隔离型模块化多电平直流变压器综合故障限流控制方法与流程

本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种隔离型模块化多电平直流变压器综合故障限流控制方法。

背景技术：

1、在中高压直流配电系统中，直流变压器要承担实现电压变换，功率双向流动和电气隔离的功能，需要用到大量的电力电子设备来实现电能变换。目前，直流变压器多采用电压源控制模式，导致整个中高压直流配电系统呈现低阻尼特性，当发生短路故障时，会造成极大的冲击电流，切除故障较难，且切除故障后还会面临如何重启等问题。因此，直流变压器故障电流抑制成为业界和学术界的研究热点。

2、目前工程中普遍采用在线路上加装限流电抗器来抑制短路故障冲击电流，虽然能够在一定程度上限制短路电流，但是增加了设备的投入成本，并且出现了一些其他的问题。

3、在中高压直流配电系统发生短路故障后，不仅要面临设备中电容放电后的冲击电流，还要解决设备切除故障后电容充电等一系列重启问题，这些都是中高压直流配电网中直流变压器急需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种隔离型模块化多电平直流变压器综合故障限流控制方法，其目的在于降低直流变压器发生双极短路故障后输出电流的大小，便于清除故障以及直流变压器的重启。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种隔离型模块化多电平直流变压器，包括：原边拓扑、一个双绕组中频变压器和副边拓扑；

3、所述原边拓扑为一个单相模块化多电平变流器；

4、所述副边拓扑为一个h桥；

5、所述双绕组中频变压器的原边同名端通过一个传输电感连接至所述单相模块化多电平直流变压器的一个单相桥臂的两个桥臂电感的连接点或耦合电感的中间端子，传输电感的大小分别为双绕组中频变压器的漏感和外接电感之和；

6、所述双绕组中频变压器的副边通过一个限流电感连接至所述h桥，所述限流电感与两个反并联igbt开关管并联；

7、所述h桥上的输出电容反向串联一个igbt开关管并联在低压侧输出端。

8、本发明第二方面提供了一种所述隔离型模块化多电平直流变压器的综合故障限流控制方法，该方法包括以下步骤：

9、(1)在直流变压器低压侧发生直流双极短路故障后，检测输出电压的值来判断是否发生双极短路故障；

10、(2)检测到直流变压器低压侧发生双极短路故障后投入限流控制；

11、(2.1)硬件限流：切除低压侧的支撑电容，同时投入所述双绕组中频变压器副边的限流电感；

12、(2.2)软件限流：增加所述双绕组中频变压器原边的内移相比，使其内移相比为最大值1，同时闭锁所述双绕组中频变压器副边h桥的驱动脉冲，使其成为二极管自然整流电路；

13、(3)故障清除后，限流控制退出运行，投入故障重启控制，直流变压器重启；

14、所述硬件限流和所述软件限流是在检测到直流双极短路故障后同时投入的。

15、基于上述，该限流控制方法还包括：

16、采用双排序法对所述单相模块化多电平变流器的桥臂内子模块电容电压进行平衡控制：

17、实时采集每个桥臂内子模块的电容电压并进行排序，同时实时计算工作模态下移相角不同的触发信号对应的电荷变换量δq，将δq较大的触发信号分配给电容电压较低的子模块；

18、其中，δq＝cδu，只需要对每个周期中的电压差δu进行排序即可得到电荷变换量δq排序；

19、准方波调制下，子模块的电容接入的半个周期内电荷变换量的计算公式为：

20、

21、其中，iap为桥臂电流，iac为交流电流分量，idc为直流电流分量。

22、基于上述，实时采集低压侧输出端口电压，将采集到的输出电压与参考值进行作差；

23、输出电压与参考值的差值通过pi调节器控制得到移相角；

24、方波通过此移相角移相后得到h桥的驱动信号。

25、基于上述，在检测到故障清除后，恢复与输出电容串联的反向igbt开关管以及与限流电感反向并联的两个igbt开关管的脉冲，投入输出电容，切除限流电感，将直流变压器原边桥臂的内移相比由1变为0，同时将输出电压参考值变为额定电压，采取不控整流的方式启动直流变压器副边的h桥。

