本发明涉及一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，属于电力电子技术和直流输配电领域。
背景技术：
直流输配电技术由其无需无功补偿装置，便于负载以及新能源接入，高效节能等优势越来越受到学界与工业界的关注。其中，双极直流配电的方式由于其具有不同的直流电压等级便于不同电压等级负载的接入的特点备受瞩目。
目前关于单极直流输出固态变压器研究较多，例如中国专利cn106026665a、中国专利cn107546844a、中国专利cn107592017a等，为了满足直流双极输出的需要，通常在单极输出的固态变压器之后使用额外的开关器件构造电压平衡器以满足双极输出。近年来也已经有一些报导。例如中国专利cn206341142u、中国专利cn105226944a等。但在这些现有的双极直流输出方案中，不可避免的都需要使用额外的开关器件从已有的直流母线中构造双极直流输出，增加了系统的成本。因此有必要提出一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，直接实现双极输出，无需额外的开关器件。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，以解决现有的双极直流输出方案中，都需要使用额外的开关器件从已有的直流母线中构造双极直流输出，增加了系统的成本的问题。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，包括高压直流母线、高压侧直流母线电容器、高压侧电路、谐振腔、低压侧电路、低压侧分裂直流母线电容器、负载和低压直流母线，所述高压侧电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述低压侧电路包括第三桥臂、第四桥臂、平衡电感l1和平衡电感l2；
所述高压侧直流母线电容器、第一桥臂和第二桥臂均并联在所述高压直流母线的正极和负极之间，所述低压侧分裂直流母线电容器、负载、第三桥臂和第四桥臂均并联在所述低压直流母线的正极和负极之间；
所述高压侧电路上设有输出端a和输出端b，所述低压侧电路上设有输入端g和输入端h，所述谐振腔上分别设有高压侧c和高压侧d与低压侧e和低压侧f，所述输出端a和输出端b与高压侧d和高压侧c连接，所述输入端g和输入端h与所述低压侧e和低压侧f连接，所述平衡电感l1的一端与输入端g连接，所述平衡电感l2的一端与输入端f连接，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端连接，且同时与低压侧分裂直流母线电容器连接。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：本发明提出的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，该拓扑可连接不同等级的直流电网，在双极负载不均衡的情况下两极电压依旧可以实现自动平衡，其无需使用额外的开关器件构造电压平衡器以实现双极直流输出，大大节约成本。
附图说明
图1为本发明提出的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器的结构示意图；
图2为本发明提出的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器当r1>r2的低压侧电路工作等效电路图，其中，图2(a)为当开关管电源t1和开关管电源t4导通时低压侧电路工作等效电路图；图2(b)为当开关管电源t2和开关管电源t3导通时低压侧电路工作等效电路图；
图3为本发明提出的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器当r1>r2时电容电压与电感电流的仿真波形图；
图4为本发明提出的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器当r1>r2时高压侧电路输出电压、低压侧电路输入电压与高频变压器两端谐振电流的仿真波形图；
图5为两电感换成一个耦合电感的电路拓扑图；
图6实施例提及的电路结构a的电路原理图；
图7实施例提及的电路结构b的电路原理图；
图8实施例提及的电路结构c的电路原理图；
图9实施例提及的并联的多个电路结构c的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式披露了一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，包括高压直流母线、高压侧直流母线电容器、高压侧电路、谐振腔、低压侧电路、低压侧分裂直流母线电容器、负载和低压直流母线，所述高压侧电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述低压侧电路包括第三桥臂、第四桥臂、平衡电感l1和平衡电感l2；
所述高压侧直流母线电容器、第一桥臂和第二桥臂均并联在所述高压直流母线的正极和负极之间，所述低压侧分裂直流母线电容器、负载、第三桥臂和第四桥臂均并联在所述低压直流母线的正极和负极之间；
