CN109256951B - 一种直流电压变换装置及其控制方法 - Google Patents

一种直流电压变换装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种直流电压变换装置及其制方法。所述直流电压变换装置由高压端出口限流电抗器和n个低压直流变换单元构成，其中n为任意正整数。n个低压直流变换单元的高压端串联连接后再与限流电抗器串联连接，低压端并联连接。所述低压直流变换单元由半桥模块、隔离型DC/DC变换模块和斩波电路模块三级组成。本发明还提供了相应的故障限流控制方法，实现了直流电压变换装置高、低压短路故障穿越功能。

Description

一种直流电压变换装置及其控制方法
技术领域
本发明属于电力直流输配电技术领域，涉及一种直流电压变换装置及其控制方法。
背景技术
随着直流配电的应用，需要研究具有和交流变压器类似性能的直流变压设备，在实现直流电压变换的同时，深入研究直流变换装置在***短路故障下的故障穿越能力，使设备具备短路故障清除后，快速恢复重启的能力具有重要研究意义。
在直流配电网应用领域，基于模块化输入串联输出并联拓扑结构的直流变压器获得了广泛研究，但该拓扑直流变压器在直流配网中应用目前还面临如下问题：(1)***高压端发生短路故障时，高压侧串联模块电容器将直接短路放电，短路电流上升速度极快，半导体器件亦会发生严重过流，对电容及半导体器件危害较大，同时因为模块电容短路放电，从电容取电的电源板卡将欠压闭锁输出，导致直流变压器故障停机，无法实现故障穿越功能，此外由于此短路电流峰值极大，但是持续时间极短，高压电网的继电保护装置无法利用此故障电流特征进行故障定位，从而无法进行故障清除；(2)变换装置低压端出现短路故障时，低压侧并联模块电容器将直接短路放电，短路电流上升速度极快，半导体器件亦会发生严重过流，对电容及半导体器件危害较大，同时因为模块电容短路放电，从电容取电的电源板卡将欠压闭锁输出，导致直流变压器故障停机，无法实现故障穿越功能，此外由于此短路电流峰值极大，但是持续时间极短，低压电网的继电保护装置无法利用此故障电流特征进行故障定位，从而无法进行故障清除。
申请号为CN201510097371.0，发明名称为《一种开关电容接入的高频链双向直流变压器及其控制方法》的专利，涉及一种通过在直流变换单元的前级增加一级半桥变换器实现冗余设计的方法，该专利在高压直流侧或低压直流侧发生短路故障时，可将电容从故障点切除，电容电压得到保持。但是该方法出现短路故障时需将所有开关管均关断，向短路故障点注入短路电流为零，此方法的缺点是：直流电网中的继电保护装置将无法获得故障定位所需的故障电流，无法将故障点进行切除，所以导致直流电压变换装置和直流配电网跳闸停运，***无故障穿越能力，制约了直流配电网的大规模工程应用。
发明内容
本发明的目的是为解决上述的技术问题，提供一种直流电压变换装置及其控制方法，使其内部子单元具备短路故障电流限制及故障清除后***快速恢复的能力，实现了直流配电网***的故障穿越。
为了达成上述目的，本发明的技术方案是：
一种直流电压变换装置由高压端出口限流电抗器L1和n个低压直流变换单元构成，其中n为任意正整数；所述n个低压直流变换单元的输入端串联连接后再与限流电抗器L1串联连接作为直流电压变换装置的高压端，所述n个低压直流变换单元的输出端并联连接作为直流电压变换装置的低压端。
所述的低压直流变换单元由半桥模块、隔离型DC/DC变换模块、斩波电路模块三级组成。所述半桥模块输入端为低压直流变换单元的输入端，半桥模块输出端与隔离型DC/DC变换模块的输入端连接，隔离型DC/DC变换模块的输出端与斩波电路模块输入端连接，斩波电路模块输出端为低压直流变换单元的输出端。
所述半桥模块由两个含反并联二极管的全控型开关管组成，上下两个开关管串联构成半桥模块，半桥模块的下管两端为半桥模块的输入端，上下两个开关管管串联构成半桥模块的输出端。
所述隔离型DC/DC变换模块包括逆变器、移相电感、高频隔离变压器、整流器，所述逆变器直流侧、整流器直流侧均并联电容器。所述逆变器的直流侧为隔离型DC/DC变换模块输入端，所述逆变器的交流侧串联所述移相电感环节后连接高频隔离变压器的原边，所述整流器的交流侧连接所述高频隔离变压器的副边，整流器的直流侧为隔离型DC/DC变换模块输出端。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管，四个含反并联二极管的全控型开关管连接成全桥结构。
