具备短路电流阻断和容错的高频链直流变压器及控制方法与流程

[0001]
本发明涉及电力电子设备技术领域，尤其涉及一种具备短路电流阻断和容错的高频链直流变压器及控制方法。


背景技术：

[0002]
随着分布式新能源并网需求的日益增长、直流负载的广泛应用以及柔性直流输电技术的发展，直流微电网/直流配电网成为当下研究的热点。为了实现各种不同电压等级直流子网的连接，能量变换将不可避免，必须借助基于电力电子技术的直流变压器(dc transformer,dct)来实现。
[0003]
在低压小容量领域，dc/dc变换器用于低压直流微电网中直流负荷、储能、分布式电源等的接入，它们一般不满足功率双向传输的要求，且不便于系统结构模块化和扩容，很难应用于中高压直流电网领域。由于具有高模块化、高冗余性等优点，mmc(modular multi-level converter)技术在中压dct中的应用受到关注，有关mmc型dct的研究一般集中在子模块电容器的电压平衡策略、脉冲调制策略、效率和损耗分析等方面。由于mmc型dct存在子模块数量过多、装置体积较大、功率密度低等不足，其在中压直流配电网应用场合的优势并不明显。因此，在实际工程中很少被采用。基于双有源桥(dual active bridge，dab)变换器的模块化拓扑，其高压侧串联以提高电压等级、低压侧并联以提高功率等级，具备电压应力要求低、模块化程度高、功率密度高以及冗余设计好等优势，目前被广泛应用于中高压dct中。这里称其为传统型dct(the traditional dab-based dct,tdct)，其拓扑结构如图1所示。有关tdct子模块电容器的电压均衡控制技术已有很多研究，而tdct在工程上的应用难点主要包括以下几个方面：
[0004]
(1)当端口发生外部直流短路故障时，tdct不能快速无过电流地从故障处切除，而在故障消失后不能快速重新投入运行。
[0005]
(2)当端口发生内部子模块故障时，tdct不能实现冗余运行。
[0006]
(3)从中压dct的应用场景来看，中压端口的模块个数主要与电压等级有关，低压端口的模块个数主要与端口功率等级有关。如果两个端口的模块个数可以独立调整，则有利于优化模块个数，便于根据电压和功率等级进行系统结构重构，以及提高系统功率密度。然而，在tdct中，每个dab内的两个h桥分别位于中压端口和低压端口中，两个端口的子模块个数无法独立，必须保持相等。因此，端口模块个数调整的灵活性受限。
[0007]
(4)当tdct一个端口的某个模块出现故障时，不仅要旁路掉该故障模块，另一个端口对应的模块的功率传递也将失效。
[0008]
(5)tdct拓扑仅具备两个直流端口，无法适应于多个直流端口柔性互联、功率相互传递的应用场合。
[0009]
这些缺点和不足，很大程度上限制了tdct在实际工程的应用，亟待解决。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的是提出一种具备短路电流阻断和容错的高频链直流变压器及控制方法。一种具备短路电流阻断和容错的高频链直流变压器，其特征在于：直流变压器由高压直流端口(hvdc端口)和低压直流端口(lvdc端口)构成；hvdc端口和lvdc端口通过高频母线hfb
1-hfb2相连；所述直流变压器采用基于全局同步时钟的相移控制方法，具备多种运行模式，且在不同运行模式下均具备短路电流阻断能力和冗余容错能力。
[0011]
hvdc端口由多个具备相同结构的hvdc模块串联组成，hvdc模块含1个由t1/d1、t2/d2、t3/d3和t4/d4组成的高频h桥、1个高频变压器m
h
、1个直流母线电容c
h
及1个由t5/d5和t6/d6组成的旁路开关；高频h桥、直流母线电容c
h
及旁路开关并联连接；高频h桥的桥臂中点a
h
和b
h
连接高频变压器m
h
的初级线圈的两端；高频变压器m
h
的次级线圈端点h
h1
和h
h2
作为hvdc模块的高频输出端；旁路开关的中点a
h
和直流母线电容的负极节点b
h
作为hvdc模块的低频输入端。
[0012]
hvdc模块的高频输出端相互并联在一起后连接高频母线hfb
1-hfb2；hvdc模块的低频输入端相互串联在一起后再与电抗器l
