專利名稱：超導儲能用雙向多電平軟開關dc/dc及其電壓側(cè)移相控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超導儲能用的直流變換器及其控制方法，特別涉及一種超導儲能技術雙向多電平軟開關DC/DC及其電壓側(cè)移相控制方法。
背景技術：
近年來，隨著超導材料技術的發(fā)展，超導材料在電力領域的運用越來越得到人們的關注與重視，世界各國紛紛開展超導電力技術的研究。其中超導儲能技術由于能實現(xiàn)脈沖能量調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制等多方面的功能而倍受人們的關注，成為目前唯一商業(yè)化的超導電力技術。超導儲能技術一般分為電壓源型和電流源型兩種類型，其中電壓源型和電流源型相比，技術更為成熟，從而成為超導儲能系統(tǒng)的主流選擇。在電壓源型超導儲能裝置中，需要用DC/DC對超導磁體進行充放電。目前常用的DC/DC技術要么是需要充放電設備各一套，如美國專利US005159261“采用充電和放電DC/DC的超導儲能穩(wěn)定裝置”；要么采用一套裝置同時實現(xiàn)充放電的功能，如美國專利US005661646“采用不同相角的多重化DC/DC斬波器”和美國專利US004695932“超導儲能電路”。這些專利雖然采用的拓撲結(jié)構(gòu)不一樣，但是都沒有解決兩個關鍵的問題1、開關管的軟開關問題。這些DC/DC都是通過硬開關來實現(xiàn)超導磁體的充放電，開關管開關應力大，損耗大，不僅大大縮短了開關管的壽命，而且降低了系統(tǒng)的工作效率。2、直流電壓端電壓低，且只有一個直流端電壓接口，無法與先進的多電平電壓源逆變器相連。

圖1為美國專利US004695932“超導儲能電路”的拓撲結(jié)構(gòu)圖，其中10為用于超導磁體充放電的DC/DC斬波器。它通過開關管17a和17b的硬開關來實現(xiàn)對超導磁體的充放電，開關管的應力大，損耗也大；同時，它只有一個直流端電壓接口，如圖1所示的電容9兩端所提供的直流電壓接口，為了減小諧波，它只能通過采用多重化的形式的電壓源換流器與高壓電力系統(tǒng)相連。而多重化的電壓源換流器需要使用多個體積龐大，價格昂貴的工頻變壓器。不僅大大增大了系統(tǒng)的體積，還大大增加了系統(tǒng)的成本。工頻變壓器的體積和成本都占到整個系統(tǒng)的40％以上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術的不足，本發(fā)明提供了一種可以實現(xiàn)能量雙向流動的多電平DC/DC，它的電壓單元可以根據(jù)需要，通過增加變壓器原邊的繞組和H橋逆變器的數(shù)量，提高電壓等級，而它的電流單元可通過并聯(lián)的形式提高電流等級，同時電壓單元的電流等級也可以通過H橋逆變器直流輸出端并聯(lián)的形式來獲取，電流單元的電壓等級也可以通過其直流輸出端的串聯(lián)來獲取。由于可以通過變壓器降低電流單元的電壓，加在超導磁體上的電壓相對較低，從而減少了電流側(cè)的紋波，減輕了對濾波電路的要求和超導磁體的交流損耗。同時，它還能實現(xiàn)電流單元全部開關管的零電流開關，電壓單元全部開關管的零電壓開關，提高了工作效率。并且，通過采用變壓器降壓，使電流單元可以采用電壓容量低而電流容量大的開關器件，而電流側(cè)電流源換流器單元模塊的并聯(lián)，則進一步提高了電流側(cè)的通流能力，從而有效地提高了超導磁體的儲能量。本發(fā)明還能通過變壓器鉗位，在外部輸入電流一致并且變壓器原邊等效串聯(lián)電阻一致的情況下，使得每個H橋逆變器直流端電容器上的電壓能自動保持一致，在外部輸入電流不同并且變壓器原邊等效串聯(lián)電阻存在一定誤差的情況下，其直流端電壓僅有微小的穩(wěn)態(tài)誤差，完全符合工程應用的要求，解決了多電平DC/DC直流端電壓難以平衡的難題，并使得與之相連的多電平逆變器的直流端電壓也得到了平衡控制，使得超過五電平的多電平逆變器運用于高壓系統(tǒng)成為可能，從而避免了采用多重化的電壓源逆變器與高壓系統(tǒng)相連，降低了系統(tǒng)的體積和成本。本發(fā)明不僅能運用于超導儲能系統(tǒng)，而且還能作為多電平逆變器的輔助電壓平衡裝置，用以解決多電平逆變器直流端電壓不平衡的問題。
本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。其中直流電壓端分離形式的拓撲結(jié)構(gòu)可用于連接級聯(lián)逆變器，而直流電壓端連接形式的拓撲結(jié)構(gòu)可用于連接二極管鉗位、電容器鉗位等形式的多電平逆變器。其中電壓單元為多個開關管并聯(lián)電容的H橋逆變器，H橋逆變器的每個開關管都并聯(lián)電容器。H橋逆變器的交流端接變壓器原邊繞組，H橋逆變器的直流端與電容器并聯(lián)。變壓器單元為一個在原邊和副邊都有多個繞組的變壓器，變壓器原副邊的繞組都在同一個磁芯上，原邊繞組的匝數(shù)相等，副邊繞組的匝數(shù)也相等；可以為普通變壓器或副邊帶中間抽頭的變壓器。電流單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)變壓器單元而定。若為普通變壓器，副邊為全橋形式的電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為全波形式的電流源逆變器。電流源逆變器的直流端可根據(jù)需要進行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)。為了提高功率密度，變壓器可用高頻變壓器。直流端分離形式的拓撲結(jié)構(gòu)中，H橋逆變器直流端相互獨立，彼此沒有連接，而直流端連接形式的拓撲結(jié)構(gòu)中H橋逆變器直流端上下相互連接。
