本发明属于电力电子应用的技术领域，涉及直流电网短路故障及固态变压器，尤其涉及一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法。
背景技术：
直流电网的短路故障处理是一个难题。在直流电网中，由于短路电流不存在自然过零点，直流断路器需要在数毫秒内开断很大的故障电流，这对直流断路器是一个很大的挑战，目前尚没有直流断路器应用的工程实例。因此，有相关文献提出了一种无直流断路器的直流故障清除策略，通过结合电力电子变换器的电流控制能力和不能开断大电流但结构简单、价格低廉、技术比较成熟的直流开关装置(如直流接触器，直流分段器)实现故障隔离，其关键在于控制功率输出的电力电子变换器在输出端短路后仍能维持输出电流控制，即拥有故障穿越能力，这为直流故障清除策略提供了一种全新的思路。
传统的电力变压器作为电力系统的基本设备，无法实现直流电压变换。近年来，随着电力电子技术的快速发展，直流固态变压器作为一种新型的变压器受到了广泛关注。在直流电网中，直流固态变压器不仅承担着变压的任务，为低电压等级的负载或新能源提供端口，也承担着直流潮流控制的功能，是未来直流电网的关键配网设备之一，直流固态变压器是否拥有故障穿越能力是实现直流配网无直流断路器保护的关键，因此有必要提出一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有短路故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法，该新型拓扑及其控制方法可满足短路故障穿越的技术需求。
本发明采用的技术方案是：
一种具有故障穿越能力的直流固态变压器，包括一个滤波电感、n个桥式子模块(含一个全桥子模块、n-1个半桥子模块)以及n个dc-dc隔离型变换器，所述n个桥式子模块级联后的直流输入端正极串联所述滤波电感后与中压直流电网的正极连接，所述n个桥式子模块级联后的直流输入端负极与中压直流电网的负极连接，所述n个dc-dc隔离型变换器的直流输出侧并联后形成直流输出端口，直流输出端口与低压直流电网连接，所述每个dc-dc隔离型变换器的直流输入侧形成直流输入端口，每个直流输入端口各与一个桥式子模块的直流输出端连接。
所述dc-dc隔离型变换器包括逆变器、lc串联谐振环节、中频变压器、整流器和第一电容，所述逆变器的直流侧与桥式子模块的直流输出端连接，所述逆变器的交流侧串联所述lc串联谐振环节后连接所述中频变压器的原边，所述整流器的交流侧连接所述中频变压器的副边，所述整流器的直流侧并联所述第一电容，所述整流器的直流侧连接低压直流电网；
所述逆变器和所述整流器均包括四个含反并联二极管的全控型开关，四个含反并联二极管的全控型开关连接成全桥结构；lc串联谐振环节包括谐振电感和谐振电容，成串联形式连接。
所述全桥子模块包括两个半桥桥臂和一个第二电容，所述半桥桥臂由上下两个含反并联二极管的全控型开关串联组成，所述两个半桥桥臂的上管的集电极均与第二电容的正极相连，下管的发射极均与第二电容的负极连接，所述两个半桥桥臂的中点作为全桥子模块的直流输入端，所述第二电容的正负极作为全桥子模块的直流输出端。
所述半桥子模块包括一个半桥桥臂和一个第二电容，所述半桥桥臂的上管的集电极与第二电容的正极相连，下管的发射极与第二电容的负极连接，所述半桥桥臂的中点与桥臂下管的发射极作为半桥子模块的直流输入端，所述第二电容的正负极作为半桥子模块的直流输出端。
所述直流固态变压器的控制方法包括正常工况控制及故障穿越控制。正常工况控制下，全桥子模块工作在1/0模式，直流固态变压器通过调节全部桥式子模块的工作占空比来实现直流电网间的双向功率流动，dc-dc隔离型变换器中的全控型开关以恒定50％占空比工作。故障穿越控制下，若中压直流电网电压高于预设阈值，所述直流固态变压器工作状况同正常工况控制下的工作状况，通过调节全部桥式子模块的工作占空比实现故障穿越；若中压直流电网电压低于或等于预设阈值，全桥子模块工作在1/-1模式，半桥子模块工作在0模式，全桥子模块所连接的dc-dc隔离型变换器中的全控型开关以恒定50％占空比工作，半桥子模块所连接的dc-dc隔离型变换器中的全控型开关闭锁，通过调节全桥子模块的工作占空比实现故障穿越。
