电流i
ac1
和i
ac2
、励磁 电流im、桥臂间移向比d
arm
的仿真实验波形图。仿真波形图说明负极母线发生 断线故障后，正极母线仍能维持功率的传输；励磁电流im没有直流分量，说明 隔离变压器仍然可以维持运行。
[0114]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可 以对本发明的技术
方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种单双极转换高电压大容量直流变压器，其特征在于，包括：单极性原边侧(100)，所述单极性原边侧(100)包括a、b两相桥臂电路和一个直流电容以及正极母线、负极母线构成；双极性副边侧(300)，所述双极性副边侧(300)包括c相桥臂电路、两个直流电容、正极母线、负极母线和中性线构成；交流单元(200)，所述交流单元(200)连接于所述单极性原边侧(100)与所述双极性副边侧(300)之间。2.如权利要求1所述的单双极转换高电压大容量直流变压器，其特征在于：所述的a、b两相桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路串联组成，a相的上下桥臂电路分别为arm
au
、arm
al
，b相的上下桥臂电路分别为arm
bu
、arm
bl
，直流电容为c
i
；其中，arm
au
和arm
bu
与正极母线相连，arm
al
和arm
bl
与负极母线相连，arm
au
、arm
al
之间以及arm
bu
、arm
bl
之间各引出一个抽头，直流电容c
i
并联在正负极母线之间。3.如权利要求2所述的单双极转换高电压大容量直流变压器，其特征在于：所述a、b两相桥臂电路包括，若干个级联子模块sm和一个电抗器l
p
；其中，所述子模块sm由两个igbt开关、与之反向并联的二极管以及一个并联直流电容组成。4.如权利要求2或3所述的单双极转换高电压大容量直流变压器，其特征在于：所述的c相桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路串联组成，分别为arm
cu
和arm
cl
，两个串联的直流电容分别为c
u
和c
l
；其中arm
cu
和c
u
与正极母线相连，arm
cl
和c
l
与负极母线相连，中性线连接在c
u
和c
l
之间，arm
cu
、arm
cl
之间以及c
u
、c
l
之间各引出一个抽头。5.如权利要求4所述的单双极转换高电压大容量直流变压器，其特征在于：所述c相桥臂电路由若干个级联子模块sm和阻抗模块sw以及一个电抗器l
s
构成；其中，每个子模块sm由两个igbt开关、与之反向并联二极管以及一个并联直流电容组成，阻抗模块sw由一个开关和阻抗并联组成。6.如权利要求5所述的单双极转换高电压大容量直流变压器，其特征在于：所述交流单元(200)为中高频隔离变压器，所述中高频隔离变压器的一次侧与所述单极性原边侧(100)的两个抽头相连，所述中高频隔离变压器的二次侧与所述双极性副边侧(300)两个抽头相连。7.一种应用如权利要求1-6任一所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的控制方法，其特征在于：在所述单双极转换高电压大容量直流变压器a、b相的上下桥臂电路间引入驱动信号移向角；依靠桥臂电抗器l
p
在上下桥臂电路之间传递有功功率，从而改变上下桥臂的瞬时电压；改变交流变压器原边电压的直流分量实现主动注入直流；通过改变桥臂间移向比调节注入的直流分量i
dc
，从而抑制交流变压器的直流偏磁现象。8.如权利要求7所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的控制方法，其特征在于：所述驱动信号移相角为pi控制器输出得到。9.如权利要求8所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的控制方法，其特征在于：所述原边电压的直流分量包括：
其中，v
al
为桥臂arm
al
的电压，v
au
为桥臂arm
au
的电压,v
bl
为桥臂arm
bl
的电压,v
bu
为桥臂arm
bu
的电压。10.如权利要求8或9所述的单双极转换高电压大容量直流变压器的控制方法，其特征在于：所述改变桥臂间移向比调节注入的直流分量i
dc
为：其中，d
arm
为桥臂间移向比，l
p
桥臂电感大小，f为开关频率，v
dc1
为单极侧直流电压，i
dc
为注入的直流分量大小，r
eq
为设备的桥臂电阻和交流变压器漏阻的等效电阻，p为传输功率。

技术总结
本发明公开了一种单双极转换高电压大容量直流变压器及其控制方法包括：单极性原边侧、双极性副边侧和交流单元，交流单元连接于单极性原边侧与双极性副边侧之间。还包括单移向控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、直流偏磁抑制策略。本发明交流环节降低了整个系统的成本，能够实现双极运行。可实现电压匹配比为1/2，降低了中高频隔离变压器的绝缘要求。还可在单极性原边侧上下桥臂间驱动信号的引入移向角实现在交流变压器的原边主动注入直流来减少直流偏磁现象发生的时间。流来减少直流偏磁现象发生的时间。流来减少直流偏磁现象发生的时间。


技术研发人员：王甫 李征 臧甲杰 周剑桥 施刚 张建文 蔡旭
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25