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CN115706539A - 双向中压转换器拓扑 - Google Patents

双向中压转换器拓扑 Download PDF

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CN115706539A
CN115706539A CN202210966910.XA CN202210966910A CN115706539A CN 115706539 A CN115706539 A CN 115706539A CN 202210966910 A CN202210966910 A CN 202210966910A CN 115706539 A CN115706539 A CN 115706539A
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CN
China
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bidirectional
converter
medium voltage
topology
voltage converter
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CN202210966910.XA
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Inventor
尤韦·德罗费尼克
弗朗西斯科·卡纳莱斯
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Abb Electric Vehicles LLC
Original Assignee
ABB Schweiz AG
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种双向中压转换器拓扑，包括：n脉冲线路相间变压器LIT；多个双向中压MV转换器，在AC侧被连接到LIT并且在DC侧并联连接；双向多级DC/DC转换器，被连接到多个双向MV转换器；以及双向低压LV DC/DC转换器；其中多级DC/DC转换器和LV DC/DC转换器彼此电绝缘连接。

Description

双向中压转换器拓扑
技术领域
本发明涉及一种双向中压转换器拓扑，以及一种在基于LIT的双向中压转换器拓扑中采用中频变压器的双向MV转换器和DC/DC转换器的用途。
背景技术
对于可再生能源(PV太阳能、风能)、存储装置(电池、氢气、燃料电池)、大型驱动器、EV充电和数据中心等应用，其中涉及至少几兆瓦的电力，与MV电网的连接由具有电绝缘的MV到LV AC/DC转换器完成。
发明内容
在许多这些应用中，需要低成本和高效率的双向电力流。
该问题通过独立权利要求的主题解决。实施例由从属权利要求、以下描述和附图提供。
所描述实施例类似地涉及双向中压转换器拓扑、在基于LIT的双向中压转换器拓扑中采用中频变压器的双向MV转换器和DC/DC转换器的用途，以及双向中压转换器拓扑在光伏太阳能发电厂、风电场、存储装置(用于电池、氢气、燃料电池)、驱动器、电动汽车充电设备或数据中心中的用途。协同效应可能来自实施例的不同组合，尽管可能没有详细描述协同效应。
技术术语按其常识使用。如果将特定含义传达给某些术语，则将在以下使用术语的上下文中给出术语的定义。
在本公开中使用以下缩写：
MV 中压(通常3kV至50kV)
LV 低压(通常达1kV)
MFT 中频变压器(以电源频率的多倍操作)
EV 电动汽车
HF 高频(电源频率的多倍，例如5kHz至30kHz)
LIT 线路相间变压器(提供无电绝缘的相移三相系统)
MLC 多电平转换器(基于单元)
PV 光伏
AC 交流
DC 直流
LIT 线路相间变压器
根据第一方面，提供一种双向中压转换器拓扑。转换器包括：n脉冲线路相间变压器(LIT)；多个双向中压(MV)转换器，在AC侧被连接到LIT且在DC侧并联连接；双向多级DC/DC转换器，被连接到多个双向MV转换器；以及双向低压(LV)DC/DC转换器；其中多级DC/DC转换器和LV DC/DC转换器彼此电绝缘连接。
