基于全桥接口的双有源桥子模块、直流变压器及其控制方法

本发明属于中低压直流配网用dc/dc变换器技术领域，具体涉及一种用于实现故障穿越的直流变压器拓扑及其控制方法。

背景技术：

随着能源短缺等问题受到了全球范围内的广泛讨论，光伏、风电等可再生能源也受到越来越多的关注，未来光伏电池、风力机等新能源在电力系统中占比将大幅上升。但这些电源产生的电能均为直流电或者经过简单变换后可变为直流，而在传统的交流并网方式下，分布式能源的并入需要通过复杂的交直流转换环节，这直接影响了接入的便捷性、降低了系统运行效率。另外，很多处于终端的低压电气设备在本质上都是直流驱动的，使用时需要经过整流环节才能工作，比如电脑、液晶电视、打印机、洗衣机、冰箱等。所以，分布式能源的高比例接入以及终端直流负荷比例的上升均为促成直流配电网的发展提供了助力。

作为全控型直流配电网的关键设备，中压到低压的电力电子变压器不仅承担起稳定母线电压、功率传输、潮流控制等功能，其故障穿越能力也决定了中压直流配电网的系统安全性和可靠性。一般来说，应用于中低压直流配网场景中的直流变压器，需要具备以下几方面基本功能：(1)能够实现直流配电网中不同电压等级直流母线间的联接、电压变换、功率传递和电气隔离的功能；(2)能够控制直流变压器功率的大小及流向；(3)需要具备模块化、易于扩展及冗余的特性，满足低压侧复杂的发、储、用对变压器结构灵活配置的需求，并具有较高可靠性。(4)有效控制极端条件下的电压及负载功率波动，具有故障穿越功能。

针对多种实际的工程应用需求，在中低压直流配网中主要采用由dab模块级联而构成的直流变压器，也就是将单个小功率dab模块在输入侧进行串联、输出侧进行并联，形成多模块串并联的isop级联系统。当输入侧出现短路故障时，由于dab模块在发生短路故障后输入电容通常完全放电，所以系统重启过程中预充电所需的较长。

技术实现要素：

为了解决现有故障保护等方面存在的问题，本发明的目的是提供一种基于全桥接口的双有源桥拓扑作为直流变压器、子模块及控制方法，通过加快重启的预充电过程，提升直流变压器在发生直流线路短路故障后的故障恢复能力，整体上改进直流变压器的故障穿越能力。

基于全桥接口的双有源桥子模块，其特征在于，包括全桥接口、中压侧dc/ac全桥电路、高频变压器和低压侧dc/ac全桥电路，所述高频变压器一次侧连接中压侧dc/ac全桥电路，二次侧连接低压侧dc/ac全桥电路，所述中压侧dc/ac全桥电路和所述全桥接口连接。

进一步的，全桥接口包括输入电容c1、开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4，开关管s1的集电极、输入电容c1的第一端以及开关管s4的集电极连接，开关管s1的发射极、输入电感lin第一端和开关管s2的集电极连接，输入电感lin第二端连接至中压直流母线正极，开关管s2的发射极、输入电容c1的第二端和开关管s3的发射极连接，开关管s4的发射极和开关管s3的集电极均连接至中压直流母线负极。

进一步的，全桥接口中的开关管由反向串联的igbt和二极管组成。

进一步的，中压侧dc/ac全桥电路和低压侧dc/ac全桥电路中的开关器件均为igbt。

进一步的，中压侧dc/ac全桥电路的输出端分别连接有稳压电容c2。

进一步的，高频变压器一次侧绕组和中压侧dc/ac全桥电路之间连接有功率电感lt。

一种直流变压器，其特征在于，包括n个级联的上述的基于全桥接口的双有源桥子模块。

一种直流变压器的控制方法，当基于全桥接口的双有源桥子模块闭锁时，续流电流通过反并联二极管d2和d4组成续流回路，流过输入电容c1，对输入电容c1进行重新充电，使输入电容电压得以恢复。