本發(fā)明的控制方法采用電流單元的觸發(fā)脈沖不變，而在電壓單元進行移相控制的方法。根據(jù)電壓單元的移相角，可以使變換器工作在充電和放電的狀態(tài)。調(diào)整電壓單元的移相角，若使得電流單元直流端輸出電壓的平均值大于零，則處于充電狀態(tài)；小于零，則處于放電狀態(tài)。這種控制方法簡單易行，而且充放電轉(zhuǎn)換的速度快。同時這種方法在充放電的過程中，電流單元直流端輸出電壓，基本上是一種單極性的電壓，電流的紋波相對較小，超導磁體的交流損耗較小，而且對電流側(cè)濾波電路的要求也比較低。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1為現(xiàn)有技術美國專利US004695932的原理圖。
圖2為本發(fā)明的三電平直流電壓端分離形式的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為開關管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為電流只能單相流動的開關或者是雙向流動的開關與二極管相串聯(lián)的組合，L為超導磁體。
圖3為本發(fā)明的三電平直流電壓端連接形式的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為開關管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8為二極管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為電流只能單相流動的開關或者是雙向流動的開關與二極管相串聯(lián)的組合，L為超導磁體。
圖4為本發(fā)明多電平直流電壓端分離形式的一個拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。其中C1-Cn為電容器，F(xiàn)B-1……FB-n為開關管并聯(lián)電容器的H橋逆變器，REC-1……REC-n為電流源逆變器。L1……Ln為均流電感，L為超導磁體。其中電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)。
圖5為本發(fā)明多電平直流電壓端連接形式的一個拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。其中C1-Cn為電容器，F(xiàn)B-1……FB-n為開關管并聯(lián)電容器的H橋逆變器，REC-1……REC-n為電流源逆變器。L1……Ln為均流電感，L為超導磁體。其中電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)。
圖6為本發(fā)明的實施例1。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。
圖7為本發(fā)明的實施例2。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。
圖8為本發(fā)明的實施例3。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導磁體。
圖9為本發(fā)明的實施例4。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導磁體。
圖10為本發(fā)明的實施例5。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。
圖11為本發(fā)明的實施例6。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。
圖12為本發(fā)明的實施例7。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導磁體。
圖13為本發(fā)明的實施例8。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導磁體。
圖14為一個充電周期內(nèi)的開關時序圖。
圖15為一個放電周期內(nèi)的開關時序圖。
圖16為電流單元半控型開關與全控型開關觸發(fā)脈沖對比圖。
圖17為在充電開關時序圖中，[t3，t4]內(nèi)變壓器原邊的等效電路圖。