由于采用了MFT和LIT，该拓扑允许双向电力流，在一个方向上显著减小尺寸和成本，并且整个系统的占用空间小。该拓扑适用于非常广泛的范围，即适用于许多不同的应用，诸如可再生能源应用，例如光伏/太阳能和风能发电厂、电池或氢或燃料电池的能量存储装置、大型驱动器、EV充电和数据中心。该拓扑可以低成本实现，简单、可靠、坚固。
转换器的控制可以在所有操作模式下保持简单，即在整流器模式和逆变器模式下，并且同时在两种模式下都提供非常高的效率。
双向意味着该拓扑能够将AC从LIT所连接且通常具有三相的AC电网转换为DC应用，反之亦然。为了提供双向，线路相间变压器(LIT)、多个双向中压(MV)转换器、多级DC/DC转换器和低压(LV)DC/DC转换器中的任一个必须具有双向能力。即，转换器还可以作为逆变器工作。DC侧的多个双向中压(MV)转换器的“并联连接”意味着所有转换器都连接到两条线路，即DC+线路和DC-线路。
MV转换器的数目取决于LIT的脉冲数目。例如，LIT到转换器接口的三相产生六个脉冲，对应于具有三个桥或“支路”的一个转换器。
根据实施例，双向中压转换器拓扑还包括m级中频变压器(MFT)，该m级中频变压器被配置为以电绝缘方式连接多电平DC/DC转换器和低压DC/DC转换器。
m级MFT可以由一个或多个单个MFT组成，即m＝1，2，3或任何正整数。数字m可以取决于多电平DC/DC转换器的电平数。多电平DC/DC转换器和低压DC/DC转换器形成双向中压(MV)转换器和DC应用之间的DC/DC转换器。注意，尽管该转换器被指定为“DC/DC转换器”，但其具有通过MFT的AC接口。更具体地，在一个方向上，多电平或“多级”转换器在一个方向上具有MV DC输入并产生AC信号，LV转换器从该AC信号产生LV DC输出。在另一方向上，LV转换器具有LV DC输入并产生AC信号，多电平或“多级”转换器从该AC信号产生MV DC输出。因此，这些转换器为DC-DC转换的一部分。更中性地说，该转换器也可以称为“MV多电平转换器”或“MV多级转换器”和“LV转换器”。
通过改变电池的数目，可以针对电力和MV DC链路电压优化半导体和MFT。例如，可以通过增加此类转换器来增加电力，同时保持DC电压，或者可以通过增加此类转换器来增加电压，同时保持或增加电力。
根据实施例，多个双向MV转换器中的每个转换器包括有源开关，其中有源开关为IGBT和二极管、IGBT和晶闸管以及IGBT和反并联晶体管的组合。
有源开关允许MV转换器的双向特性。二极管、晶闸管或晶体管相对于IGBT在反并联方向上布置。除二极管和晶闸管外，还可以使用诸如IGBT或其他晶体管等有源开关。
根据实施例，多个双向MV转换器中的每个转换器包括有源开关，其中有源开关包括MOSFET。
作为IGBT组合的替代方案，可以使用MOSFET代替IGBT，从而可以进行以下组合：MOSFET/二极管、MOSFET/晶闸管、MOSFET/晶体管，例如IGBT和MOSFET/MOSFET。
根据实施例，多个双向MV转换器分别在低频下操作。
这里的低频是指在电源频率的量级，即，例如50Hz的量级。由于使用了LIT，因此可以此低频率下进行操作。
根据实施例，不同脉冲数目的n脉冲LIT的脉冲数n为12、18、24、36或48。
原则上，当具有三相电网并在MV转换器中使用桥时，脉冲数为kx6。因此，可以使用具有kx6个脉冲的LIT，其中k可以是任何正整数。
根据实施例，双向MV转换器的拓扑为三电平中点钳位(NPC)拓扑。
可以使用从LIT的模拟中导出的PWM或类似PWM的信号来控制开关。
根据实施例，每个MV DC/DC转换器包括串联连接的开关单元，其中每个开关单元包括晶体管和反并联二极管、晶闸管或另一晶体管的组合；并且其中MV DC/DC转换器包括与一个或多个开关单元并联布置的电容器。
电容器平衡开关之间的电压，并且在MV DC+和MV DC-线路上提供平滑的DC电压。
根据实施例，双向中压转换器拓扑还包括用于电绝缘的中频变压器，其中每个单元连接到初级变压器线圈的第一端，并且初级变压器线圈的第二端连接到单元的下侧，并且其中，如果次级变压器线圈多于一个，则其是并联连接的。