进一步的，当某一基于全桥接口的双有源桥子模块故障时，通过控制全桥接口中的开关管的状态，将该子模块切除；并通过控制冗余子模块的开关管的状态开关管的状态，投入冗余子模块，所述冗余子模块为基于全桥接口的双有源桥子模块。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出了一种直流变压器拓扑，直流变压器拓扑由级联的带全桥接口的双有源桥结构组成，由于全桥接口中开关管的存在，当双有源桥结构闭锁时，带全桥接口的双有源桥子模块进入电感续流阶段，续流电流通过反并联的两个二极管组成续流回路，流过输入电容c1，对输入电容c1进行重新充电，在系统闭锁后可以自行对输入电容重新进行充电，有效减少了重启的预充电时间，加快系统的恢复过程。

一种直流变压器的控制方法，通过控制全桥接口中的开关管s1-s4的开通和关断的状态，可以将开关管s1-s4所在的子模块投入或切除运行，兼顾了冗余控制的功能。

当某一基于全桥接口的双有源桥子模块故障时，通过控制全桥接口中的开关管的状态，将该子模块切除；并通过控制冗余子模块的开关管的状态开关管的状态，投入冗余子模块，所述冗余子模块为基于全桥接口的双有源桥子模块，经过短暂的暂态之后，直流变压器达到新的稳态。

附图说明

图1为本发明的子模块拓扑结构示意图；

图2a为本发明子模块投入状态图；

图2b为本发明子模块切除状态图；

图2c为本发明子模块闭锁状态图；

图3为fbdab在直流线路发生双极短路故障后的动作时序图；

图4为fbdab模块电容放电等效电路图；

图5为isop系统中采用的单移相控制示意图；

图6为fbdab模块双极短路故障后的电压电流波形图；

图7为dab模块双极短路故障后的电压电流波形图；

图8为fbdab模块在isop系统中进行投切的电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种直流变压器，包括n个isop级联的带全桥接口的双有源桥子模块。

图1所示的拓扑结构为基于全桥接口的双有源桥的子模块，每个fbdab模块包括输入侧的全桥接口fb、高频变压器，高频变压器一次侧连接的一个中压侧dc/ac全桥电路，高频变压器二次侧连接的一个低压侧dc/ac全桥电路，所述中压侧dc/ac全桥电路的输出端口为中压侧接口ab，所述低压侧dc/ac全桥电路输出端为低压侧接口cd。

全桥接口包括输入电容c1、开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4，开关管s1的集电极、输入电容c1的第一端以及开关管s4的集电极连接，开关管s1的发射极、输入电感lin第一端和开关管s2的集电极连接，输入电感lin第二端连接至中压直流母线正极，开关管s2的发射极、输入电容c1的第二端和开关管s3的发射极连接，开关管s4的发射极和开关管s3的集电极均连接至中压直流母线负极。