圖18為在放電開關時序圖中，[t2，t4]內(nèi)變壓器原邊的等效電路圖。
具體實施例方式
圖2為本發(fā)明的三電平直流電壓端分離形式的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。如圖2所示，本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成，其電壓單元由兩個H橋逆變器組成。其中每個開關都有相應的反并聯(lián)二極管，并與相應的電容器并聯(lián)。在第一個H橋逆變器中，開關Q1、Q3組成一個橋臂，開關Q2、Q4組成另一個橋臂，兩個橋臂的兩端相互連接并與電容器Cd1并聯(lián)。橋臂的兩個中點A1、B1與變壓器原邊的一個繞組相連，變壓器原邊兩個繞組的匝數(shù)相等。第二個H橋逆變器的組成方式與第一個完全相同，開關Q5、Q7組成一個橋臂，開關Q6、Q8組成另一個橋臂，兩個橋臂的兩端相互連接并與電容器Cd2并聯(lián)，其橋臂的兩個中點A2、B2與變壓器原邊的另一個繞組相連。變壓器為副邊帶中間抽頭的變壓器。其電流單元為開關管T1、T2組成的電流源逆變器。T1、T2的一端與變壓器的兩端相連，另一端相互連接，并與超導磁體的一端相連。超導磁體L的另一端與變壓器的中間抽頭相連。
圖3為本發(fā)明的三電平直流電壓端連接形式的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。其拓撲結(jié)構(gòu)與圖1幾乎完全相同，唯一不同之處在于其第一個H橋逆變器直流端電容Cd1的下端與第二個H橋逆變器直流端電容Cd2的上端相連。其它連接方式由于與圖1完全相同，所以這里不再贅述。
圖4為本發(fā)明多電平直流電壓端分離形式的一個拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。電壓單元由多個H橋逆變器組成；變壓器單元為一個在原邊和副邊都有多個繞組的變壓器，變壓器原副邊的繞組都在同一個磁芯上，原邊繞組的匝數(shù)相等，副邊繞組的匝數(shù)也相等；電流單元由多個電流源逆變器組成。其中C……Cn為電容器，F(xiàn)B-1……FB-n為開關管并聯(lián)電容器的H橋逆變器，每個H橋逆變器的交流輸出端都與與變壓器原邊的一個繞組相連；REC-1……REC-n為電流源逆變器，其交流電流端與變壓器副邊的繞組相連；L1……Ln為均流電感，它們的一端與電流源逆變器REC-1……REC-n的直流輸出端的一端相連，另一端與超導磁體L的一端相連。超導磁體L的另一端與電流源逆變器REC-1……REC-n直流輸出端的另一端相連。電流源逆變器REC-1……REC-n直流輸出端的另一端相互連接。在這個拓撲結(jié)構(gòu)中，電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)。
圖5為本發(fā)明多電平直流電壓端連接形式的一個拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。其拓撲結(jié)構(gòu)與圖4幾乎完全相同，所不同的是，開關管并聯(lián)電容器的H橋逆變器FB-1……FB-n中，每個H橋逆變器直流端電容C1-Cn的上端與上一個H橋逆變器直流端電容下端相連，每個H橋逆變器直流端電容C1-Cn的下端與下一個H橋逆變器直流端電容的上端相連。頭尾兩個H橋逆變器直流端電容C1的上端和Cn的下端不連接。在這個拓撲結(jié)構(gòu)中，電流單元采用并聯(lián)的形式，根據(jù)需要，也可以采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式。電壓單元根據(jù)需要，也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)。
圖6為本發(fā)明的實施例1。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導磁體。其連接方式與圖2完全相同，所不同的是它用實際開關代替理想開關。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖7為本發(fā)明的實施例2。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導磁體。它的電壓單元連接方式與圖6完全相同，這里不再贅述。它的變壓器副邊不帶中間抽頭。電流單元為T1-T4組成的電流源逆變器，T1和T3構(gòu)成其中一個橋臂，T2和T4構(gòu)成其中另一個橋臂。兩個橋臂的兩端相互連接并與超導磁體兩端并聯(lián)，兩個橋臂的中點與變壓器副邊的兩端相連。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖8為本發(fā)明的實施例3。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導磁體。其連接方式與附圖6幾乎完全相同，唯一不同之處在于，它用IGBT與二極管相互連接作為一個整體，來代替附圖6中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
