本发明涉及直流变压器领域，具体的是一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构及控制方法，拓扑结构由高压滤波电容CHV、高压滤波电感LHV、高压侧晶闸管、N个功率模块组、低压滤波电感LLV与低压滤波电容CLV组成。功率模块组均包含一个输入端口与一个输出端口，N个功率模块组输入串联后，连接高压侧晶闸管、高压滤波电感、高压滤波电容与低压滤波电容，构成高压直流端口；N个功率模块组输出并联后，连接低压滤波电感与低压滤波电容，构成低压直流端口。本发明相比于传统直流变压器，具有模块数少，成本低与体积小的优点，本发明中的直流变压器拓扑结构仅使用少量的半桥，可实现高传输比的直流电压变换，从而降低直流变压器成本，提升功率密度。
1.一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由高压滤波电容CHV、高压滤波电感LHV、高压侧晶闸管、N个功率模块组、低压滤波电感LLV与低压滤波电容CLV组成；
所述功率模块组均包含一个输入端口与一个输出端口，N个功率模块组输入端口串联，输出端口并联；第一功率模块组的正输入端口连接高压侧晶闸管，第N个功率模块组的负输入端口连接低压滤波电容，高压滤波电感、高压侧晶闸管、N个功率模块组输入端口、低压侧滤波电容串联连接后接入高压直流端口，高压滤波电容并联连接在高压直流端口两端；N个功率模块组的正输出端口连接低压滤波电感的一端，并联后的N个功率模块组的负输出端与低压滤波电感的另一端连接构成低压直流端口，低压滤波电容并联连接在低压直流端口两端；
所述高压侧晶闸管由两个晶闸管组成，第一晶闸管和第二晶闸管反向并联；所述功率模块组内部由半桥模块阀组与六个晶闸管组成，半桥模块阀组由n个半桥模块与一个阀组电感Lg串联构成，第三晶闸管与第六晶闸管、第四晶闸管与第七晶闸管、第五晶闸管与第八晶闸管反向并联，在功率模块组内，半桥模块阀组上端连接第三晶闸管阳极与第六晶闸管阴极，半桥模块阀组下端连接第四晶闸管阳极与第七晶闸管阴极，第五晶闸管阴极与第八晶闸管阳极；半桥模块阀组上端作为功率模块组正输入端口，第四晶闸管阴极、第七晶闸管阳极作为功率模块组负输入端口；第三晶闸管阴极、第六晶闸管阳极作为功率模块组正输出端口，第五晶闸管阳极、第八晶闸管阴极作为功率模块组负输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述晶闸管由多个低耐压的晶闸管串联组合形成，或者替换为串联高压IGCT阀。
3.根据权利要求2所述的一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述半桥模块均包括两个开关管串接组成的桥臂以及并联在桥臂两端的电容，桥臂上开关管与电容的连接点为半桥模块的正极，桥臂下开关管与电容的连接点为半桥模块的负极，半桥模块的桥臂中点为半桥模块的输入端，半桥模块的负极为半桥模块的输出端。
4.一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构的控制方法，包括如权利要求3所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述控制方法如下：在高压侧晶闸管中，开通第一晶闸管，关断第二晶闸管，在功率模块组中，开通第四晶闸管，关断第三晶闸管、第五晶闸管至第八晶闸管，半桥模块阀组连接至高压直流端口，功率由高压直流端口单向传输至半桥模块阀组；
在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管，开通第二晶闸管，在功率模块组中，开通第七晶闸管，关断第三晶闸管至六晶闸管、第八晶闸管，半桥模块阀组连接至高压直流端口，功率由半桥模块阀组单向传输至高压直流端口；