ph
串联，形成hvdc端口的输入端h
1-h2。
[0013]
lvdc端口由多个具备相同结构的lvdc模块并联组成；lvdc模块含1个由s1/q1、s2/q2、s3/q3和s4/q4组成的高频h桥、2个高频电抗器l
l1
和l
l2
、1个直流母线电容c
l
及1个由s5/q5和q6组成的旁路开关；高频h桥、直流母线电容c
l
及旁路开关并联连接；高频h桥的桥臂中点a
l
和b
l
分别连接高频电抗器l
l1
和l
l2
的一端；高频电抗器l
l1
和l
l2
的另一端作为lvdc模块的高频输出端；旁路开关的中点a
l
和直流母线电容的负极节点b
l
作为lvdc模块的低频输入端。
[0014]
lvdc模块的高频输出端相互并联在一起后连接高频母线hfb
1-hfb2；lvdc模块的低频输入端相互并联在一起后再与电抗器l
pl
串联，形成lvdc端口的输入端l
1-l2。
[0015]
具备短路电流阻断和容错的高频链直流变压器的控制方法，其特征在于：全局同步时钟的信号为1路高频方波信号，占空比为50％；hvdc模块内t1、t2、t3和t4的驱动脉冲均为高频方波信号，占空比均为50％，且频率均与全局同步时钟的信号频率相同；hvdc模块内t1和t4的驱动脉冲相位相同，t2和t3的驱动脉冲相位相同，t1的驱动脉冲和t2的驱动脉冲相位相差180度；lvdc模块内s1、s2、s3和s4的驱动脉冲均为高频方波信号，占空比均为50％，且频率均与所述全局同步时钟信号的频率相同；lvdc模块内s1和s4的驱动脉冲相位相同，s2和s3的驱动脉冲相位相同，s1的驱动脉冲和s2的驱动脉冲相位相差180度；hvdc模块内t1的驱动脉冲与全局同步时钟的相位差称为hvdc模块相移角，lvdc模块内s1的驱动脉冲与全局同步时钟的相位差称为lvdc模块相移角，通过改变hvdc模块相移角和lvdc模块相移角的大小控制直流变压器的端口电压、端口电流及传输功率。
[0016]
直流变压器具备两种典型的运行模式——运行模式1和运行模式2；在运行模式1下，hvdc端口工作于功率跟随模式，其输入端h
1-h2接电压源，每个hvdc模块的相移角均等于基准相移角与偏差相移角之和，每个hvdc模块的基准相移角等于0，改变偏差相移角的大小用于均衡各hvdc模块的直流侧电压，每个lvdc模块相移角大小一致，通过调节lvdc模块相移角的大小实现对直流变压器的lvdc端口的电压或电流大小的控制；在运行模式2下，lvdc端口运行于功率跟随模式，其输入端l
1-l2接电压源，每个lvdc模块相移角等于0，每个hvdc模块的相移角均等于基准相移角与偏差相移角之和，每个hvdc模块的基准相移角大小一致，通过调节hvdc模块基准相移角的大小实现对直流变压器的hvdc端口的总电压或电流大
小的控制，改变hvdc模块偏差相移角的大小用于均衡各hvdc模块的直流侧电压。
[0017]
当检测到lvdc端口的输入端l
1-l2发生短路故障时，同时闭锁所有lvdc模块内的高频h桥功率管s1、s2、s3和s4和旁路开关的上管s5；当检测到lvdc端口的输入端l
1-l2的短路故障消除时，解锁所有lvdc模块内的高频h桥功率管s1、s2、s3和s4和旁路开关的上管s5；
[0018]
当检测到hvdc端口的输入端h
1-h2发生短路故障时，同时闭锁所有hvdc模块内的高频h桥功率管t1、t2、t3和t4和旁路开关的上管t5，当检测到hvdc端口的输入端h
1-h2的短路故障消除时，解锁所有所述hvdc模块内的高频h桥功率管t1、t2、t3和t4和旁路开关的上管t5。
[0019]
当检测到lvdc端口的某一个lvdc模块发生故障(这里称为lvdc故障模块)时，立即同时闭锁lvdc故障模块的高频h桥功率管s1、s2、s3和s4和旁路开关的上管s5；
[0020]
当检测到所述hvdc端口的某一个hvdc模块发生故障(这里称为hvdc故障模块)时，立即同时闭锁hvdc故障模块的高频h桥功率管t1、t2、t3和t4和旁路开关的上管t5，间隔2～3us后解锁hvdc故障模块的旁路开关的下管t6。
[0021]
本发明的有益效果在于：
[0022]