所述高压侧电路上设有输出端a和输出端b，所述低压侧电路上设有输入端g和输入端h，所述谐振腔上分别设有高压侧c和高压侧d与低压侧e和低压侧f，所述输出端a和输出端b与高压侧d和高压侧c连接，所述输入端g和输入端h与所述低压侧e和低压侧f连接，所述平衡电感l1的一端与输入端g连接，所述平衡电感l2的一端与输入端f连接，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端连接，且同时与低压侧分裂直流母线电容器连接。
具体的，本发明是为了解决现有实现低压双极直流输出的方案中需要使用额外的开关器件配置电压平衡器的缺点。本发明高压侧电路采用互补工作模式，半导体开关s1与半导体开关s4脉冲触发信号相同，占空比为0.5；低压侧电路采用同步整流的工作模式。当低压侧分裂直流母线电容电压出现不平衡时，电容电压较高的分裂直流母线电容在半个周期内给平衡电感l1与平衡电感l2充电，另半个周期内平衡电感l1与平衡电感l2给电容电压较低的分裂直流母线电容放电，实现能量从电容电压较高的分裂直流母线电容向电容电压较低的分裂直流母线电容的传递，最终自动平衡两分裂直流母线电容电压，实现双极输出电压自平衡。本发明解决了实现低压双极直流输出需要使用额外的开关器件配置电压平衡电路的问题，成本低；适用于直流微电网以及其他各类双极直流配电系统。
在本部分优选实施例中，所述高压侧直流母线电容器包括极性电容cin，所述极性电容cin的正极和负极分别与所述高压直流母线的正极和负极连接；所述低压侧分裂直流母线电容器包括极性电容co1和极性电容co2，所述极性电容co1和极性电容co2串联，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端均与所述极性电容co1和极性电容co2的公共端i连接。
在本部分优选实施例中，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端同时与所述极性电容co1和极性电容co2的公共端i连接。参照图5所示，形成双极性母线进行配电，实现双极直流输出。需要指出的是该两个平衡电感l1和平衡电感l2可用一个耦合电感来进行替代，参照图5所示。
在本部分优选实施例中，所述第一桥臂包括半导体开关s1和半导体开关s2，所述第二桥臂包括半导体开关s3和半导体开关s4，所述半导体开关s1和半导体开关s2串联，所述半导体开关s3和半导体开关s4串联，所述输出端a设置于所述半导体开关s1和半导体开关s2的公共端上，所述输出端b设置于所述所述半导体开关s3和半导体开关s4的公共端上。
在本部分优选实施例中，所述第三桥臂包括半导体开关t1和半导体开关t2，所述第四桥臂包括半导体开关t3和半导体开关t4，所述半导体开关t1和半导体开关t2串联，所述半导体开关t3和半导体开关t4串联，所述输入端g设置于所述半导体开关t1和半导体开关t2的公共端上，所述输入端h设置于所述半导体开关t3和半导体开关t4的公共端上。
在本部分优选实施例中，所述谐振腔包括无源器件x1、高频变压器hft和无源器件x2，所述无源器件x1的一端连接输出端b，另一端与所述高频变压器hft的高压侧绕组的一端连接，所述高频变压器hft高压侧绕组的另一端与输出端a连接，所述无源器件x2的一端连接输入端g，另一端与所述高频变压器hft的低压侧绕组的一端连接，所述高频变压器hft的低压侧绕组的另一端与低压侧电路输入端h连接。
具体的，参照图6-图9所示，无源器件x1可采用电路结构a、电路结构b、电路结构c或者并联的任意数量的电路结构c实现；无源器件x2也可采用电路结构a、电路结构b、电路结构c或者并联的任意数量的电路结构c实现；电路结构a为电感、电路结构，电路结构b为电容，电路结构，电路结构c为串联的电感与电容。
在本部分优选实施例中，所述负载包括负载r1和负载r2，所述负载r1和负载r2串联。
在本部分优选实施例中，本实施例中的低压侧电路采用同步整流运行模式，半导体开关t1、半导体开关t2、半导体开关t3和半导体开关t4的触发信号与半导体开关s1、半导体开关s2、半导体开关s3和半导体开关s4的触发信号完全相同，半导体开关s1与半导体开关s4的开关驱动信号相同，同一桥臂上的两开关管为互补动作，占空比为50％。
下面给出一个具体的应用方法：
以图2举例说明出现两极电压不平衡时低压侧电路与平衡电感l1与l2的工作过程。当r1>r2且低压侧电路中半导体开关t1与半导体开关t4导通时，第一分裂电容co1向平衡电感l1充电，平衡电感l2向第二分裂电容co2放电，如图2(a)所示；当低压侧电路中半导体开关t2与半导体开关t3导通时，第一分裂电容co1向平衡电感l2充电，平衡电感l2向第二分裂电容co2放电，如图2(b)所示。
以一台1kv/±375v的具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器为例进一步说明本发明的具体实施方式：高压侧直流输入电压为1kv，低压侧双极输出电压为±375v，双极额定输出为各75kw。作为优选，以负载r1开路，负载r2等于1.875欧的情况设计本案例，此时流过平衡电感l1与平衡电感l2的电感电流为100a。作为优选，取电感电流纹波为±20％，开关频率为10khz，设计所得到的平衡电感l1与平衡电感l2的值约为88.5μh。得到仿真波形如图3所示，电感上电流在80至120a之间变化，两分裂电容电压依旧保持平衡，此时高压侧电路输出电压、低压侧电路输入电压与高频变压器两端谐振电流的仿真波形如图4所示。r1<r2以及r1＝r2的情况与之相似，不再赘述。