在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管、第二晶闸管，在功率模块组中，开通第三晶闸管、第五晶闸管，关断第四晶闸管、第六晶闸管至八晶闸管，半桥模块阀组连接至低压直流端口，功率由半桥模块阀组单向传输至低压直流端口；
在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管、第二晶闸管，在功率模块组中，开通第六晶闸管、第八晶闸管，关断第三晶闸管至五晶闸管、第七晶闸管，半桥模块阀组连接至低压直流端口，功率由低压直流端口单向传输至模块阀组。
一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及直流变压器领域，具体的是一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构及控制方法。
背景技术
[0002] 随着光伏、风能等可再生能源的普及以及直流输配电技术的迅速发展，不同电压等级、结构的直流输配电网之间互联成为一种发展趋势。直流变压器可以连接不同电压等
级的直流输电、配电网，提高直流输配电的灵活性与可靠性，其重要性日益凸显。MMC结构具
有模块化、故障处理能力良好等优点广泛运用于高压直流输电及电力电子变压器等场合。
当直流变压器连接高压与中压直流母线时，在实现双向功率传输的同时，还要满足高电压
转换比的需求。目前，基于MMC结构的直流变压器，阀组需要承受高压直流端口电压与低压
直流端口电流，需要子模块数量多，增加了直流变压器的成本和体积。
发明内容
[0003] 为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构及控制方法，解决了在中高压直流母线互联场合下，高电压传输
比直流变压器，模块数量多，成本高、体积大的问题。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0005] 一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构，所述拓扑结构由高压滤波电容CHV、高压滤波电感LHV、高压侧晶闸管、N个功率模块组、低压滤波电感LLV与低压滤波电容CLV
组成；
[0006] 所述功率模块组均包含一个输入端口与一个输出端口，N个功率模块组输入串联后，连接高压侧晶闸管、高压滤波电感、高压滤波电容与低压滤波电容，构成高压直流端口；
N个功率模块组输出并联后，连接低压滤波电感与低压滤波电容，构成低压直流端口。
[0007] 进一步地，所述高压侧晶闸管由两个晶闸管组成，第一晶闸管和第二晶闸管反向并联。
[0008] 进一步地，所述功率模块组内部由半桥模块阀组与六个晶闸管组成，半桥模块阀组包含n个半桥模块与一个阀组电感Lg，第三晶闸管与第六晶闸管、第四晶闸管与第七晶闸
管、第五晶闸管与第八晶闸管反向并联，在功率模块组内，半桥模块阀组正极连接第三晶闸
管阳极与第六晶闸管阴极，半桥模块阀组负极连接第四晶闸管阳极与第七晶闸管阴极，第
五晶闸管阴极与第八晶闸管阳极，半桥模块阀组正极与第四晶闸管阴极、第七晶闸管阳极
构成功率模块组输入端口；第三晶闸管阴极、第六晶闸管阳极与第五晶闸管阳极、第八晶闸
管阴极构成功率模块组输出端口。
[0009] 进一步地，所述晶闸管由多个低耐压的晶闸管串联组合形成，或者替换为串联高压IGCT阀或其他半导体双向开关。
[0010] 进一步地，所述半桥模块均包括两个开关管串接组成的桥臂以及并联在桥臂两端的电容，桥臂上开关管与电容的连接点为半桥单元的正极，桥臂下开关管与电容的连接点
为半桥单元的负极，半桥单元的桥臂中点为半桥模块的输入端，半桥单元的负极为半桥模
块的输出端，n个相同的半桥模块串联构成功率模块组的半桥模块阀组。
[0011] 一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构的控制方法，所述控制方法如下：
[0012] 在高压侧晶闸管中，开通第一晶闸管，关断第二晶闸管，在功率模块组中，开通第四晶闸管，关断第三晶闸管、第五晶闸管至第八晶闸管，半桥模块阀组连接至高压直流端