本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法，其直流固态变压器具有体积小的特点，有利于减小直流固态变压器的占用面积，其控制方法分为正常工况控制和故障穿越控制，其中故障穿越控制根据实际电网电压跌落程度的不同采取不同的控制策略，可以实现全电压跌落范围内的故障穿越，有助于直流电网短路故障的清除。
附图说明
图1为本发明直流固态变压器的整体电路结构示意图。
图2为本发明直流固态变压器的桥式子模块结构示意图。
图3为本发明直流固态变压器的dc-dc隔离型变换器结构示意图。
图4为本发明直流固态变压器桥式子模块工作模式示意图。
图5为本发明直流固态变压器处于正常工况控制及中压直流电网电压高于预设阈值时的故障穿越控制下的状态示意图。
图6为本发明直流固态变压器处于中压直流电网电压低于或等于预设阈值的故障穿越控制下的状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种直流固态变压器，其特征在于，包括一个滤波电感100、一个全桥子模块200、n-1个半桥子模块300和n个dc-dc隔离型变换器400，全桥子模块200与n-1个半桥子模块300级联后的直流输入端正极串联滤波电感100后与中压直流电网的正极连接，全桥子模块200与n-1个半桥子模块300级联后的直流输入端负极与中压直流电网的负极连接，n个dc-dc隔离型变换器400的直流输出侧并联后形成直流输出端口，直流输出端口与低压直流电网连接，每个dc-dc隔离型变换器400的直流输入侧形成直流输入端口，每个直流输入端口与全桥子模块200或半桥子模块300的直流输出端连接，n个dc-dc隔离型变换器400与n个桥式子模块一一对应。
如图2所示，在本实施例中，全桥子模块200包括两个半桥桥臂和第二电容210，两个半桥桥臂分别为前半桥桥臂220和后半桥桥臂230，半桥桥臂由上下两个含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联组成，半桥桥臂的上管的集电极与下管的发射极分别与第二电容210的正负极连接，两个半桥桥臂的中点作为全桥子模块200的直流输入端，第二电容210的正负极作为全桥子模块200的直流输出端。半桥子模块300包括一个半桥桥臂和第二电容210，半桥桥臂的上管的集电极与下管的发射极分别与第二电容210的正负极连接，半桥桥臂的中点与桥臂下管的发射极作为半桥子模块300的直流输入端，第二电容210的正负极作为半桥子模块300的直流输出端。
如图4所示，在本实施例中，半桥子模块有两种不同的工作模式，分别为1模式和0模式。1模式是指上桥绝缘栅双极型晶体管开通，下桥绝缘栅双极型晶体管关断，半桥子模块输出电压可以认为等于第二电容电压；0模式是指上桥绝缘栅双极型晶体管关断，下管开通，半桥子模块输出电压可以认为等于0。全桥子模块有三种不同的工作模式，分别为1模式、-1模式和0模式。1模式是指全桥子模块中前半桥桥臂上桥绝缘栅双极型晶体管开通，下桥绝缘栅双极型晶体管关断，后半桥桥臂上桥绝缘栅双极型晶体管关断，下桥绝缘栅双极型晶体管开通，全桥子模块输出电压可以认为等于第二电容电压；-1模式是指全桥子模块中前半桥桥臂上桥绝缘栅双极型晶体管关断，下桥绝缘栅双极型晶体管开通，后半桥桥臂上桥绝缘栅双极型晶体管开通，下桥绝缘栅双极型晶体管关断，全桥子模块输出电压可以认为等于第二电容电压的负值；0模式是指全桥子模块中前半桥桥臂上桥绝缘栅双极型晶体管恒关断，下桥绝缘栅双极型晶体管恒开通，后半桥桥臂上桥绝缘栅双极型晶体管恒关断，下桥绝缘栅双极型晶体管恒开通，全桥子模块输出电压可以认为等于0。
