一种直流变压器及低压双向故障电流抑制方法与流程

1.本发明涉及变压器技术领域，尤其是涉及一种直流变压器及低压双向故障电流抑制方法。


背景技术：

2.光伏电源的高效利用则通过直流接入电网，而现有的技术路线一般通过两级变换后并网，大大影响光伏的利用效率。风力发电则通过双馈风力发电等交流电源发电，也需要经过ac-dc、dc-ac两级并网。储能系统是典型的直流电源，通过变换后与分布式电源形成互联互动形成交直流混合的现代配电系统。柔性直流配电网适用于各类分布式电源、储能和负荷接入，可以降低设备成本，提高系统运营效率。
3.直流变压器是多端柔性直流配电网与直流负荷、直流微电网的重要接口。传统的直流变压器主要采用的是dab结构+全桥或者dab结构+半桥的拓扑结构，只具有单向故障电流的阻断能力，当其应用于直流电网时，会受到来自直流电网的直流故障电流的冲击而遭到损坏，影响直流变压器自身及直流电网的安全可靠运行。此外，dab结构+半桥的直流变压器工作效率较低，dab结构+全桥的直流变压器开关管数量多，成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种直流变压器及低压双向故障电流抑制方法，以解决现有技术在具备低压双向故障电流自清除能力的基础上，无法同时兼顾高效率低和低成本的技术问题。
5.本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：
6.一种直流变压器，包括：
7.多个第一单元，各所述第一单元的高压侧依次串联连接、低压侧并联连接；
8.其中，所述第一单元包括dab模块和低压双向故障电流抑制模块，所述低压双向故障电流抑制模块与所述dab模块的低压侧串联连接；
9.所述低压双向故障电流抑制模块包括：依次串联的第一开关、第一电容和第二开关，所述第一开关与所述第二开关的方向相反。
10.可选地，包括：
11.所述第一开关和所述第二开关均为igbt开关。
12.可选地，依次串联的第一开关、第一电容和第二开关具体包括：
13.所述第一开关的发射极与所述第一电容的第一端相连，所述第二开关的集电极与所述第一电容的第二端相连。
14.可选地，所述dab模块包括：
15.依次串联连接的第一全桥模块、高频变压器和第二全桥模块。
16.可选地，所述第一全桥模块和所述第二全桥模块均包括四个结构相同的igbt开关；
17.其中，所述第一全桥模块中的四个igbt开关分别为第一igbt开关、第二igbt开关、第三igbt开关、第四igbt开关；所述第二全桥模块中的四个igbt开关分别为第五igbt开关、第六igbt开关、第七igbt开关、第八igbt开关。
18.可选地，各所述第一单元的高压侧依次串联连接具体包括：
19.各所述第一单元中所述dab模块的第四igbt开关与相邻的所述第一单元中所述dab模块的第一igbt开关串联连接。
20.可选地，各所述第一单元的低压侧并联连接具体包括：
21.所述低压双向故障电流抑制模块的正极与相邻的所述低压双向故障电流抑制模块的正极相连，所述低压双向故障电流抑制模块的负极与相邻的所述低压双向故障电流抑制模块的负极相连。
22.可选地，低压双向故障电流抑制模块与所述dab模块的低压侧串联具体包括：
23.低压双向故障电流抑制模块的所述第一开关与所述dab模块的低压侧正极连接，低压双向故障电流抑制模块的所述第二开关与所述dab模块的低压侧负极连接。
24.可选地，还包括：
25.第二电容；所述第二电容的第一端与所述第一igbt开关、第三igbt开关连接，所述第二电容的第二端与所述第二igbt开关、所述第四igbt开关连接。
26.本发明还提供了一种低压双向故障电流抑制方法，应用于权利要求1-9中任一项所述的直流变压器，所述方法包括：
27.对直流变压器的低压侧进行监测，正常模式下，将低压双向故障电流抑制模块的第一开关、第二开关导通，第一电容可以充放电；
28.当所述直流变压器的低压侧发生低压短路时，将低压双向故障电流抑制模块的第一开关、第二开关闭锁，阻断第一电容对外放电，阻断外部电流涌入所述第一电容。
29.本发明提供了一种直流变压器及低压双向故障电流抑制方法，其中，所述直流变压器包括：多个第一单元，各所述第一单元的高压侧依次串联连接、低压侧并联连接；其中，所述第一单元包括dab模块和低压双向故障电流抑制模块，所述低压双向故障电流抑制模块与所述dab模块的低压侧串联连接；所述低压双向故障电流抑制模块包括：依次串联的第一开关、第一电容和第二开关，所述第一开关与所述第二开关的方向相反。