其中：fbdab输入侧两端分别接中压直流母线，输出侧两端接入低压直流母线。

优选的，中压侧dc/ac全桥电路和低压侧dc/ac全桥电路中的开关器件均为igbt。

优选的，中压侧dc/ac全桥电路的输入端和dc/ac全桥电路的输出端分别连接有稳压电容c1、稳压电容c2。

优选的，高频变压器一次侧绕组和中压侧dc/ac全桥电路之间连接有功率电感lt。

优选的，将输入电容c1连接全桥接口fb，使得开关管s1～s4的开断也可以控制输入电容上的电压，进一步控制该子模块在isop级联系统中的投切。

优选的，在子模块闭锁后可以改变续流阶段的电流流通回路，使得子模块的输入电容得以重新充电，以缩短重启时间。

如图2a所示：当开关管s1、s3开通，且开关管s2和s4关断时，子模块处于正常投入状态，输入电容进行预充电时的回路为：运行中回路为lin→s1→c1→d3；

如图2b所示：当开关管s2和s3开通，且开关管s1和s4关断时，子模块处于切除状态，输入电流在子模块中的回路为lin→s2→d3，输入端口对外相当于短路；

如图2c所示：当s1、s2、s3、s4均关断时，子模块处于闭锁状态，由于正常工况下，输入端电压为与各个反并联二极管的导通电压方向相反，所以子模块中无电流流通。

如图3所示，当fbdab输入侧发生极间短路故障，将其故障过程分为两个阶段分析，闭锁前的阶段和闭锁后的阶段，故障清除后的重启阶段主要进行电容的预充电。

正常运行：系统正在正常运行；

放电阶段：故障发生后，在系统闭锁前，输入电容c1通过故障回路进行放电，电容电压急速减小，电流立即反向增大；

续流阶段：当输入电容电压为0后，回路中的电流通过反并联二极管d2和d4进行续流，流过输入电容c1，对输入电容c1进行重新充电，使输入电容电压得以恢复。

停机阶段：系统闭锁，直流变压器进入停机状态，续流过程不受闭锁影响，直到能量完全为0；

重启阶段：故障清除完毕，系统开始解锁、重启，对输入电容进行预充电。

本发明提出的一种基于全桥接口的双有源桥的子模块拓扑，可以通过改变续流阶段的电流流通回路，使得模块的输入电容得以重新充电，以缩短重启时间，提高系统的故障恢复能力。具体步骤如下：

步骤1，闭锁前fbdab子模块经历电容放电的过程，考虑欠阻尼状态，此过程会产生极大的放电电流，故障回路可以等效为一个二阶rlc电路，等效电路图如图4所示，由故障点过渡电阻、输入电感、输入电容组成，开关管s1和s3的导通电阻可忽略不计。

步骤2，闭锁后，由于电感上反电动势的存在，此时输入端电压与反并联二极管d2和d4导通电压方向相同，fbdab子模块进入电感续流阶段，续流电流通过反并联二极管d2和d4组成续流回路，流过输入电容c1，对输入电容c1进行重新充电，使输入电容电压得以恢复。输入电容c1电压的恢复程度主要取决于输入电感的感值lin及故障点过渡电阻rf的阻值。

步骤3，当故障清除、系统重启时，由于续流阶段的充电过程，预充电过程也随之加快，从而加快了系统的快速恢复或重启过程。

在本发明的某一实施例中：

该系统仿真参数：中压母线10kv，低压母线参考电压为750v，fbdab模块数量为4，高频变压器变比为1：1，开关频率为20khz。本仿真实验中，四个dab模块的移相控制都采用图5所示的单移相控制方式。在系统稳定时：每个fbdab模块的中压侧理想输入电压为2500v，低压侧端口输出电压为750v。仿真中设置了一个于0.5s触发的双极短路接地故障，经过2ms的闭锁延时后，在0.502s闭锁模块中的开关管。

仿真结果如图6所示。在图6中，发生双极短路故障后，在系统未闭锁时，fbdab处于电容放电阶段，电容电压从正常运行的2500v开始跌落并产生了巨大的反向短路电流，电流峰值为11.4ka，在t＝0.5018s时电压在后减小到零。当系统闭锁之后，fbdab利用特有的续流回路，将电感上的剩余能量重新送入输入电容，对输入电容进行充电，使电容的电压恢复至2000v。

对比dab模块在相同条件和故障设置下，双极短路故障后电容上电压及流过的电流波形如图7所示，可以看到发生双极短路故障后，在系统未闭锁时，传统的双有源桥结构dab处于电容放电阶段，电容电压从正常运行的2500v开始跌落并产生了巨大的反向短路电流，电流峰值为11.4ka，在t＝0.5018s时电压在后减小到零。当系统闭锁之后，scdab的电感电流通过sc模块中的反并联二极管进行续流，与故障点构成回路，无法将其再次利用，故电容电压始终为零。

另外，为了验证fbdab子模块的投切功能，设置一个子模块的内部故障。仿真结果如图8所示，可以看到直流变压器处于预充电阶段，四个模块均分输入电压vin，每个模块输入侧电压均为2500v；当预充电完成后，在冗余控制下，冗余模块4立刻从系统中切除，其输入侧电压变为0，剩余三个模块在输入均压环的作用下达到新的电压值3333v。在t＝0.7s时子模块2出现了短路故障，当诊断电路检测到后将模块2从系统中切除，同时投入冗余模块4，经过短暂的暂态之后，直流变压器达到新的稳态，冗余模块的输入侧电压变为3333v。