术语“下”与技术惯例相关，即通常在电路图的顶侧绘制正极DC线，通常在电路图的底侧绘制负极DC线。当开关从正极线到负极线串联布置时，顶部开关连接到正极线，底部开关连接到负极线。因此，开关的“下”侧是指朝向负极线方向的一侧，例如n沟道晶体管的源极，并且可以连接到下一个下单元或开关，例如下一个n沟道晶体管的漏极。这同样适用于术语“上”，相应地，反之亦然。
根据实施例，双向中压转换器拓扑还包括用于电绝缘的一个或多个变压器，其中上单元连接到初级变压器线圈的第一端，并且初级变压器线圈的第二端连接到下单元，并且其中，如果次级变压器线圈多于一个，则其是并联连接的。
本实施例为前一实施例的备选实施例。由于变压器线圈连接到两个开关，因此变压器的数目减半。
根据实施例，上单元通过电容器或通过电感器连接到初级变压器线圈的第一端。
电容器和初级变压器线圈形成谐振电路。可以使用电感器代替与MFT串联的谐振电容器，以实现双有源桥(DAB)转换器。
根据实施例，双向中压转换器拓扑还包括控制器，其中控制器被配置为模拟与LIT的操作在时间上并行的脉冲LIT，并且使用模拟的结果来生成用于多个双向MV转换器的开关的控制信号。
即，不是将AC电网的测量相位用作参考来生成用于切换MV转换器的IGBT或MOSFET的PWM信号，而是模拟LIT信号。模拟是基于AC电网的测量相位，例如通过将模拟与测量相位同步或通过使用测量相位作为参考。通过这种方式，开关信号是基于不受干扰的模拟LIT信号。
根据另一方面，提供一种多个双向MV转换器和/或采用用于电绝缘的MFT的DC/DC转换器用于实现基于LIT的双向中压转换器拓扑的用途，其中双向MV转换器包括有源开关。
本实施例中列出的设备和基于LIT的双向中压转换器拓扑具有本公开中描述的特征。
根据另一方面，提供一种电力设备，包括如本文所描述的双向中压转换器拓扑。
根据实施例，电力设备为用于从可再生能源产生电力、用于能量存储装置、用于驱动器、用于EV充电或用于数据中心的设备。
可再生能源为例如PV太阳能、风能或水能。存储设备例如为电池、氢电池或燃料电池，例如，特别是在存储设备的情况下，电力被存储且再次检索，因此需要双向中压转换器拓扑。
参考附图和以下描述，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。
附图说明
图1示出了双向中压转换器拓扑，
图2a示出了采用开关的第一半导体组合的双向前端的图，
图2b示出了采用开关的第二半导体组合的双向前端的图，
图2c示出了采用开关的第三半导体组合的双向前端的图，
图3a示出了12脉冲LIT的图，
图3b示出了24脉冲LIT的图，
图4a示出了MV DC/DC转换器的第一实施例，
图4b示出了MV DC/DC转换器的第二实施例，
图5示出了MV DC/DC转换器的实现图，
图6a示出了单向18脉冲LIT整流器的数值电路模拟，
图6b示出了双向18脉冲LIT整流器的数值电路模拟。
具体实施方式
在所有附图中，对应部件具有相同参考符号。
图1示出了双向中压转换器拓扑100，其包括18脉冲LIT 102、多个双向MV转换器104…106，该转换器在AC侧连接到LIT且在DC侧(即在线路MV DC+和MV DC-处)并联连接。拓扑100还包括连接到多个双向MV转换器104…106和LV DC/DC转换器112的多级DC/DC转换器108以及两个中频变压器(MFT)110、111。多级DC/DC转换器108和LV DC/DC转换器112彼此电绝缘连接，这是通过MFT 110、111实现的。
LIT 102通过电感器114连接到三相AC电网116，电感器114或者是整个转换器或拓扑100的输入，或者是当作为逆变器100工作(即取决于操作拓扑100的方向)时整个转换器的输出。如果电网阻抗足够大，则可以省略电感器。
尽管在本公开中，拓扑和电路是在AC到DC的方向上描述，但是拓扑和电路可以在反方向上操作。该描述相应地适用于此反方向。
