本发明涉及电力电子变压器技术领域，具体涉及一种具有阻断双向故障电流功能的电力电子变压器。
背景技术：
在高压直流输电系统中，电力电子变压器作为电压变换和电气隔离的基础设备，是电力系统中网络连接的核心装置。目前电力电子变压器在直流输电系统中主要采用的拓扑如图1所示，整个拓扑是由n个电力电子变压器模块组成，其中各电力电子变压器模块的低压输入侧分别并联连接，各电力电子变压器的高压输出侧依次串联的连接。其中整个拓扑结构的输入端为电力电子变压器的低压侧，主要与低压直流输入源相连接，输出端为电力电子变压器的高压侧，与直流输电电网相连接。各电力电子变压器模块是由dab(双有源桥结构)加全桥模块部分组成。电力电子变压器模块的中采用dab(双有源桥结构)加全桥模块的结构可以很好的解决高压侧发生直流故障时，故障电流从电力电子变压器高压侧注入高压直流侧的故障点。但是对于来自高压直流侧的反灌的故障电流无法阻断。该故障电流会从高压侧经过全桥模块中的二极管注入高压侧电容，导致电容电压升高，同时较大的故障电流还会导致二极管器件的损坏。现有的技术无法解决上述回灌电流的问题。
技术实现要素：
鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种具有阻断双向故障电流功能的电力电子变压器，除了具备阻止直流故障时，故障电流由电力电子变压器侧注入故障点之外，还可以解决上述故障电流回灌的问题，从而避免电流回灌导致的过电压和过电流问题，防止出现器件的损坏。
本发明采用以下技术方案：
一种具有阻断双向故障电流功能的电力电子变压器，包括电力电子变压器，所述电力电子变压器的高压直流侧输出端与高压直流输电电网间串联有回灌电流阻断模块，即所述回灌电流阻断模块的输入端与电力电子变压器的高压直流侧输出端相连接，输出端与高压直流输电电网相连接；
所述回灌电流阻断模块由反并联有续流二极管的多个开关器件串联组成，其中第一开关器件的发射极与电力电子变压器的输出端相连接，第一开关器件的集电极与第二开关器件的发射极相连接，后面的开关器件按照第一开关器件与第二开关器件的串联连接方式依次串联连接；所述每个串联开关器件均反向并联一续流二极管，所述续流二极管的阳极与开关器件的发射极相连接，所述续流二极管的阴极与开关器件的集电极相连接；
通过检测电力电子变压器高压直流侧故障电流的方向和大小来控制回灌电流阻断模块中的开关器件的开通和关断，来阻止故障电流回灌入电力电子变压器，从而保护电力电子变压器不出现过压和过流问题，防止器件损坏。
所述回灌电流阻断模块中的每个串联开关器件所反并联的续流二极管两端并联有能量吸收元件。
所述能量吸收元件为避雷器。
所述回灌电流阻断模块中开关器件为igbt。
所述回灌电流阻断模块中开关器件的数量为两个。
相比于现有技术，本发明具备如下优点：
本发明通过在电力电子变压器的高压直流侧加入回灌电流阻断模块，通过检测故障电流的方向和大小来控制阻断模块的开关器件的开通和关断，从而在产生回灌电流时，关断全控型电力电子器件，阻止故障续流电流回灌入电力电子变压器，从而保护电力电子变压器不出现过压和过流问题，防止器件损坏。同时，可以在阻断单元中的半导体器件两端并联避雷器等能量吸收元件，一方面吸收器件闭锁的续流能量，另一方面可以限制阻断单元两端的电压，从而减少了阻断模块电压应力要求，可有效减少回灌电流阻断模块中所串联开关器件的个数，从而可减少成本。回灌电流阻断模块具有阻止故障电流从直流故障点流向电力电子变压器侧的作用，因此加入阻断模块之后的系统可以具有直流故障电流双向阻断的功能。
附图说明
图1为现有电力电子变压器采用的拓扑图。
图2为本发明具有阻断双向故障电流功能的电力电子变压器拓扑图。
图3为无避雷器的回灌电流阻断模块。
图4为并联避雷器的回灌电流阻断模块。
图5为实施例中4端的直流微电网连接图。
图6为实施例中故障初始时刻的故障电流路径示意图。
图7为实施例中换流站闭锁后的故障电流路径示意图。
图8为实施例中鸡山换流站2-端口直流断路器断开后的故障电流示意图。
图9为实施例中流入电力电子变压器电流波形、端口电压以及模块电容电压波形图。
图10为实施例中具有阻断双向故障电流功能的电力电子变压器拓扑图。
图11为实施例改进后的电力电子变压器的故障电流、端口故障电压以及模块电容电压的波形。
图12为实施例改进后的igbt电压(kv)、避雷器电流(ka)、避雷器能量波形(kj)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，本发明一种具有阻断双向故障电流功能的电力电子变压器，包括电力电子变压器，所述电力电子变压器的高压直流侧输出端与高压直流输电电网间串联有回灌电流阻断模块，即所述回灌电流阻断模块的输入端与电力电子变压器的高压直流侧输出端相连接，输出端与高压直流输电电网相连接。