(1)系统采用共高频母线结构，端口间的电耦合关系改为磁耦合关系，有利于提高系统效率。
[0023]
(2)各端口子模块个数可独立配置，有利于优化模块个数、提高功率密度、减小高频变压器设计难度和装置体积以及优化成本。
[0024]
(3)各端口均具备短路电流阻断能力，当端口外部发生短路故障，短路电流可被迅速阻断，端口电压维持不变；当短路故障恢复时，各端口能快速恢复正常运行。
[0025]
(4)各端口均具备冗余容错能力，当端口子模块发生内部故障时，该故障模块能被及时屏蔽，其它子模块能继续正常工作。且各端口子模块的运行相互独立，当一个端口的某个模块出现故障时，仅屏蔽该故障模块，另一个端口所有子模块的运行不受任何影响。
[0026]
(5)理论上可扩展任意数量的直流端口。端口子模块由高频变压器、端口电抗器、高频h桥和旁路开关构成。各子模块高频侧并联后连接到高频母线上，直流侧通过串联连接可得到任意电压等级的高压端口，直流侧通过并联连接可得到任意功率等级的低压端口。
[0027]
(6)采用基于全局同步时钟的移相控制策略，其控制方法简单，具备多种运行模式，能满足实际应用需求。
附图说明
[0028]
图1为传统直流变压器tdct的拓扑结构；
[0029]
图2为高频链直流变压器hfl-dct的拓扑；
[0030]
图3为hfl-dct正常运行示意图；
[0031]
图4为lvdc端口发生外部短路故障时hfl-dct的短路电流阻断示意图；
[0032]
图5为hvdc端口发生外部短路故障时hfl-dct的短路电流阻断示意图；
[0033]
图6为lvdc端口向外部输送有功功率、且子模块内部出现故障时hfl-dct的冗余运行示意图；
[0034]
图7为lvdc端口从外部吸收有功功率、且子模块内部出现故障时hfl-dct的冗余运行示意图；
[0035]
图8为hvdc端口向外部输送有功功率、且子模块内部出现故障时hfl-dct的冗余运
行示意图；
[0036]
图9为hvdc端口从外部吸收有功功率、且子模块内部出现故障时hfl-dct的冗余运行示意图。
具体实施方式
[0037]
本发明提出一种具备短路电流阻断和容错的高频链直流变压器及控制方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0038]
(1)拓扑结构
[0039]
hfl-dct的拓扑结构如图2所示。hfl-dct由高压直流(high-voltage dc,hvdc)端口和低压直流(low-voltage dc,lvdc)端口构成，hvdc端口和lvdc端口通过高频母线hfb
1-hfb2相连。图2中的图a和图b分别为图c的高压直流端口和低压直流端口子模块的电路图。
[0040]
hvdc端口由多个具备相同结构的hvdc模块串联组成，每个hvdc模块含1个由t1/d1、t2/d2、t3/d3和t4/d4组成的高频h桥、1个高频变压器m
h
、1个直流母线电容c
h
及1个由t5/d5和t6/d6组成的旁路开关。高频h桥、直流母线电容c
h
及旁路开关并联连接，高频h桥的桥臂中点a
h
和b
h
连接高频变压器m
h
的初级线圈的两端；高频变压器m
h
的次级线圈端点h
h1
和h
h2
作为hvdc模块的高频输出端；旁路开关的中点a
h
和直流母线电容的负极节点b
h
作为hvdc模块的低频输入端。所有hvdc模块的高频输出端相互并联在一起后连接高频母线hfb
1-hfb2，低频输入端相互串联在一起后再与电抗器l
ph
串联，形成hvdc端口的输入端h
1-h2。
[0041]
lvdc端口由多个具备相同结构的lvdc模块并联组成。每个lvdc模块含1个由s1/q1、s2/q2、s3/q3和s4/q4组成的高频h桥、2个高频电抗器l
l1
和l
l2
、1个直流母线电容c
l
及1个由s5/q5和q6组成的旁路开关。高频h桥、直流母线电容c
l
及旁路开关并联连接，高频h桥的桥臂中点a
l
和b
l
分别连接高频电抗器l
l1
和l
l2
的一端；高频电抗器l
l1
和l
l2
的另一端作为lvdc模块的高频输出端；旁路开关的中点a
l
和直流母线电容的负极节点b
l
作为lvdc模块的低频输入端。所有lvdc模块的高频输出端相互并联在一起后连接高频母线hfb