口，功率可由高压直流端口单向传输至模块阀组；
[0013] 在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管，开通第二晶闸管，在功率模块组中，开通第七晶闸管，关断第三晶闸管至六晶闸管、第八晶闸管，半桥模块阀组连接至高压直流端口，
功率可由半桥模块阀组单向传输至高压直流端口；
[0014] 在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管、第二晶闸管，在功率模块组中，开通第三晶闸管、第五晶闸管，关断第四晶闸管、第六晶闸管至八晶闸管，半桥模块阀组连接至低压直
流端口，功率可由半桥模块阀组单向传输至低压直流端口；
[0015] 在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管、第二晶闸管，在功率模块组中，开通第六晶闸管、第八晶闸管，关断第三晶闸管至五晶闸管、第七晶闸管，半桥模块阀组连接至低压直
流端口，功率可由低压直流端口单向传输至模块阀组。
[0016] 本发明的有益效果：
[0017] 本发明通过晶闸管与半桥模块阀组的控制与配合，使得N个功率模块组交替串联连接在高压直流端口，并联连接在低压直流端口，实现高压直流端口与低压直流端口处的
功率交换。
[0018] 本发明通过调节各功率模块组内半桥模块阀组输出电压大小，可以控制高压侧与低压侧直流母线电压。通过调节半桥子模块的投切顺序与投切时间长短，实现各功率模块
组内半桥模块阀组子模块电容电压均衡。
[0019] 本发明所提出一种适用于中高压直流电网互联、具有高电压传输比的直流变压器，相比于传统直流变压器，且具有模块数少，成本低与体积小的优点。本发明中的直流变
压器拓扑结构仅使用少量的半桥，可实现高传输比的直流电压变换，从而降低直流变压器
成本，提升功率密度。
附图说明
[0020] 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，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；
[0021] 图1是本发明直流变压器拓扑结构示意图；
[0022] 图2是本发明直流变压器中晶闸管及其替代方案的原理图示意图；
[0023] 图3是本发明直流变压器功率模块组半桥串联阀组内半桥子模块示意图；
[0024] 图4是本发明直流变压器基本工作波形示意图。
具体实施方式
[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 一种模块化高电压传输比直流变压器拓扑结构，如图1所示，拓扑结构由高压滤波电容CHV、高压滤波电感LHV、高压侧晶闸管、N个功率模块组、低压滤波电感LLV与低压滤波电
容CLV组成。
[0027] 功率模块组均包含一个输入端口与一个输出端口，N个功率模块组输入串联后，连接高压侧晶闸管、高压滤波电感、高压滤波电容与低压滤波电容，构成高压直流端口；N个功
率模块组输出并联后，连接低压滤波电感与低压滤波电容，构成低压直流端口。其中，高压
侧晶闸管由两个晶闸管组成，第一晶闸管和第二晶闸管反向并联。
[0028] 功率模块组内部由半桥模块阀组与六个晶闸管组成，半桥模块阀组包含n个半桥模块与一个阀组电感Lg。其中第三晶闸管与第六晶闸管、第四晶闸管与第七晶闸管、第五晶
闸管与第八晶闸管反向并联。在功率模块组内，半桥模块阀组正极连接第三晶闸管阳极与
第六晶闸管阴极，半桥模块阀组负极连接第四晶闸管阳极与第七晶闸管阴极，第五晶闸管
阴极与第八晶闸管阳极。半桥模块阀组正极与第四晶闸管阴极、第七晶闸管阳极构成功率
模块组输入端口；第三晶闸管阴极、第六晶闸管阳极与第五晶闸管阳极第八晶闸管阴极构
成功率模块组输出端口。
[0029] 如图2所示，晶闸管由多个耐压较低的晶闸管串联组合形成，也可以替换为串联高压IGCT阀或其他半导体双向开关。