如图3所示，所述回灌电流阻断模块由反并联有续流二极管的多个开关器件串联组成，其中第一开关器件kt1的发射极与电力电子变压器的输出端相连接，第一开关器件kt1的集电极与第二开关器件kt2的发射极相连接，后面的开关器件按照第一开关器件与第二开关器件的串联连接方式依次串联连接；所述每个串联开关器件均反向并联一续流二极管，所述续流二极管的阳极与开关器件的发射极相连接，所述续流二极管的阴极与开关器件的集电极相连接。
如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述回灌电流阻断模块中的每个串联开关器件所反并联的续流二极管两端并联有能量吸收元件。进一步的，所述能量吸收元件为避雷器。这样一方面可吸收器件闭锁的续流能量，另一方面可以限制开关器件两端的电压，从而减少了回灌电流阻断模块电压应力要求，可有效减少回灌电流阻断模块中所串联开关器件的个数，从而可减少成本。
实施例
如图5所示，在某个4端的直流微电网中，四个端口换流站分别为鸡山换流站1、鸡山换流站2、唐家湾换流站以及电力电子变压器端。这四个端口之间采用直流线路连接。其中鸡山换流站1、唐家湾换流站和鸡山换流站2均为柔性直流输电设备，采用mmc拓扑，其中鸡山换流站1采用全桥拓扑具有直流故障阻断能力。鸡山换流站2和唐家湾换流站采用半桥拓扑，不均有直流故障阻断能力。直流线路上连接有直流断路器。
当鸡山换流站2，出现直流双极故障后，按照设定的故障策略，直流断路器应该动作切除故障。具体的故障时序为，直流双极故障发生的时间是3.95s，故障检测时间定义为1ms，1ms后，3.951s鸡山换流站1(采用的是全桥模块)和鸡山换流站2(采用的是半桥模块)闭锁，电力电子变压器也在3.951s闭锁。3.952s唐家湾换流站闭锁。3.954s，鸡山换流站2-端口直流断路器断开。
图6给出了故障初始时刻的故障电流路径示意图，当鸡山换流站2发生双极对地故障时，故障开始时刻，四个端口都会向故障点注入故障电流。
如图7所示，当3.951s，鸡山换流站1和鸡山换流站2以及电力电子变压器都闭锁后，鸡山换流站1采用的是全桥拓扑可以将故障电流回路切断，同样电力电子变压器也是采用故障隔断型结构，也可以将故障电流切断。由于唐家湾换流站和鸡山换流站2采用的是半桥结构在交流侧断路器断开之前，无法将电流回路切断，故障电流回路的示意图如图7所示。
如图8所示，当3.954s，鸡山换流站2-端口直流断路器断开后，该故障电流的能量会有一小部分由断路器旁边的避雷器吸收。另外大部分故障电流会流向电力电子变压器。故障电流回路的示意图如图8所示。
如图9所示，为流入电力电子变压器的故障电流、电力电子变压器的端口电压和电容电压的波形。从图中可以看出，流入电力电子变压器的故障电流可以达到1.1ka以上，电力电子变压器的额定电流为100a，这个故障电流显然已经超过了电力电子变压器的器件电流耐受能力，所以必须采取相应的措施解决该问题。
采用回灌电流阻断模块的方案可以起到阻止故障电流回灌的目的。但是器件承受的电压较高，可以在器件两端并联避雷器来限制过高的电压，同时起到均压的效果。具体方案如图10所示。在电力电子变压器的高压直流侧串联接入回灌电流阻断模块，该回灌电流阻断模块包括两个串联单元，每个串联单元包含一个全控型开关器件igbt，和一个二极管，以及能量吸收避雷器。
图10中回灌电流阻断模块采用两组全控型器件igbt1和igbt2串联组成，其中igbt1的集电极与igbt2的发射极相连接，igbt1的发射极与电力电子变压器的高压直流侧输出端相连接，igbt2的集电极连接高压直流输电电网。全控型器件igbt1和igbt2反并联有续流二极管，所述二极管的阳极连接全控型器件igbt的发射极，二极管的阴极连接全控型器件igbt的集电极。避雷器与二极管并联连接。正常工作时，igbt均处于开通状态，当直流电网侧有直流故障发生时，控制电力电子变压器中各子模块中全桥模块中的开关器件和回灌电流阻断模块中的全控型器件igbt1和igbt2断开，及时阻止故障电流的双向流动，从而保护电力电子变压器中的开关器件不被损坏。
加入回灌电流阻断模块后，流入电力电子变压器的故障电流得到明显的抑制，可以将电压应力控制在开关器件的承受范围之内。同时在回灌电流阻断模块中加入避雷器之后，故障电流和电压均在开关器件的耐受范围之内，同时回灌电流阻断模块中的阻断器件两端的电压也得到了一定的限制，可以限制在4.5kv之内。避雷器的吸收的能量约为3kj，流过的最大电流为400a。同时避雷器的加入可以保证一定的均压效果。
如图11所示，为流过电力电子变压器的电流、电力电子变压器端口的直流电压波形以及模块电容的电压波形。从图中可以看出，流过器件的电流和电容上承受的电压均得到了改善，没有超过器件的承受能力。
如图12所示，为回灌电流阻断模块的igbt的电压，流过避雷器的电流以及避雷器的能量波形。从图中可以看出，igbt的电压在器件的承受范围之内，同时具有较好的均压效果。避雷器的能量波形可以指导避雷器的选型。