所述斩波电路模块由两个含反并联二极管的全控型开关管和一个均流电感组成，两个开关管上下串联构成斩波电路模块的半桥桥臂作为斩波电路模块的输入端，半桥桥臂的中点与均流电感串接后构成斩波电路模块的输出端正极，下开关管的下端为斩波电路模块输出端负极。
本发明还提供一种上述直流电压变换装置的控制方法，包括：
a)正常工作情况下，半桥模块上开关管导通，下开关管关断，高压端直流电压由串联连接的隔离型DC/DC变换模块逆变器直流侧共同承担，隔离型DC/DC变换模块的开关管解锁运行，实现功率的传输，斩波电路模块的上开关管导通，下开关管关断，低压端的负载功率由并联连接的隔离型DC/DC变换模块整流器直流侧共同提供；
b)高压端出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过高压端输出电流闭环调节策略或者滞环控制策略，控制半桥模块上、下开关管的导通占空比，将装置向短路点注入的短路故障电流限制在定值范围以内；
c)待故障清除后，半桥模块上开关管重新恢复到正常工作情况下的导通状态，下开关管恢复到正常工作情况下的关断状态，直流电压变换装置完成了故障清除后的快速恢复，实现了高压端短路故障穿越功能。
本发明还提供一种上述直流电压变换装置的控制方法，包括：
a)正常工作情况下，半桥模块上开关管导通，下开关管关断，高压端直流电压由串联连接的隔离型DC/DC变换模块逆变器直流侧共同承担，隔离型DC/DC变换模块的开关管解锁运行，实现功率的传输，斩波电路模块的上开关管导通，下开关管关断，低压端的负载功率由并联连接的隔离型DC/DC变换模块整流器直流侧共同提供；
b)低压端出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过低压端输出电流闭环调节策略或者滞环控制策略，控制斩波电路模块开关管的导通占空比，将装置向短路点注入的短路故障电流限制在定值范围以内；
c)待故障清除后，斩波电路模块上开关管重新恢复到正常工作情况下的导通状态，下开关管恢复到正常工作情况下的关断状态，直流电压变换装置完成了故障清除后的恢复运行，实现了低压端短路故障穿越功能。
与现有的直流电压变换装置相比，本发明的有益效果是：
(1)高压端***出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过半桥模块控制，限制高压串联模块电容放电，实现了故障电流的限制，当故障清除后，***可以快速恢复正常运行，使装置具备了高压端短路故障穿越能力，供电可靠性得到较大提高。
(2)低压端***出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过斩波电路模块控制，限制低压并联模块电容放电，实现了故障电流的限制，当故障清除后，***可以快速恢复正常运行，使装置具备了低压端短路故障穿越能力，供电可靠性得到较大提高。
(3)相比现有专利文献的方案，***高、低压端出现短路故障时，装置开关管并非完全关断，而是通过限流控制，调节开关管导通占空比，继续向短路点注入一定的短路电流，有利于配电网继电保护装置进行故障定位，从而准确将故障点进行清除，使直流配电网快速恢复正常运行，解决了直流配电网设备的故障穿越问题。
附图说明
图1是本发明的直流电压变换装置拓扑结构图；
图2是本发明的直流电压变换装置中的半桥模块拓扑结构图。
图3是本发明的直流电压变换装置中的隔离型DC/DC变换模块拓扑结构图。
图4是本发明的直流电压变换装置的斩波电路模块拓扑结构图。
图5是本发明的直流电压变换装置的短路故障限流和开关管驱动波形。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的直流电压变换装置拓扑结构如图1所示，包括高压端出口限流电抗器L1和n个低压直流变换单元构成，其中n为任意正整数。所述n个低压直流变换单元的输入端串联连接后再与限流电抗器L1串联连接作为直流电压变换装置的高压端，所述n个低压直流变换单元的输出端并联连接作为直流电压变换装置的低压端。