圖9為本發(fā)明的實施例4。圖中Q1-Q8為IGBT，C1-C8為相應開關管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為H橋逆變器直流端電容器，Tr為變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導磁體。其連接方式與圖7幾乎完全相同，唯一不同之處在于，它用IGBT與二極管相互連接作為一個整體，來代替附圖7中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
圖10、11、12、13分別與圖6、7、8、9的連接方式幾乎完全相同。唯一不同之處在于它們的第一個H橋逆變器直流端電容的下端與第二個H橋逆變器直流端電容的上端相連。
本發(fā)明的具體工作原理和過程如下本發(fā)明可工作在充電和放電兩種狀態(tài)。
在充電狀態(tài)，本發(fā)明變換器在一個開關周期共有8種開關模態(tài)，分別對應于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]，其三電平形式的開關時序圖如圖14所示。其中[t0，t4]為前半周期，[t4，t8]為后半周期。下面結(jié)合附圖2(設其中電流單元的開關器件為晶閘管等半控型開關)，詳細描述其工作過程，其中UA1B1為第一個H橋逆變器交流端輸出電壓，UA2B2為第二H橋逆變器交流端輸出電壓。Us為變壓器副邊輸出電壓。IP1為第一個H橋逆變器交流端輸出電流，IP2為第二個H橋逆變器交流端輸出電流。Uo為電流源逆變器直流端輸出電壓。變壓器的變比為K。Itr1為流過第一個晶閘管的電流，Itr2為流過第二個晶閘管的電流。
開關模態(tài)1(對應于[t0，t1])。t0時刻之前，UAB1、UAB2為負，IP1、IP2為負，T2導通，T1關斷，加載超導磁體兩端的電壓與電流的方向相同，超導磁體上的電流增加。原邊電流IP1的流向為Q2-B1-A1-Q3，原邊電流IP2的流向為Q6-B2-A2-Q7。t0時刻，Q3、Q7關斷，由于有C3、C7所以是零電壓關斷。原邊電流IP1給C3充電，C1放電；原邊電流IP2給C7充電，C5放電。充放電過程結(jié)束后，C1，C5上的電壓為零，C3、C7上的電壓為電容器Cd1、Cd2上的電壓。原邊電流IP1的流向為Q2-B1-A1-D1，原邊電流IP2的流向為Q6-B2-A2-D5。UA1B1、UA2B2為零，變換器既不充電也不放電。
開關模態(tài)2(對應于[t1，t2])。t1時刻，Q1、Q5開通，由于C1、C5上的電壓為零，所以為零電壓開通。原邊電流的流向不變，UA1B1、UA2B2仍然為零，變換器既不充電也不放電。
開關模態(tài)3(對應于[t2，t3])。t2時刻，Q2、Q6關斷，由于有C2、C6所以是零電壓關斷。原邊電流IP1給C2充電，C4放電；原邊電流IP2給C6充電，C8放電。充放電過程結(jié)束后，C4，C8上的電壓為零，C2、C6上的電壓為電容器Cd1、Cd2上的電壓。原邊電流IP1的流向為D4-B1-A1-D1，原邊電流IP2的流向為D8-B2-A2-D5。UA1B1、UA2B2為正，與原邊電流的方向相反，超導磁體上的電流減少。
開關模態(tài)4(對應于[t3，t4)。t3時刻，給T1施加觸發(fā)脈沖，由于T1兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T1開通，由于變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關斷，從而實現(xiàn)了零電流關斷。T2關斷后，可控整流電路的輸出電壓Uo正向超導磁體上，超導磁體上的電流增加。
以上為充電狀態(tài)上半周期的開關過程，由于下半周期的工作原理與上半周期完全相同，這里不在贅述。
在放電狀態(tài)，本發(fā)明變換器在一個開關周期共有10種開關模態(tài)，分別對應于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10](見附圖15)。其中[t0，t5]為前半周期，[t5，t10]為后半周期。
開關模態(tài)1(對應于[t0，t1])。t0時刻之前，UAB1、UAB2為正，IP1、IP2為正，T1導通，T2關斷，加載超導磁體兩端的電壓與電流的方向相同，超導磁體上的電流增加。原邊電流IP1的流向為Q1-A1-B1-Q4，原邊電流IP2的流向為Q5-A2-B2-Q8。t0時刻，Q1、Q5關斷，由于Q1、Q5上有并聯(lián)電容器C1、C5，所以是零電壓關斷。原邊電流IP1給C1充電，C3放電；原邊電流IP2給C5充電，C7放電。充放電過程結(jié)束后，C3，C7上的電壓為零，C1、C5上的電壓為電容器Cd1、Cd2上的電壓。原邊電流IP1的流向為D3-A1-B1-Q4，原邊電流IP2的流向為D7-A2-B2-Q8。UA1B1、UA2B2為零，變換器既不充電也不放電。