LIT转移AC相位并向MV转换器104…106提供三个转移的AC相位。在18脉冲LIT和AC到DC转换操作的情况下，LIT有三个输出131…133，每个输出具有三个相位。每个输出131…133为MV转换器104…106中的一个MV转换器的输入。关于一个MV转换器104，输出131的每个相位连接到MV转换器104的半桥的中点。三个MV转换器104相对于其在DC侧的输出并联连接。即，该转换器连接到线路MV DC+和线路MV DC-，多级DC/DC转换器108连接到该线路。更准确地说，装置108、MFT 110和111以及装置112形成具有MV输入和LV输出的DC/DC转换器。装置108被称为MV多级DC/DC转换器108并且装置112被称为LV DC/DC转换器，尽管其为具有由MFT 100和111实现的AC接口的MV到LV DC/DC转换器140的部分。
图2a到图2c示出了采用不同开关的双向前端102、104的实施例的图。图2a示出了一个图，其中开关由具有反并联二极管214的IGBT 212实现。图2b示出了一个图，其中开关由具有反并联晶闸管216的IGBT 212实现。图2c示出了一个图，其中反并联二极管由反并联有源开关(如IGBT 218)实现。
图3a和图3b示出了具有不同脉冲数目的LIT。图3a示出了12脉冲LIT，图3b示出了24脉冲LIT。原则上，对于三相，任何n＝k*6脉冲LIT都是可能的布置，其中k为正整数。转换器的数目为k。k越高，有源开关中的每个有源开关的负载就越低。高脉冲数(高k数)的显著优势是减少了电网侧电流谐波，从而减少了满足电网标准所需的滤波工作。
图4a和图4b示出了包括多层逆变器411…414的MV DC/DC转换器108的不同实施例。电容器404与ML逆变器并联连接以用于电压平衡。更多用于电压平衡的电容器可以布置为在开关之间的不同位置处分接ML逆变器。ML逆变器的输出连接到相应电容器402，该电容器与MFT 110…115的初级侧串联。电容器402和初级MFT线圈形成谐振电路。MFT的次级侧并联连接，使得承载低压高频电流的两条线路可以连接到低压DC/DC转换器112(见图1)。在附图中，所有并联电容器404和串联电容器402仅使用一个参考符号，因为该电容器不必单独标识。
图4a的实施例示出了多电平逆变器单元，每个单元由串联电容器404分接，串联电容器404连接到MFT 110…115的初级线圈，初级MFT线圈的另一端连接到相应多电平逆变器411…414的下端。
对于图4b所示的实施例，仅需要两个MFT 110和111。串联电容器402分接ML逆变器411，并且MFT 110的初级线圈的冷端分接下ML逆变器413。这同样适用于ML逆变器413和414以及MFT 111。
图5示出了MV DC/DC转换器108的实现502、504。更复杂的是，其示出了如何从基本转换器502开始开发具有更高电平数和更多MFT的转换器。为了获得转换器504的结构，复制结构502，并且将次级线圈并联连接。使用此原理，任何数目的基本转换器都可以通过这种方式连接在一起。
图6a和图6b示出了基于18脉冲LIT的转换器的DC电压、正弦AC电网电压和三个电网电流。18脉冲LIT逆变器阻挡除第17和第19以及这些谐波的倍数以外的所有低频谐波。可能需要进行次要滤波以满足特定的电网标准，但这可以例如通过小电网侧电感器容易地完成。图6a示出了单向18脉冲LIT整流器的数值电路模拟。模拟与满足电网标准IEEE 519的2MW充电站的10kV(rms，线对线)MV电网相关。图6b中示出了也可以在逆变器模式下运行(即将电力从DC输送到AC)的本文所提出拓扑的相关模拟电流波形。双向低频转换器的有源开关(见图3)以50Hz的频率以极低的损耗切换。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中叙述的若干项或步骤的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种双向中压转换器拓扑(100)，包括
n脉冲线路相间变压器LIT(102)；
多个双向中压MV转换器(104，105，106)，在AC侧被连接到所述LIT且在DC侧并联连接；
双向多级DC/DC转换器(108)，被连接到所述多个双向MV转换器(104，105，106)；以及
双向低压LV DC/DC转换器(112)；其中所述多级DC/DC转换器(108)和所述LV DC/DC转换器(112)彼此电绝缘连接。