30.有鉴如此，本发明带来的有益效果是：
31.本发明的直流变压器，在正常模式下，低压双向故障电流抑制模块的两个igbt开关工作于常导通状态，电容可充放电，维持低压侧电压稳定；当柔性直流配电网直流侧发生低压短路时，低压双向故障电流抑制模块的两个igbt开关工作于闭锁状态，从而阻断电容对外放电，且外部电流不会涌入直流变压器的电容，具有低压双向故障电流抑制能力。由于正常工作时，开关电容模块仅工作于充电状态，没有大电流流过，其工作效率非常高。本发明的直流变压器具有低压双向故障电流自清除能力、高效率且开关管少经济成本低等优点。
附图说明
32.图1为主流的dab模块+半桥的直流变压器拓扑结构；
33.图2为本发明直流变压器的拓扑结构示意图；
34.图3为本发明直流变压器的闭锁状态模式示意图。
具体实施方式
35.本发明实施例提供了一种直流变压器及低压双向故障电流抑制方法，以解决现有技术在具备低压双向故障电流自清除能力的基础上，无法同时兼顾高效率低和低成本的技术问题。
36.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
38.现有实际工程中和学术研究中，比较成熟的是dab结构+半桥的直流变压器拓扑结构。如图1所示，dab结构+半桥的直流变压器单向故障电流抑制的能力。当低压侧母线、或者低压出线发生双极短路故障时，此时半桥模块的开关管s1迅速关断，从而抑制直流变压器的能量流向低压母线侧。但是如果低压母线侧接入有分布式电源，就会出线分布式电源的能量通过s1的反并联二极管流向电容v2，从而导致低压侧过电流，设备出现停机状态或者系统发生连锁反应导致崩溃。因此，这种主流的dab结构+半桥的直流变压器不具有故障电流双向抑制能力。同理，主流的dab结构+全桥的直流变压器也不具备故障电流双向抑制能力。
39.需要说明的是，图1中的v
p
是高频变压器原边电压，i
l
是高频变压器原边电流、lk是高频变压器漏抗，vs是高频变压器副边电压，i1是直流变压器输入电流，i2是直流变压器单dab模块输出电流。
40.表1是各种主流直流变压器的拓扑结构优缺点对比，如下所示：
41.表1
[0042][0043]
[0044]
请参阅图2，本发明提供的直流变压器的实施例，包括：
[0045]
多个第一单元，各所述第一单元的高压侧依次串联连接、低压侧并联连接；其中，所述第一单元包括dab模块和低压双向故障电流抑制模块，所述低压双向故障电流抑制模块与所述dab模块的低压侧串联连接；
[0046]
所述低压双向故障电流抑制模块包括：依次串联的第一开关、第一电容和第二开关，所述第一开关与所述第二开关的方向相反。
[0047]
本实施例提供的直流变压器，是一种具有低压双向故障电流抑制能力的装置。如图2所示，该装置由高压侧串联、低压侧并联的多个第一单元组成，第一单元的数量是根据输入电压等级、输出电压等级确定的。每个第一单元包括dab模块和低压双向故障电流抑制模块，低压双向故障电流抑制模块与dab模块的低压侧串联连接。优选的实施方式，低压双向故障电流抑制模块与dab模块串联于dab模块低压侧的正负极之间，具体地，低压双向故障电流抑制模块的第一开关与dab模块的低压侧正极连接，低压双向故障电流抑制模块的第二开关与dab模块的低压侧负极连接。所述第一单元包括dab模块和低压双向故障电流抑制模块，所述低压双向故障电流抑制模块与所述dab模块的低压侧串联连接
[0048]
本实施例中的dab模块包括：依次串联连接的第一全桥模块、高频变压器(n:1)和第二全桥模块，第一全桥模块和第二全桥模块均包括四个结构相同的igbt开关；其中，第一全桥模块中的四个igbt开关分别为第一igbt开关s
1p
、第二igbt开关s
2p
、第三igbt开关s
3p
、第四igbt开关s
4p
；第二全桥模块中的四个igbt开关分别为第五igbt开关s
1s
、第六igbt开关s
2s
、第七igbt开关s
3s
、第八igbt开关s
4s
。
[0049]
本实施例中，每个第一单元的高压侧依次串联连接，具体地，每个第一单元中dab模块的第四igbt开关s
4p
与相邻的第一单元中dab模块的第一igbt开关s
1p