開關模態(tài)2(對應于[t1，t2])。t1時刻，Q3、Q7開通，由于C3、C7上的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流的流向不變，UA1B1、UA2B2仍然為零，變換器既不充電也不放電。
開關模態(tài)3(對應于[t2，t3])。t2時刻，Q4、Q8關斷，由于有C4、C8，所以是零電壓關斷。原邊電流IP1給C4充電，C2放電；原邊電流IP2給C8充電，C6放電。充放電過程結(jié)束后，C2，C6上的電壓為零，C4、C8上的電壓為電容器Cd1、Cd2上的電壓。原邊電流IP1的流向為D3-A1-B1-D2，原邊電流IP2的流向為D7-A2-B2-D6。UA1B1、UA2B2為負，與原邊電流的方向相反，超導磁體放電，電容器Cd1、Cd2充電。
開關模態(tài)4(對應于[t3，t4])。t3時刻，Q2、Q6開通，由于C2、C6上的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流流向不變，UA1B1、UA2B2為仍然負，工作狀態(tài)與開關模態(tài)4相同。
開關模態(tài)5(對應于[t4，t5])。T4時刻，給T2施加觸發(fā)脈沖，由于T2兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T2開通，由于變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關斷，從而實現(xiàn)了零電流關斷。T1關斷后，可控整流電路的輸出電壓Uo正向超導磁體上，超導磁體上的電流增加。換相完成后原邊電流IP1的流向為Q2-B1-A1-Q3，原邊電流IP2的流向為Q6-B2-A2-Q7。
以上為放電狀態(tài)上半周期的開關過程，由于下半周期的工作原理與上半周期完全相同，這里不在贅述。
從上述充放電過程來看，這種變換器完全實現(xiàn)了電壓單元的零電壓開關和電流單元的零電流開關，具有很高的工作效率。
以上為電流單元采用半控型器件如晶閘管的工作原理。對于電流單元采用全控型開關與二極管串聯(lián)的形式，其控制方法幾乎完全相同，唯一不同的是電流單元的觸發(fā)脈沖，兩者脈沖對比如圖16所示。其中T1、T2為半控型開關的觸發(fā)脈沖，S1、S2為全控型開關的觸發(fā)脈沖。對于半控型開關，t0時刻，給T1觸發(fā)脈沖，此時加在T1上的電壓大于零，由于變壓器有漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1零電流開通，而加在T2上的電壓小于零，流過T2的電流逐漸減小，T2過零關斷，實現(xiàn)零電流關斷。對于全控型開關，t0時刻，給S1觸發(fā)脈沖，此時加在S1上的電壓大于零，由于變壓器有漏感，流過S1的電流逐漸增加，S1零電流開通，而加在S2上的電壓小于零，流過S2的電流逐漸減小到零，當S2減小到零后，t1時刻，關斷S2，從而實現(xiàn)零電流關斷。
下面對于三電平形式變換器(n＝2)的變壓器鉗位原理進行說明，擴展電路(n＞2)的工作原理于它基本相同。所謂變壓器鉗位，是變壓器原邊繞組NP1、NP2繞在同一磁芯上，如果NP1、NP2的匝數(shù)相同，那么繞組NP1、NP2的兩端電壓時刻保持相同。同理，如果副邊同樣有多個繞組，只要繞組數(shù)相同，其兩端的電壓也相同。
下面以充電過程為例進行說明。設半個開關周期為T。充電過程可分為三個階段，一是變壓器原邊向副邊傳遞能量；二是變壓器原副邊電壓為零(變換器處于零狀態(tài))；三是原副邊開關管的開關和換相過程。其中第三個階段時間很短，可以忽略。第二個階段原邊電流在H橋逆變器內(nèi)部流動，H橋逆變器直流端電容不參與整個過程。所以H橋直流端電壓能否平衡取決于第一個階段。第一個階段對應的時間為T1，對應附圖14中的[t3，t4]，即T1＝t4-t3，其等效電路圖如圖17所示，其中r1為第一個H橋開關管、導線、變壓器原邊繞組NP1的總電阻，其中r2為第二個H橋開關管、導線、變壓器原邊繞組NP2的總電阻，Ep11，Ep12為變壓器原邊的端電壓，ip11、ip12為變壓器原邊的電流，i1為外部電路注入第一個H橋逆變器直流端的電流，i2為外部電路注入第二個H橋逆變器直流端的電流，變壓器的漏感很小，可以忽略。另設此階段變壓器副邊的端電壓為Es11，Es12，變壓器副邊的電流為is11，is12，令d=T1T.]]>兩個直流端電壓之和為2U，設在外部擾動下，第一個直流端輸出電壓為U+ΔU，第二個直流端輸出電壓為U-ΔU，變壓器副邊的匝數(shù)為Ns1、Ns2，原副邊匝比為K。