所述的低压直流变换单元由半桥模块、隔离型DC/DC变换模块、斩波电路模块三级组成。所述半桥模块输入端为低压直流变换单元的输入端，半桥模块输出端与隔离型DC/DC变换模块的输入端连接，隔离型DC/DC变换模块的输出端与斩波电路模块输入端连接，斩波电路模块输出端为低压直流变换单元的输出端。
如图2所示，所述的低压直流变换单元的半桥模块，由两个含反并联二极管的全控型开关管S1，S2组成，上管S1和下管S2串联构成半桥模块，半桥模块的下管S2两端为半桥模块的输入端，S1，S2串联两端构成半桥模块的输出端。
如图3所示，所述的低压直流变换单元的隔离型DC/DC变换模块，包括逆变器全桥模块、移相电感L、高频隔离变压器T、整流器全桥模块，所述逆变器全桥模块直流侧并联电容器C1、整流器全桥模块直流侧并联电容器C2。所述逆变器的直流侧为隔离型DC/DC变换模块输入端，所述逆变器的交流侧串联所述移相电感L后连接所述高频隔离变压器T的原边，所述整流器的交流侧连接所述高频隔离变压器T的副边，所述整流器的直流侧为隔离型DC/DC变换模块输出端。所述逆变器包括四个含反并联二极管的全控型开关管Q1、Q2、Q3、Q4，所述整流器包括四个含反并联二极管的全控型开关管Q5、Q6、Q7、Q8。
如图4所示，所述的低压直流变换单元的斩波电路模块，其特征在于，由两个含反并联二极管的全控型开关管S3、S4和均流电感L2组成，两个开关管串联构成斩波电路模块的输入端，S3、S4串联桥臂中点与电感L2串接后构成斩波电路模块的输出端正极，S4的发射极为斩波电路模块输出端负极。
本发明还提供一种上述的直流电压变换装置的控制方法，包括：
a)正常工作情况下，半桥模块上开关管S1导通，下开关管S2关断，高压端直流电压由串联连接的隔离型DC/DC变换模块逆变器直流侧电容共同承担，隔离型DC/DC变换模块的开关管解锁运行，实现功率的传输，斩波电路模块的上开关管S3导通，下开关管S4关断，低压端的负载功率由并联连接的隔离型DC/DC变换模块整流器直流侧共同提供；
b)高压端出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过高压端输出电流闭环调节策略或者滞环控制策略，控制半桥模块开关管S1的导通占空比，将装置向短路点注入的短路故障电流限制在定值范围以内，图5为采用滞环控制时，短路电流被限制在1.3pu～1.5pu额定电流范围以内的电流波形和开关管S1的驱动信号，当S1开通、S2关断时，故障电流上升，到故障电流到达1.5pu时，关断S1、开通S2，故障电流开始衰减下降，当下降到1.3pu时，再次开通S1、关断S2，可见经过以上滞环控制，故障电流平均值被控制在1.4pu额定电流，继电保护装置可以执行差动过流保护进行故障定位和故障清除,而中国专利《一种开关电容接入的高频链双向直流变压器及其控制方法》中采取方法为出现短路故障时将所有开关管均关断，向短路故障点注入短路电流为零，直流电网中的继电保护装置将无法获得故障定位所需的故障电流，进而无法将故障点进行准确切除；
c)待故障清除后，半桥模块上开关管S1重新恢复到正常工作情况下的导通状态，下开关管S2恢复到正常工作情况下的关断状态，直流电压变换装置完成了故障清除后的快速恢复，实现了高压端短路故障穿越功能。
本发明还提供一种上述的直流电压变换装置的控制方法，包括：
a)正常工作情况下，半桥模块上开关管S1导通，下开关管S2关断，高压端直流电压由串联连接的隔离型DC/DC变换模块逆变器直流侧共同承担，隔离型DC/DC变换模块的开关管解锁运行，实现功率的传输，斩波电路模块的上开关管S3导通，下开关管S4关断，低压端的负载功率由并联连接的隔离型DC/DC变换模块整流器直流侧共同提供；