图3中，uco1与uco2依次为低压分裂直流母线电容co1和co2上的电压，il1与il2分别是两个平衡电感l1与l2上的电流(co1，co2，l1以及l2，如图1中所示)。
图4中，uab与uhg分别为高压侧电路输出电压与低压侧电路输入电压，ir1与ir2分别是高压侧电路输出电流以及低压侧电路输入电流(如图1中所示)。
图5中的电感为耦合电感，自感分别为l1与l2，互感为m，带*的两端是同名端。
最后应当说明的是：以上具体实施方式和实施例子仅用于说明发明的技术方案并非对其进行限制，对于本发明所述技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明精神和构思的前提之下，对本发明的具体实施方式进行修改、简单推理或同等替换，均视为属于本发明的权利要求书保护范围之中。
1.一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，包括高压直流母线、高压侧直流母线电容器、高压侧电路、谐振腔、低压侧电路、低压侧分裂直流母线电容器、负载和低压直流母线，所述高压侧电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述低压侧电路包括第三桥臂、第四桥臂、平衡电感l1和平衡电感l2；
所述高压侧直流母线电容器、第一桥臂和第二桥臂均并联在所述高压直流母线的正极和负极之间，所述低压侧分裂直流母线电容器、负载、第三桥臂和第四桥臂均并联在所述低压直流母线的正极和负极之间；
所述高压侧电路上设有输出端a和输出端b，所述低压侧电路上设有输入端g和输入端h，所述谐振腔上分别设有高压侧c和高压侧d与低压侧e和低压侧f，所述输出端a和输出端b与高压侧d和高压侧c连接，所述输入端g和输入端h与所述低压侧e和低压侧f连接，所述平衡电感l1的一端与输入端g连接，所述平衡电感l2的一端与输入端f连接，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端连接，且同时与低压侧分裂直流母线电容器连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，所述高压侧直流母线电容器包括极性电容cin，所述极性电容cin的正极和负极分别与所述高压直流母线的正极和负极连接；所述低压侧分裂直流母线电容器包括极性电容co1和极性电容co2，所述极性电容co1和极性电容co2串联，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端均与所述极性电容co1和极性电容co2的公共端i连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，所述平衡电感l1的另一端和平衡电感l2的另一端同时与所述极性电容co1和极性电容co2的公共端i连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，所述第一桥臂包括半导体开关s1和半导体开关s2，所述第二桥臂包括半导体开关s3和半导体开关s4，所述半导体开关s1和半导体开关s2串联，所述半导体开关s3和半导体开关s4串联，所述输出端a设置于所述半导体开关s1和半导体开关s2的公共端上，所述输出端b设置于所述所述半导体开关s3和半导体开关s4的公共端上。
5.根据权利要求4所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，所述第三桥臂包括半导体开关t1和半导体开关t2，所述第四桥臂包括半导体开关t3和半导体开关t4，所述半导体开关t1和半导体开关t2串联，所述半导体开关t3和半导体开关t4串联，所述输入端g设置于所述半导体开关t1和半导体开关t2的公共端上，所述输入端h设置于所述半导体开关t3和半导体开关t4的公共端上。
6.根据权利要求1所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，所述谐振腔包括无源器件x1、高频变压器hft和无源器件x2，所述无源器件x1的一端连接输出端b，另一端与所述高频变压器hft的高压侧绕组的一端连接，所述高频变压器hft高压侧绕组的另一端与输出端a连接，所述无源器件x2的一端连接输入端g，另一端与所述高频变压器hft的低压侧绕组的一端连接，所述高频变压器hft的低压侧绕组的另一端与低压侧电路输入端h连接。
7.根据权利要求1所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，所述负载包括负载r1和负载r2，所述负载r1和负载r2串联。
8.根据权利要求5所述的一种具有双极输出电压自平衡能力的直流固态变压器，其特征在于，低压侧电路中的半导体开关t1、半导体开关t2、半导体开关t3和半导体开关t4采用同步整流运行的模式，即半导体开关t1与半导体开关s1的触发信号相同，半导体开关t2与半导体开关s2的触发信号相同，半导体开关t3与半导体开关s3的触发信号相同，半导体开关t4与半导体开关s4的触发信号相同。
技术总结