根據(jù)磁鏈守恒定律有Ep11=Np1dΦ1dt,Ep12=Np2dΦ1dt]]>Es11=Ns1dΦ1dt,Es12=Ns2dΦ1dt]]>令Np1＝Np2＝Np，Ns1＝Ns2＝Ns(1)有Ep1＝Ep11＝Ep12＝KEs11＝KEs12＝KEs1由能量守恒定理可知Np1dΦ1dt*ip11+Np2dΦ1dt*ip12=Ns1dΦ1dt*is11+Ns2dΦ1dt*is12]]>代入(1)得Np*(ip11+ip12)＝Ns*(is11+is12)＝Ns*I0(其中I0為超導磁體中的電流)從而有ip11+ip12=I0K...(2)]]>(以圖17中所示的流向為參考方向)由圖17可知ip11=(U+ΔU)-Ep1r1,...(3)]]>ip12=(U-ΔU)-Ep1r2...(4)]]>由(2)、(3)、(4)得(U+ΔU)-Ep1r1+(U-ΔU)-Ep1r2=I0K]]>[(U+ΔU)-Ep1]r2+[(U-ΔU)-Ep1]r1r1r2=I0K]]>令r1＝R，r2＝R+ΔR(5)
得[(U+ΔU)-Ep1](R+ΔR)+[(U-ΔU)-Ep1]RR(R+ΔR)=I0K]]>(U-Ep1)(2R+ΔR)+ΔUΔRR(R+ΔR)=I0K]]>忽略高階小項ΔUΔR，得(U-Ep1)(2R+ΔR)R(R+ΔR)=I0K]]>U-Ep1=I0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)...(6)]]>設ip1、ip2為上下兩個變壓器輸出端的平均電流，則ip1=(U+ΔU)-Ep1r1T1T]]>=(U+ΔU)-Ep1r1d...(7)]]>同理可得ip2=(U-ΔU)-Ep1r2d...(8)]]>Δip=ip1-ip2]]>=[(U+ΔU)-Ep1]r2-[(U-ΔU)-Ep1]r1r1r2d]]>代(5)Δip=[(U+ΔU)-Ep1](R+ΔR)-[(U-ΔU)-Ep1]RR(R+ΔR)d]]>Δip=2ΔUR+(U+ΔU-Ep1)ΔRR(R+ΔR)d]]>=2ΔUR+ΔR(U-Ep1)+ΔRΔUR(R+ΔR)d]]>忽略高階小項ΔRΔU，則上式可簡化為Δip=2ΔUR+ΔR(U-Ep1)R(R+ΔR)d...(9)]]>代入(6)可得
Δip=2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d]]>設流入Cd1、Cd2的電流為iCd1、iCd2，則iCd1＝i1-ip1，iCd2＝i2-ip2，兩者之間的差值為ΔiCd＝i1-ip1-(i2-ip2)＝Δi-ΔipΔiCd=i1-i2-2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d...(10)]]>若ΔiCd＞0則代表流入Cd1的電流大于流入Cd2的電流，Cd1上的電壓相對于Cd2增加；若ΔiCd＜0則代表流入Cd1的電流小于流入Cd2的電流，Cd1上的電壓相對于Cd2減小。
若i1＝i2，即外部電路流入電壓單元兩個直流端的電壓相等，這種情況見于采用級聯(lián)逆變器或者采用其他形式的多電平逆變器且其零序分量等于零的情況；且ΔR＝0，即每個H橋開關管、導線、變壓器原邊繞組的總電阻完全相等，則ΔiCd=-2ΔURd.]]>若ΔU＞0，即上側(cè)直流端的電壓大于下側(cè)，則ΔiCd＜0，由于R很小，上側(cè)直流端的電壓相對于下側(cè)迅速減少直至ΔU＝0。設ΔU＝1V，R＝0.01Ω，d=12,]]>則ΔiCd＝-100A，可見，一個微小的電壓變化都能引起流入電容電流差值的巨大變化，使得直流端電壓迅速恢復平衡。同理，若ΔU＜0，即上側(cè)直流端的電壓小于下側(cè)，則ΔiCd＞0，上側(cè)直流端的電壓相對于下側(cè)迅速增加直至ΔU＝0。
若ΔR≠0，即H橋開關管、導線、變壓器原邊繞組的總電阻存在一定的差異，而i1＝i2仍成立，則ΔiCd=2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d.]]>假設直流端出現(xiàn)擾動，使得ΔiCd≠0，系統(tǒng)經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)后ΔiCd＝0，即-2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d=0]]>ΔU=-ΔRI0(R+ΔR)2K(2R+ΔR)]]>
ΔU=-ΔRI0(1+ΔRR)2K(2+ΔRR)]]>設R＝0.01Ω，ΔRR=10%,]]>K＝2，I0＝1000AΔU＝-0.131V可見，雖然ΔR≠0時存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，但是，由于R很小，穩(wěn)態(tài)誤差的絕對值也很小，可以控制在可接受的范圍內(nèi)。
若i1≠i2，即Δi≠0，而ΔR＝0，則ΔiCd=i1-i2+-2ΔURd,]]>系統(tǒng)仍然能對直流端電壓的擾動作動態(tài)的反應，假設直流端出現(xiàn)擾動，使得ΔiCd≠0，系統(tǒng)經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)后ΔiCd＝0，即i1-i2+-2ΔURd=0]]>Δi+-2ΔURd=0]]>ΔU=RΔi2d...(15)]]>設R＝0.01Ω，Δi＝100A，d=12]]>則ΔU＝1V可見，即使輸入電流的差距很大，直流端穩(wěn)態(tài)電壓依然很小。