2.根据权利要求1所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中所述双向中压转换器拓扑(100)还包括m级中频变压器MFT(110，111)，所述m级中频变压器MFT被配置为以电绝缘方式连接所述多电平DC/DC转换器(108)和所述低压DC/DC转换器(112)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中所述多个双向MV转换器(104，105，106)中的每个转换器包括有源开关，其中所述有源开关为以下各项的组合：
IGBT(212)和二极管(214)；
IGBT(212)和晶闸管(216)；
IGBT(212)和反并联晶体管(218)。
4.根据权利要求1或2所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中所述多个双向MV转换器(104，105，106)中的每个转换器包括有源开关，其中所述有源开关包括MOSFET。
5.根据前述权利要求中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中所述多个双向MV转换器(104，105，106)中的每个转换器在低频下操作。
6.根据前述权利要求中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中不同脉冲数目的所述n脉冲LIT的脉冲数目n为12、18、24、36或48。
7.根据前述权利要求中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中用于所述双向MV转换器(104，105，106)的拓扑为三电平中点钳位NPC拓扑。
8.根据前述权利要求中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中每个MV DC/DC转换器包括串联连接的开关单元(411，414)，其中每个开关单元(411，414)包括晶体管与反并联二极管、晶闸管或另一晶体管的组合；并且其中所述MV DC/DC转换器包括与一个或多个所述开关单元并联布置的电容器。
9.根据权利要求8所述的双向中压转换器拓扑(100)，还包括用于所述电绝缘的中频变压器MFT(110…115)；其中
每个开关单元(411，414)被连接到初级变压器线圈的第一端，并且所述初级变压器线圈的第二端被连接到所述开关单元(411，414)的下侧；并且其中
如果次级变压器线圈多于一个，则所述次级变压器线圈是并联连接的。
10.根据权利要求8所述的双向中压转换器拓扑(100)，还包括用于电绝缘的一个或多个变压器(110，111)；其中
上单元(411，413)被连接到初级变压器线圈的所述第一端，并且所述初级变压器线圈的所述第二端被连接到下单元(412，414)；并且其中
如果次级变压器线圈多于一个，则所述次级变压器线圈是并联连接的。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中所述上单元(411，413)经由电容器(402)或经由电感器被连接到初级变压器线圈的所述第一端。
12.根据前述权利要求中任一项所述的双向中压转换器拓扑(100)，其中所述双向中压转换器拓扑(100)还包括控制器，其中所述控制器被配置为模拟与所述LIT的操作在时间上并行的脉冲LIT，并且使用模拟的结果来生成用于所述多个双向MV转换器(104，105，106)的所述开关的控制信号。
13.一种多个双向MV转换器(104，105，106)和/或DC/DC转换器用于实现基于LIT的双向中压转换器拓扑(100)的用途，其中所述双向MV转换器(104，105，106)包括有源开关，所述DC/DC转换器采用用于电绝缘的MFT(110…115)。
CN202210966910.XA 2021-08-13 2022-08-11 双向中压转换器拓扑 Pending CN115706539A (zh)

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