串联连接。每个第一单元的低压侧并联连接，具体地，低压双向故障电流抑制模块的正极与相邻的低压双向故障电流抑制模块的正极相连，低压双向故障电流抑制模块的负极与相邻的低压双向故障电流抑制模块的负极相连。
[0050]
本实施例还包括第二电容c2；第二电容c2的第一端与第一igbt开关s
1p
、第三igbt开关s
3p
连接，第二电容v2的第二端与第二igbt开关s
2p
、第四igbt开关s
4p
连接。
[0051]
在一个实施例中，低压双向故障电流抑制模块中的第一开关、第二开关均为igbt开关，低压双向故障电流抑制模块中的两个igbt开关s1、s2串联分布在第一电容c1两侧，且两个igbt开关s1、s2的方向相反。优选的实施方式，第一开关的发射极与第一电容的第一端相连，第二开关的集电极与第一电容的第二端相连。
[0052]
本实施例中，低压双向故障电流抑制模块的第一个igbt开关s1与dab模块的低压侧正极连接，低压双向故障电流抑制模块的第二个igbt开关s2与dab模块的低压侧负极连接。
[0053]
可以理解的是，当两个igbt开关s1、s2同时导通时，第一电容c1可开放充电；当两个igbt开关s1、s2同时关断时，第一电容c1不会向外部电路提供放电通道。正常模式下，低压双向故障电流抑制模块的两个igbt开关s1、s2工作于常导通状态。当柔性直流配电网直流侧发生低压短路时，低压双向故障电流抑制模块的两个igbt开关s1、s2工作于闭锁状态，从而阻断电容对外放电，且外部电流不会涌入直流变压器的电容，此工作状态如图3所示。由于正常工作时，低压双向故障电流抑制模块中的第一电容仅工作于充电状态，没有大电流流过，
不会产生损耗，因此，其工作效率非常高。
[0054]
需要说明的是，图2中的v3表示低压双向故障电流抑制模块的电压；+375v是低压侧的母线电压，是一种具体示例。
[0055]
本实施例提供的直流变压器，在正常模式下，低压双向故障电流抑制模块的两个igbt开关工作于常导通状态，电容可充放电，维持低压侧电压稳定；当柔性直流配电网直流侧发生低压短路时，两个igbt开关s1、s2感受到大电流后，会立即自动关断，即发生大电流时，低压双向故障电流抑制模块的两个igbt开关工作于闭锁状态，从而阻断电容对外放电；且这两个igbt开关管关断后，因回路阻断外部电流也不会涌入直流变压器的电容，具有低压双向故障电流抑制能力。由于正常工作时，开关电容模块仅工作于充电状态，没有大电流流过，其工作效率非常高。
[0056]
本实施例中，当负荷侧有分布式电源向直流变压器流入能量时，直流变压器的低压双向故障电流抑制模块的两个开关管能感受电流的大小，当存在大电流时，能自动关闭，能控制第一电容在故障状态下的放电，从而避免产生高电流损坏设备，而且不影响正常工作的状态，具有低压双向故障电流自清除能力、高效率且开关管少经济成本低等优点。
[0057]
本发明还提供了一种低压双向故障电流抑制方法的实施例，应用于直流变压器，方法包括：
[0058]
对直流变压器的低压侧进行监测，正常模式下，将低压双向故障电流抑制模块的第一开关、第二开关导通，第一电容可以充放电；
[0059]
当所述直流变压器的低压侧发生低压短路时，将低压双向故障电流抑制模块的第一开关、第二开关闭锁，阻断第一电容对外放电，阻断外部电流涌入所述第一电容。
[0060]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0061]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0062]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0063]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0064]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全
[0065]
部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介
质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0066]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。