1-hfb2，低频输入端相互并联在一起后再与电抗器l
pl
串联，形成lvdc端口的输入端l
1-l2。
[0042]
理论上该拓扑可扩展任意数量的直流端口。扩展端口的子模块由1个高频变压器、1个高频h桥和1个旁路开关和1个端口电抗器构成，这些设备的连接与上述hvdc子模块的内部连接情况一致。扩展端口各子模块的高频侧采用并联连接后接入高频母线，直流侧通过串联连接可得到任意电压等级的高压端口，而直流侧通过并联连接可得到任意功率等级的低压端口。
[0043]
(2)控制方法及运行模式
[0044]
图2所示的hfl-dct采用基于全局同步时钟的相移控制策略，全局同步时钟信号为1路高频方波信号，占空比为50％，该信号作为所有子模块的移相基准。hvdc模块内t1、t2、t3和t4的驱动脉冲均为高频方波信号，占空比均为50％，且频率均与全局同步时钟信号的频率相同；hvdc模块内t1和t4的驱动脉冲相位相同，t2和t3的驱动脉冲相位相同，t1的驱动脉冲和t2的驱动脉冲相位相差180度。lvdc模块内s1、s2、s3和s4的驱动脉冲均为高频方波信号，占空比均为50％，且频率均与全局同步时钟信号的频率相同；lvdc模块内s1和s4的驱动脉冲相位相同，s2和s3的驱动脉冲相位相同，s1的驱动脉冲和s2的驱动脉冲相位相差180度。hvdc模块内t1的驱动脉冲与全局同步时钟信号的相位差称为hvdc模块相移角，lvdc模块内s1的驱
动脉冲与全局同步时钟信号的相位差称为lvdc模块相移角，通过改变hvdc模块相移角和lvdc模块相移角的大小可控制hfl-dct的端口电压、端口电流及传输功率。
[0045]
hfl-dct具备两种典型运行模式——运行模式1和运行模式2。在运行模式1下，hvdc端口工作于功率跟随模式，其输入端h
1-h2接电压源，每个hvdc模块的相移角均等于基准相移角与偏差相移角之和，每个hvdc模块的基准相移角等于0，改变偏差相移角的大小用于均衡各hvdc模块的直流侧电压，每个lvdc模块相移角大小一致，通过调节lvdc模块相移角的大小实现对lvdc端口的电压或电流大小的控制。在运行模式2下，lvdc端口运行于功率跟随模式，其输入端l
1-l2接电压源，每个lvdc模块相移角等于0，每个hvdc模块的相移角均等于基准相移角与偏差相移角之和，每个hvdc模块的基准相移角大小一致，通过调节hvdc模块基准相移角的大小实现对hvdc端口的总电压或电流大小的控制，改变hvdc模块偏差相移角的大小用于均衡各hvdc模块的直流侧电压。
[0046]
(3)短路电流阻断控制
[0047]
hfl-dct正常运行拓扑如图3所示，各子模块旁路开关的上管解锁。虚线管表示管子处于闭锁状态，实线管表示管子处于解锁状态。
[0048]
如图4所示，当检测到lvdc端口的输入端l
1-l2发生短路故障时，同时闭锁所有lvdc模块内的高频h桥功率管s1、s2、s3和s4和旁路开关的上管s5。当检测到lvdc端口的输入端l
1-l2的短路故障消除时，解锁所有lvdc模块内的高频h桥功率管s1、s2、s3和s4和旁路开关的上管s5。
[0049]
如图5所示，当检测到hvdc端口的输入端h
1-h2发生短路故障时，同时闭锁所有hvdc模块内的高频h桥功率管t1、t2、t3和t4和旁路开关的上管t5。当检测到hvdc端口的输入端h
1-h2的短路故障消除时，解锁所有hvdc模块内的高频h桥功率管t1、t2、t3和t4和旁路开关的上管t5。
[0050]
(4)冗余运行控制
[0051]
如图6、图7所示，当检测到lvdc端口的某一个lvdc模块发生故障(这里称为lvdc故障模块)时，立即同时闭锁该lvdc故障模块的高频h桥功率管s1、s2、s3和s4和旁路开关的上管s5。
[0052]
如图8、图9所示，当检测到hvdc端口的某一个hvdc模块发生故障(这里称为hvdc故障模块)时，立即同时闭锁hvdc故障模块的高频h桥功率管t1、t2、t3和t4和旁路开关的上管t5，间隔2～3us后解锁hvdc故障模块的旁路开关的下管t6。
[0053]
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。