在本实施例中，在正常工况控制以及中压直流电网电压高于预设阈值的故障穿越控制下，半桥子模块的工作模式以开关频率在1模式和0模式间切换，即工作在1/0模式，全桥子模块的工作模式以开关频率在1模式和0模式间切换，即工作在1/0模式；在中压直流电网电压低于或等于预设阈值的故障穿越控制下，半桥子模块恒工作在0模式，全桥子模块的工作模式以开关频率在1模式和-1模式间切换，即工作在1/-1模式。
如图3所示，dc-dc隔离型变换器400包括逆变器410、lc串联谐振环节420、中频变压器430、整流器440和第一电容470。逆变器410的直流侧与全桥子模块200或半桥子模块300的直流输出端连接，逆变器410的交流侧串联lc串联谐振环节420后连接中频变压器430的原边，整流器440的交流侧连接中频变压器430的副边，整流器440的直流侧并联第一电容470，整流器440的直流侧连接低压直流电网。
在本实施例中，逆变器和整流器均包括四个含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，四个含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管连接成全桥结构。全桥结构是一种模块化的结构，便于集成、生产和管理。
在本实施例中，lc谐振环节包括谐振电感450和谐振电容460，成串联形式连接。lc谐振环节与逆变器、中频变压器和整流器构成串联谐振变换器，有利于提高工作效率，减小dc-dc隔离型变换器体积。
在本实施例中，在正常工况控制以及中压直流电网电压高于预设阈值的故障穿越控制下，全部dc-dc隔离型变换器处于运行状态，即dc-dc隔离型变换器中的逆变器和整流器中的含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管以设定的开关频率工作；在中压直流电网电压低于预设阈值的故障穿越控制下，仅直流输入端连接全桥子模块的dc-dc隔离型变换器中处于运行状态，其余dc-dc隔离型变换器中的逆变器和整流器中的含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管均关断。
如图5所示，在本实施例中，在正常工况控制下，全桥子模块前半桥桥臂工作在pwm状态，后半桥桥臂的下桥绝缘栅双极型晶体管恒开通，上桥绝缘栅双极型晶体管恒关断，此时全桥子模块的工作模式和半桥子模块的工作模式相同，均工作在在1/0模式，同时所有dc-dc隔离型变换器均处于运行状态，通过调节全部桥式子模块的工作占空比实现直流电网间的双向功率流动。然而，若功率从低压直流母线流向中压直流母线，当中压直流母线发生短路故障后，为了配合直流电网无直流断路器短路故障清除策略，直流固态变压器必须在中压输出端短路后保持输出电流控制能力，若故障后的中压直流母线电压高于预设阈值，则直流固态变压器运行模式与正常工况控制保持一致，通过调节全部桥式子模块的占空比即可实现故障穿越。
如图6所示，在本实施例中，若功率从低压直流母线流向中压直流母线，当中压直流母线发生短路故障后，若故障后的中压直流母线电压低于或等于预设阈值，仅通过调节全部桥式子模块工作占空比无法在满足直流故障清除时间的条件下实现故障穿越。另外，当中压直流母线电压跌落到0时，由于工作在1/0模式的桥式子模块无法输出负电压，无法再对电感电流进行灵活的控制。因此，为了实现全故障电压跌落深度内的故障穿越，全桥子模块不再工作在1/0模式，而是工作在1/-1模式，输出负电压主动控制电感电流减小，同时由于此时中压直流母线电压较小，仅全桥子模块独立工作即可以满足耐压要求，半桥子模块下桥绝缘栅双极型晶体管恒开通，上桥绝缘栅双极型晶体管恒关断，即恒工作在0模式，半桥子模块所连接的dc-dc隔离型变换器不再工作。全桥子模块所连接的dc-dc隔离型变换器保持运行状态，直流固态变压器通过调节全桥子模块的占空比实现故障穿越。
以上详细描述了本发明的具体实施方式，但本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。