b)低压端出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过低压端输出电流闭环调节策略或者滞环控制策略，控制斩波电路模块开关管S3的导通占空比，将装置向短路点注入的短路故障电流限制在定值范围以内，图5为采用滞环控制时，短路电流被限制在1.3pu～1.5pu额定电流范围以内的电流波形和开关管S3的驱动信号，当S3开通、S4关断时，故障电流上升，到故障电流到达1.5pu时，关断S3、开通S4，故障电流开始衰减下降，当下降到1.3pu时，再次开通S3、关断S4，可见经过以上滞环控制，故障电流平均值被控制在1.4pu额定电流，继电保护装置可以执行差动过流保护进行故障定位和故障清除,而中国专利《一种开关电容接入的高频链双向直流变压器及其控制方法》中采取方法为出现短路故障时将所有开关管均关断，向短路故障点注入短路电流为零，直流电网中的继电保护装置将无法获得故障定位所需的故障电流，进而无法将故障点进行准确切除；
c)待故障清除后，斩波电路模块上开关管S3重新恢复到正常工作情况下的导通状态，下开关管S4恢复到正常工作情况下的关断状态，直流电压变换装置完成了故障清除后的恢复运行，实现了低压端短路故障穿越功能。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。

Claims (2)

1.一种直流电压变换装置的控制方法，所述直流电压变换装置，由高压端出口限流电抗器L1和n个低压直流变换单元构成，其中n为任意正整数；所述n个低压直流变换单元的输入端串联连接后再与限流电抗器L1串联连接作为直流电压变换装置的高压端，所述n个低压直流变换单元的输出端并联连接作为直流电压变换装置的低压端；
所述低压直流变换单元由半桥模块、隔离型DC/DC变换模块、斩波电路模块三级组成；
所述半桥模块输入端为低压直流变换单元的输入端，半桥模块输出端与隔离型DC/DC变换模块的输入端连接，隔离型DC/DC变换模块的输出端与斩波电路模块输入端连接，斩波电路模块输出端为低压直流变换单元的输出端；
其特征在于，所述控制方法包括：
a)正常工作情况下，半桥模块上开关管导通，下开关管关断，高压端直流电压由串联连接的隔离型DC/DC变换模块逆变器直流侧共同承担，隔离型DC/DC变换模块的开关管解锁运行，实现功率的传输，斩波电路模块的上开关管导通，下开关管关断，低压端的负载功率由并联连接的隔离型DC/DC变换模块整流器直流侧共同提供；
b)高压端出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过高压端输出电流闭环调节策略或者滞环控制策略，控制半桥模块上、下开关管的导通占空比，将装置向短路点注入的短路故障电流限制在定值范围以内；
c)待故障清除后，半桥模块上开关管重新恢复到正常工作情况下的导通状态，下开关管恢复到正常工作情况下的关断状态，直流电压变换装置完成了故障清除后的快速恢复，实现了高压端短路故障穿越功能。
2.一种直流电压变换装置的控制方法，所述直流电压变换装置，由高压端出口限流电抗器L1和n个低压直流变换单元构成，其中n为任意正整数；所述n个低压直流变换单元的输入端串联连接后再与限流电抗器L1串联连接作为直流电压变换装置的高压端，所述n个低压直流变换单元的输出端并联连接作为直流电压变换装置的低压端；
所述低压直流变换单元由半桥模块、隔离型DC/DC变换模块、斩波电路模块三级组成；
所述半桥模块输入端为低压直流变换单元的输入端，半桥模块输出端与隔离型DC/DC变换模块的输入端连接，隔离型DC/DC变换模块的输出端与斩波电路模块输入端连接，斩波电路模块输出端为低压直流变换单元的输出端；
其特征在于，所述控制方法包括:
a)正常工作情况下，半桥模块上开关管导通，下开关管关断，高压端直流电压由串联连接的隔离型DC/DC变换模块逆变器直流侧共同承担，隔离型DC/DC变换模块的开关管解锁运行，实现功率的传输，斩波电路模块的上开关管导通，下开关管关断，低压端的负载功率由并联连接的隔离型DC/DC变换模块整流器直流侧共同提供；
b)低压端出现短路故障时，隔离型DC/DC变换模块保持解锁运行状态，通过低压端输出电流闭环调节策略或者滞环控制策略，控制斩波电路模块开关管的导通占空比，将装置向短路点注入的短路故障电流限制在定值范围以内；
c)待故障清除后，斩波电路模块上开关管重新恢复到正常工作情况下的导通状态，下开关管恢复到正常工作情况下的关断状态，直流电压变换装置完成了故障清除后的恢复运行，实现了低压端短路故障穿越功能。
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