具有故障穿越能力的高降压比多端直流变压器的制作方法

本发明属于电力电子应用技术领域，尤其涉及一种具有故障穿越能力的高降压比多端直流变压器。

背景技术：

未来时间内，将会有大量的清洁能源和直流负荷接入电网，电网源侧和负荷侧会发生结构性变化。随着电力电子技术的成熟，直流系统可以有效地整合直流电源和直流负荷，是一种很有应用前景的电网模式。

在通信、交通、可再生能源等领域，低压直流应用技术得到了很好的推广。同时，在学者和企业的共同努力下，大功率电能传输的高压直流输电技术也取得了长足的进步。但由于缺乏相应的变换和保护技术，中压直流应用技术还没有得到充分的探索和发展。直流变压器是连接不同直流电压、构建直流电网的关键设备。对于中低压直流系统的互联，高降压比直流变压器技术仍是一项前沿技术。直流变压器采用高频变压器隔离有利于系统的安全保护，还有利于降低装置的体积。除了电压变换和隔离的需求外，由于直流变压器采用电力电子装置，其可靠性低于现有的交流变压器，因此直流变压器还需要具备直流线路故障穿越能力。

针对中低压直流系统互联的高变比需求以及故障发生后维持直流线路和直流变压器安全这一问题研究较少，所以亟待需要提出一种具有故障穿越能力的高降压比直流变压器。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种具有故障穿越能力的高降压比多端直流变压器。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有故障穿越能力的高降压比多端直流变压器，包括前级变换器和后级变换器，所述前级变换器由全桥子模块级联组成，前级与中压直流线路相连，实现降压与直流故障穿越功能；所述后级变换器由多个模块并联组成，后级与低压直流线路相连，实现隔离与稳压功能，满足不同负荷需求。

进一步地，所述前级变换器包括上下桥臂电感、上下桥臂链式模块、滤波电感和滤波电容，上桥臂链式模块通过上桥臂电感与中压直流线路正极相连，下桥臂链式模块通过下桥臂电感与中压直流线路负极相连，上下桥臂链式模块相连并通过滤波电感、滤波电容与后级变换器相连。

进一步地，所述后级变换器由多个模块并联而成，每个模块包括全控桥式逆变电路、高频隔离变压器、全控桥式整流电路或二极管不控整流电路、以及滤波部分，所述全控桥式逆变电路的输入与前级变换器的输出相连，输出与高频隔离变压器相连，所述全控桥式整流电路或二极管桥式整流电路的输入与高频隔离变压器相连，输出通过滤波部分接入低压直流线路。

进一步地，所述链式模块由n个相同的子模块级联组成，上下桥臂链式模块中子模块数可以相同或不同，由具体电压等级和变比决定。

进一步地，所述子模块是全桥型子模块，由一个电容和四个全控型开关管组成，第一全控型开关管与第三全控型开关管与电容正极相连，第二全控型开关管与第四全控型开关管与电容负极相连；所述全桥型子模块闭锁后，流经子模块的电流无论方向如何，均通过续流二极管向电容充电，为直流线路提供反向电压。

进一步地，所述全控桥式逆变电路由四个全控型开关管组成，第一全控型开关管与第三全控型开关管与前级变换器输出正极相连，第二全控型开关管与第四全控型开关管与前级变换器输出负极相连。

进一步地，所述全控桥式整流电路或二极管桥式整流电路由四个开关管组成，第一开关管与第三开关管与滤波部分正极相连，第二开关管与第四开关管与滤波部分负极相连。

有益效果：本发明的直流变压器具有高降压比、效率高等优势，前级中子模块级联使得对开关管、电容等器件要求低，同时具备直流线路故障穿越能力，后级采用不同模块并联方式满足不同的负荷需求，在整个故障发生、检测、清除、恢复过程中无需直流断路器断开直流线路，有利于系统的快速恢复。

附图说明

图1是本发明具有故障穿越能力的高降压比直流变压器拓扑图；

图2是本发明全桥型子模块拓扑图；

图3是本发明子模块正常运行和闭锁状态下的电流回路图；

图4是本发明直流变压器前级变换器控制框图；

图5是本发明直流变压器实例输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的一种具有故障穿越能力的高降压比多端直流变压器，由两级式架构组成，包括前级变换器和后级变换器。前级与中压直流线路相连，由全桥子模块级联组成，实现降压与直流故障穿越功能。后级由多个模块并联而成，每个模块由桥式电路和高频变压器组成，与低压直流线路相连，实现隔离与稳压功能，满足不同负荷需求。

前级变换器，由上下桥臂电感、上下桥臂链式模块、一个滤波电感和一个滤波电容组成。上桥臂链式模块通过上桥臂电感与中压直流线路正极相连，下桥臂链式模块通过下桥臂电感与中压直流线路负极相连；上下桥臂链式模块相连并通过滤波电感、滤波电容与后级变换器相连。链式模块由n个相同的子模块级联组成，上下桥臂链式模块中子模块数可以相同或不同，由具体电压等级和变比决定。前级变换器控制采用pwm控制策略和子模块均压控制策略，如图4所示。

链式模块由n个相同的子模块级联组成，子模块是全桥型子模块，由一个电容和四个全控型开关管组成，第一全控型开关管与第三全控型开关管与电容正极相连，第二全控型开关管与第四全控型开关管与电容负极相连。全桥型子模块闭锁后，流经子模块的电流无论方向如何，只能通过续流二极管向电容充电，这相当于为直流线路提供反向电压，有助于短路电流的熄灭和故障的快速清除。

后级变换器，由多个模块并联而成，每个模块由全控桥式逆变电路、高频隔离变压器、全控桥式整流电路或二极管桥式整流电路以及滤波部分组成，全控桥式逆变电路的输入与前级变换器的输出相连，输出与高频隔离变压器相连，全控桥式整流电路或二极管桥式整流电路的输入与高频隔离变压器相连，输出通过滤波部分接入低压直流线路。

全控桥式逆变电路由四个全控型开关管组成，第一全控型开关管与第三全控型开关管与前级变换器输出正极相连，第二全控型开关管与第四全控型开关管与前级变换器输出负极相连。全控桥式整流电路或二极管桥式整流电路由四个开关管组成，第一开关管与第三开关管与滤波部分正极相连，第二开关管与第四开关管与滤波部分负极相连。

如图2所示，子模块是全桥型子模块，由一个电容和四个全控型开关管组成，第一全控型开关管与第三全控型开关管与电容正极相连，第二全控型开关管与第四全控型开关管与电容负极相连。图3(a)为子模块正常运行回路，输出零电压和正电容电压两种电平。图3(b)全桥型子模块闭锁后电流回路，流经子模块的电流无论方向如何，只能通过续流二极管向电容充电，这相当于为直流线路提供反向电压，有助于短路电流的熄灭和故障的快速清除。

故障穿越能力在于当直流变压器中压侧发生双极短路故障时，检测故障特征，快速闭锁直流变压器的前级变换器，短路电流只能通过续流二极管流过子模块，由于电容处于充电状态，为直流线路提供反向电压，快速降低故障电流至零，故障清除后直流变压器恢复正常运行，在整个故障发生、检测、清除、恢复过程中无需直流断路器断开直流线路，有利于系统的快速恢复，完成双极短路故障穿越，实现直流系统的稳定运行。

为验证具有故障穿越能力的高降压比直流变压器的可行性，在matlab/simulink仿真平台上搭建直流变压器模型。上桥臂链式模块中子模块数量为4，下桥臂链式模块中子模块数量为2，控制采用移相pwm控制方法，具体仿真参数如表1所示。直流变压器输出电压如图5所示。

表1