若Δi≠0，且ΔR≠0，則ΔiCd=Δi-2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d]]>，系統(tǒng)仍然能對直流端電壓的擾動作動態(tài)的反應，假設直流端出現(xiàn)擾動，使得ΔiCd≠0，系統(tǒng)經(jīng)過動態(tài)調(diào)節(jié)后ΔiCd＝0，即Δi-2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d=0]]>ΔU=(R+ΔR)Δi2d-ΔRI0(1+ΔRR)2K(2+ΔRR)]]>設R＝0.01Ω，ΔRR=10%,]]>K＝2，I0＝1000A，d=12,]]>Δi＝100AΔU＝-0.131+1.1＝0.969V
可見，即使ΔR≠0，并且輸入電流存在較大的差距，其穩(wěn)態(tài)誤差仍然很小。
放電狀態(tài)同樣可分為三個階段，一是變壓器副邊向原邊傳遞能量；二是變壓器原副邊電壓為零(變換器處于零狀態(tài))；三是原副邊開關管的開關和換相過程。起作用的仍然是第一個階段，第一個階段對應的時間為T1，對應圖15中的[t2，t4]，即T1＝t4-t2，其等效電路圖如圖18所示，其中r1為第一個H橋開關管、導線、變壓器原邊繞組NP1的總電阻，其中r2為第二個H橋開關管、導線、變壓器原邊繞組NP2的總電阻，Ep21，Ep22為變壓器原邊的端電壓，ip21、ip22為變壓器原邊的電流，i1為外部電路注入第一個H橋逆變器直流端的電流，i2為外部電路注入第二個H橋逆變器直流端的電流，變壓器的漏感很小，可以忽略。另設此階段變壓器副邊的端電壓為Es21，Es22，變壓器副邊的電流為is21，is22，令d=T1T.]]>兩個直流端電壓之和為2U，設在外部擾動下，第一個直流端輸出電壓為U+ΔU，第二個直流端輸出電壓為U-ΔU，變壓器副邊的匝數(shù)為Ns1、Ns2，原副邊匝比為K。
根據(jù)磁鏈守恒定律有Ep21=Np1dΦ2dt,Ep22=Np2dΦ2dt]]>Es21=Ns1dΦ2dt,Es22=Ns2dΦ2dt]]>令Np1＝Np2＝Np，Ns1＝NS2＝Ns有Ep2＝Ep21＝Ep22＝KEs21＝KEs22＝KEs2由能量守恒定理可知Np1dΦ2dt*ip21+Np2dΦ2dt*ip22=Ns1dΦ2dt*is21+Ns2dΦ2dt*is22]]>代入(1)得Np*(ip21+ip22)＝Ns*(is21+is22)＝Ns*I0(其中I0為超導磁體中的電流)從而有ip21+ip22=I0K...(16)]]>(以附圖18中所示的流向為參考方向)由圖11、12可知ip21=Ep2-(U+ΔU)r1,...(17)]]>
ip22=Ep2-(U-ΔU)r2...(18)]]>由(16)、(17)、(18)得Ep2-(U+ΔU)r1+Ep2-(U-ΔU)r2=I0K]]>[Ep2-(U+ΔU)]r2+[Ep2-(U-ΔU)]r1r1r2=I0K]]>令r1＝R，r2＝R+ΔR (19)得[EP2-(U+ΔU)](R+ΔR)+[EP2-(U-ΔU)]RR(R+ΔR)=I0K]]>(EP2-U)(2R+ΔR)-ΔUΔRR(R+ΔR)=I0K]]>忽略高階小項ΔUΔR，得(Ep2-U)(2R+ΔR)R(R+ΔR)=I0K]]>Ep2-U=I0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)...(20)]]>設ip1、ip2為上下兩個變壓器輸出端的平均電流，則ip1=Ep2-(U+ΔU)r1T1T]]>=Ep2-(U+ΔU)r1d...(21)]]>同理可得ip2=Ep2-(U-ΔU)r2d...(22)]]>Δip=ip1-ip2]]>=[Ep2-(U+ΔU)]r2-[Ep2-(U-ΔU)]r1r1r2d]]>代(5)Δip=[Ep2-(U+ΔU)](R+ΔR)-[Ep2-(U-ΔU)]RR(R+ΔR)d]]>
Δip=-2ΔUR+[Ep2-(U+ΔU)]ΔRR(R+ΔR)d]]>=-2ΔURd+ΔR(Ep2-U)d-ΔRΔUR(R+ΔR)]]>忽略高階小項ΔRΔU，則上式可簡化為Δip=-2ΔUR+ΔR(Ep2-U)R(R+ΔR)d...(23)]]>代入(6)可得Δip=-2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d]]>設流入Cd1、Cd2的電流為iCd1、iCd2，則iCd1＝i1+ip1，iCd2＝i2+ip2，兩者之間的差值為ΔiCd＝i1+ip1-(i2+ip2)＝Δi+ΔipΔiCd=i1-i2+-2ΔUR+ΔRI0R(R+ΔR)K(2R+ΔR)R(R+ΔR)d]]>=Δi+-2ΔU+ΔRI0(1+ΔRR)K(2+ΔRR)(R+ΔR)d...(24)]]>同理根據(jù)上式可知，即使Δi≠0，且ΔR≠0，其穩(wěn)態(tài)誤差依然很小，可以滿足工程需求。