26、本发明第三方面提供了一种所述隔离型模块化多电平直流变压器的综合故障限流控制系统，该控制系统包括：

27、低压侧电压控制器，用于实时调节低压侧输出电压的大小，实现对h桥的脉冲驱动；

28、故障限流控制器，用于根据检测的输出电压值来判断是否发生双极短路故障，并抑制双极短路故障期间低压侧的输出过电流；

29、故障重启控制器，用于直流变压器在低压侧发生双极短路故障后的重启控制；

30、所述故障限流控制器实时检测低压侧输出电压，在检测到双极短路故障后启动限流模式；限流模式分为5个措施：

31、(1)闭锁与低压侧输出电容串联的反向igbt开关管的脉冲；

32、(2)闭锁与限流电感并联的两个igbt开关管的脉冲，投入所述双绕组中频变压器副边的限流电感来抑制直流变压器内部电流及输出过电流；

33、(3)增加直流变压器原边桥臂内移相比，使其内移相比为最大值1；

34、(4)闭锁所述h桥的驱动脉冲，使其成为二极管自然整流电路；

35、(5)将低压侧电压控制器的输出电压参考值变为0；

36、所述限流模式的5个措施是所述故障限流控制器在检测到直流双极短路故障后同时投入的。

37、基于上述，该控制系统还包括：

38、桥臂内子模块电容电压平衡控制器，用于平衡控制所述单相模块化多电平变流器的桥臂内子模块电容电压；

39、所述桥臂内子模块电容电压平衡控制器采用双排序法对桥臂内子模块电容电压进行平衡控制：

40、所述桥臂内子模块电容电压平衡控制器实时采集每个桥臂内子模块的电容电压并进行排序，同时实时计算工作模态下移相角不同的触发信号对应的电荷变换量δq，将δq较大的触发信号分配给电容电压较低的子模块；

41、其中，δq＝cδu，只需要对每个周期中的电压差δu进行排序即可得到电荷变换量δq排序；

42、准方波调制下，子模块的电容接入的半个周期内电荷变换量的计算公式为：

43、

44、其中，iap为桥臂电流，iac为交流电流分量，idc为直流电流分量。

45、基于上述，所述低压侧电压控制器实时采集低压侧输出端口电压，将采集到的输出电压与参考值进行作差；

46、输出电压与参考值的差值通过pi调节器控制得到移相角；

47、方波通过此移相角移相后得到h桥的驱动信号。

48、基于上述，所述故障重启控制器在检测到故障清除后，恢复与输出电容串联的反向igbt开关管以及与限流电感反向并联的两个igbt开关管的脉冲，投入输出电容，切除限流电感，将直流变压器原边桥臂的内移相比由1变为0，同时将输出电压参考值变为额定电压，采取不控整流的方式启动直流变压器副边的h桥。

49、本发明第四方面提供了一种隔离型模块化多电平直流变压器的综合故障限流控制设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时实现如所述综合故障限流控制方法的步骤。

50、综合来看，通过本发明所提出的以上技术方案，能够取得以下优点：

51、(1)本发明仅增加3个igbt开关管与1个较小值的限流电感，再辅以相应的软件控制，即可在直流变压器发生最严重的双极短路故障时限制输出电流的大小，增设设备成本相较于其他方案大大降低。

52、(2)本发明所提出的技术方案在直流变压器输出端发生双极短路故障时可将输出电流限制到接近于0，有利于直流变压器配合直流断路器切断支路；同时所提出的技术方案在限流时切除了输出电容，输出电容中的能量得以保持，而直流变压器原边的子模块并未闭锁，桥臂内子模块电容电压仍能保持平衡，子模块处于启动状态，只是通过增加内移相比使原边向副边传递的能量减少。因此，上述限流模式为直流变压器的故障后重启创造了有利条件，无需重新为电容充电，在切除故障后重启直流变压器时先投入输出电容，采取不控整流的方式启动直流变压器副边的h桥，可使直流变压器内部无过流出现，故障后重启速度快。

53、(3)本发明提供的故障限流控制方法不受直流变压器子模块类型的限制，对于常见类型的子模块(包含半桥型子模块、全桥型子模块等)均适用。