[0030] 如图3所示，半桥模块均包括两个开关管串接组成的桥臂以及并联在桥臂两端的电容，桥臂上开关管与电容的连接点为半桥单元的正极，桥臂下开关管与电容的连接点为
半桥单元的负极。半桥单元的桥臂中点为半桥模块的输入端，半桥单元的负极为半桥模块
的输出端。n个相同的半桥模块串联构成功率模块组的半桥模块阀组。
[0031] 如图4所示，在此波形示意图中，功率由低压直流端口向高压直流端口传输，模块工作时序如下：
[0032] (1)在t0时刻之前，所有晶闸管关断，N个功率模组的半桥模块阀组两端电压0，阀组电感Lg电流为0。
[0033] (2)在t0时刻，功率模块组第六晶闸管与第八晶闸管导通，半桥模块阀组输出电压上升至设定值，阀组电感Lg电流开始上升，N个功率模块组并联至低压侧充电；
[0034] 在t1时刻，阀组电感Lg电流上升至设定值，半桥模块阀组输出电压上升至低压侧电压。
[0035] (3)在t2时刻，功率模块组内半桥模块阀组输出电压上升，阀组电感Lg电流开始下降；
[0036] 在t3时刻，阀组电感Lg电流下降至0，功率模块组第六与第八晶闸管承受反压关断；
[0037] 在t4时刻，功率模块组内半桥模块阀组输出电压下降至0。
[0038] (4)在t5时刻，高压侧晶闸管第二晶闸管导通，功率模块组第七晶闸管导通，半桥模块阀组上升至设定值，阀组电感Lg电流开始上升，N个功率模块组串联至高压侧放电；
[0039] 在t6时刻，阀组电感Lg上升至设定值，功率模块组内半桥模块阀组输出电压下降，匹配高压侧电压。
[0040] (5)在t7时刻，功率模块组内半桥模块阀组输出电压下降至0，阀组电感Lg电流开始下降；
[0041] 在t8时刻，阀组电感Lg电流下降至0，高压侧晶闸管第二晶闸管和功率模块组第七晶闸管承受反压关断。
[0042] 使用时，对本拓扑结构进行控制：
[0043] 在高压侧晶闸管中，开通第一晶闸管，关断第二晶闸管，在功率模块组中，开通第四晶闸管，关断第三晶闸管、第五晶闸管至第八晶闸管，半桥模块阀组连接至高压直流端
口，功率可由高压直流端口单向传输至模块阀组；
[0044] 在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管，开通第二晶闸管，在功率模块组中，开通第七晶闸管，关断第三晶闸管至六晶闸管、第八晶闸管，半桥模块阀组连接至高压直流端口，
功率可由半桥模块阀组单向传输至高压直流端口；
[0045] 在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管、第二晶闸管，在功率模块组中，开通第三晶闸管、第五晶闸管，关断第四晶闸管、第六晶闸管至八晶闸管，半桥模块阀组连接至低压直
流端口，功率可由半桥模块阀组单向传输至低压直流端口；
[0046] 在高压侧晶闸管中，关断第一晶闸管、第二晶闸管，在功率模块组中，开通第六晶闸管、第八晶闸管，关断第三晶闸管至五晶闸管、第七晶闸管，半桥模块阀组连接至低压直
流端口，功率可由低压直流端口单向传输至模块阀组。
[0047] 通过晶闸管与半桥模块阀组的控制与配合，使得N个功率模块组交替串联连接在高压直流端口，并联连接在低压直流端口，实现高压直流端口与低压直流端口处的功率交
换。
[0048] 通过调节各功率模块组内半桥模块阀组输出电压大小，可以控制高压侧与低压侧直流母线电压。通过调节半桥子模块的投切顺序与投切时间长短，实现各功率模块组内半
桥模块阀组子模块电容电压均衡。
[0049] 本发明所提出一种适用于中高压直流电网互联、具有高电压传输比的直流变压器，相比于传统直流变压器，且具有模块数少，成本低与体积小的优点。本发明中的直流变
压器拓扑结构仅使用少量的半桥，可实现高传输比的直流电压变换，从而降低直流变压器
成本，提升功率密度。
[0050] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