綜合充電和放電的過程可知，這種變換器及其控制方法即使內(nèi)部參數(shù)ΔR≠0的情況下仍然能使直流端僅有微小的穩(wěn)態(tài)誤差，在Δi≠0的情況下，若d很小，會造成一定的誤差，所以，這種變換器及控制方法比較適合采用直流端分離的形式并與級聯(lián)逆變器相連，此時Δi＝0，從而可以使穩(wěn)態(tài)誤差在任何情況都能控制在極小的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超導儲能用雙向多電平軟開關DC/DC，其特征在于它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成；其中電壓單元由多個H橋逆變器組成，H橋逆變器的每個開關管都并聯(lián)電容器，H橋逆變器的直流端并接電容器，電容器的兩端提供與外部電路的接口；H橋逆變器的交流端接在變壓器原邊的一個繞組上；變壓器單元為一個在原邊和副邊都有多個繞組的變壓器，變壓器原副邊的繞組都在同一個磁芯上，原邊繞組的匝數(shù)相等，副邊繞組的匝數(shù)也相等；電流單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)變壓器單元而定，若為普通變壓器，副邊為全橋形式的電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為全波形式的電流源逆變器；電流源逆變器的直流端可根據(jù)需要進行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)；電壓單元也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)。
2.按照權(quán)利要求1所述的超導儲能用雙向多電平軟開關DC/DC，其特征在于有直流電壓端分離和連接兩種拓撲結(jié)構(gòu)形式三電平直流電壓端分離的，其電壓單元由兩個H橋逆變器組成，其中每個開關都有相應的反并聯(lián)二極管，并與相應的電容器并聯(lián)；在第一個H橋逆變器中，開關[Q1]、[Q3]組成一個橋臂，開關[Q2]、[Q4]組成另一個橋臂，兩個橋臂的兩端相互連接并與電容器[Cd1]并聯(lián)；橋臂的兩個中點[A1]、[B1]與變壓器原邊的一個繞組相連；第二個H橋逆變器中開關[Q5]、[Q7]組成一個橋臂，開關[Q6]、[Q8]組成另一個橋臂，兩個橋臂的兩端相互連接并與電容器[Cd2]并聯(lián)，橋臂的兩個中點[A2]、[B2]與變壓器原邊的另一個繞組相連；變壓器為副邊帶中間抽頭的變壓器；電流單元為開關管[T1]、[T2]組成的電流源逆變器，開關管[T1]、[T2]的一端與變壓器的兩端相連，另一端相互連接，并與超導磁體的一端相連；超導磁體的另一端與變壓器的中間抽頭相連；三電平直流電壓端連接的，其第一個H橋逆變器直流端電容的下端與第二個H橋逆變器直流端電容的上端相連；多電平直流電壓端分離的，開關管并聯(lián)電容器的H橋逆變器[FB-1……FB-n]的每個H橋逆變器的中點都與與變壓器原邊的一個繞組相連；電流源逆變器[REC-1……REC-n]的交流電流端與變壓器副邊的繞組相連；均流電感[L1……Ln]的一端與電流源逆變器[REC-1……REC-n]的直流輸出端的一端相連，另一端與超導磁體的一端相連，超導磁體的另一端與電流源逆變器直流輸出端的另一端相連；電流源逆變器[REC-1……REC-n]直流輸出端的另一端相互連接；電流單元采用并聯(lián)的形式，也可采用串聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式，電壓單元也可采用幾個H橋逆變器為一組，在直流端進行并聯(lián)；多電平直流電壓端連接的拓撲結(jié)構(gòu)中，每個H橋逆變器直流端電容的上端與上一個H橋逆變器直流端電容下端相連，每個H橋逆變器直流端電容的下端與下一個H橋逆變器直流端電容的上端相連；頭尾兩個H橋逆變器直流端電容[C1]的上端與[Cn]的下端不連接。
3.應用于權(quán)利要求1所述的超導儲能用雙向多電平軟開關DC/DC電壓側(cè)移相控制方法，其特征在于采用電壓單元移相控制，調(diào)整電壓單元的移相角，使電流單元直流端輸出電壓的平均值大于零時，變換器工作在充電狀態(tài)，小于零時，變換器工作在放電狀態(tài)。
全文摘要
一種超導儲能用雙向多電平軟開關DC/DC，由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。電壓單元可通過增加變壓器原邊的繞組和H橋逆變器的數(shù)量，提高電壓等級，電流單元可通過并聯(lián)形式提高電流等級。電壓單元的電流等級也可通過H橋逆變器直流輸出端并聯(lián)的形式獲取，電流單元的電壓等級也可以通過其直流輸出端的串聯(lián)獲取。本發(fā)明通過變壓器進一步降低電流單元的電壓，加在超導磁體上的電壓相對較低，從而減少了電流側(cè)的紋波，減輕了對濾波電路的要求和超導磁體的交流損耗。同時，它還能實現(xiàn)電流單元全部開關管的零電流開關，電壓單元全部開關管的零電壓開關，本發(fā)明采用電壓單元移相控制的方式，使系統(tǒng)靈活工作在充放電狀態(tài)。
文檔編號H02M3/335GK1845435SQ200610011910
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者郭文勇, 趙彩宏, 歐陽羿, 辛理夫, 李學斌 申請人:中國科學院電工研究所