CN112803758A - 具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有故障阻断的非隔离型高压直流‑直流变流器及方法，变流器，包括至少一单极型变流器，所述单极型变流器包括四串子模块串、滤波电感以及串联开关串；其中滤波电感L₁、及高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM、滤波电感L₂以及低压侧全桥子模块串LVSM依次串联形成串联结构；高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关串S_L的一端分别接于从中间半桥子模块串MCSM的正负两点，另一端直接相连形成半桥结构；半桥结构的中点为低压侧正极，低压侧全桥子模块串的负极为低压侧的负极。该变流器在实现直流故障阻断性能的同时能有效降低***所需的开关器件数量以及电容容值，进而减小***的成本与体积。

Description

具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器及方法

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器及方法。

背景技术

高压直流-直流变流器是远海风电场接入、高压直流输电线路互联等工程应用场合的关键性设备。在现有的高压直流-直流变流器拓扑中，非隔离型拓扑以其效率高、体积小的优势尤其适合于高压直流输电线路互联场合。在当前高压直流断路器还未商用的情况下，具有直流故障阻断功能的高压直流-直流变流器成为了研究重点，具有直流故障阻断的变流器既具有电能变换的功能也具有清除直流短路故障的能力。在现有的非隔离型高压直流-直流变流器拓扑中具有故障阻断功能的拓扑较少，具有故障阻断功能的拓扑又往往使用两相或三相结构来创建交流环流通路或维持输入输出电流的连续，这使得***所需的开关器件数量以及总电容容值增大较多，进而导致***存在成本高、体积大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器及方法，变流器采用单相结构，在实现直流故障阻断性能的同时能有效降低***所需的开关器件数量以及电容容值，进而减小***的成本与体积。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，包括至少一单极型变流器，所述单极型变流器包括四串子模块串、滤波电感以及串联开关串；

其中，四串子模块串为高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM以及低压侧全桥子模块串LVSM；滤波电感包含滤波电感L₁、滤波电感L₂；串联开关串包括高压侧串联开关串S_H以及低压侧串联开关串S_L；

滤波电感L₁、及高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM、滤波电感L₂以及低压侧全桥子模块串LVSM依次串联形成串联结构；

高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关串S_L的一端分别接于从中间半桥子模块串MCSM的正负两点，另一端直接相连形成半桥结构；半桥结构的中点为低压侧正极，低压侧全桥子模块串的负极为低压侧的负极。

一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，包括至少一单极型变流器，所述单极型变流器包括四串子模块串、滤波电感以及串联开关串；

其中，四串子模块串为高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM以及低压侧全桥子模块串LVSM；滤波电感包含滤波电感L₁、滤波电感L₂；串联开关串包括高压侧串联开关串S_H以及低压侧串联开关串S_L；

滤波电感L₁、及高压侧全桥子模块串HVSM、中间半桥子模块串MCSM、滤波电感L₂以及低压侧全桥子模块串LVSM依次串联形成串联结构；

高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关串S_L的一端分别接于从中间半桥子模块串MCSM的正负两点，高压侧串联开关串S_H、故障阻断子模块串BLSM串联后另一端与低压侧串联开关串S_L另一端直接相连形成半桥结构，半桥结构的中点为低压侧正极，低压侧全桥子模块串的负极为低压侧的负极。

作为本发明的进一步改进，当应用于单极型场合时，单极型变流器形成的串联结构与高压侧并联；

当应用于双极型场合时，两个单极型变流器形成的串联结构方向相反串联后与高压侧并联。

作为本发明的进一步改进，所述高压侧全桥子模块串HVSM与低压侧全桥子模块串LVSM均由多个全桥子模块FB串联而成；全桥子模块FB由四个IGBT与一个电容构成，四个IGBT两两串联之后与电容并联，形成两个桥臂，其两个输出点分别位于两个桥臂的中点。

作为本发明的进一步改进，所述中间半桥子模块串MCSM由多个半桥子模块HB串联而成，半桥子模块HB由两个IGBT与一个电容构成，两个IGBT串联之后与电容并联，形成一个半桥桥臂，其两个输出点分别位于桥臂中点与电容负端。

作为本发明的进一步改进，所述故障阻断子模块串BLSM由多个故障保护子模块BL串联而成，故障保护子模块BL由两个IGBT、一个电阻、一个二极管与一个电容构成，二极管与一个IGBT串联，形成高管为二极管，低管为IGBT的半桥桥臂后与电容并联，同时另一个IGBT与电阻串联后也与电容相并联，其两个输出点分别位于含有二极管桥臂的中点与电容负端。

作为本发明的进一步改进，所述串联开关串S_H,S_L由多个IGBT直接串联而成。

作为本发明的进一步改进，所述故障阻断子模块串BLSM由多个故障保护子模块BL串联而成，故障保护子模块BL由两个IGBT、一个电阻与一个电容构成，两IGBT串联后形成半桥结构并与电容相并联，电阻与低管IGBT并联，子模块的两个输出点分别位于桥臂中点与电容负端。

一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器的控制方法，包括以下步骤：

状态1：当高压侧串联开关S_H导通，低压侧串联开关S_L关断时候，高压侧全桥子模块串输出U_H-U_L电压，故障阻断子模块串BLSM保持旁路输出0电压，中间半桥子模块串MCSM输出高电平U_CSM1，低压侧全桥子模块串输出-(U_CSM1-U_L)电压；此时高压侧经由高压侧全桥子模块串向低压侧输送能量，高压侧全桥子模块串充电；中间半桥子模块串向低压侧以及低压侧半桥子模块串放电，中间半桥子模块串放电，低压侧全桥子模块串充电；

状态2：保持高压侧串联开关S_H导通，低压侧串联开关S_L关断，同步改变中间半桥子模块串与低压侧全桥子模块串的输出电压；在保证二者输出电压之和为U_L的前提下，将中间半桥子模块串的半桥子模块逐个旁路，其输出电压由U_csm1变为0，同时将低压侧全桥子模块串的全桥子模块逐个旁路并输出相反电压，整体的输出电压由-(U_CSM1-U_L)变为U_L；高压侧全桥子模块串输出U_H-U_L电压被充电，中间半桥子模块串输出0电压，低压侧全桥子模块串输出U_L电压向低压侧放电，故障阻断子模块串BLSM保持旁路输出0电压；串联开关串S_H与S_L的两端电压均为0，满足零电压软开关条件；

状态3：零电压导通S_L开关串，之后零电压关断高压侧串联开关S_H开关串，完成换流过程；

状态4：保持高压侧串联开关S_H关断，低压侧串联开关S_L导通；同步改变中间半桥子模块串与高压侧全桥子模块串的输出电压。在保证二者输出电压之和为U_H-U_L的前提下，将中间半桥子模块串的半桥子模块逐个接入，其输出电压由0变为U_csm2，同时将高压侧全桥子模块串的全桥子模块逐个旁路并输出相反电压，整体的输出电压由U_H-U_L变为-(U_csm2+U_L-U_H)；高压侧全桥子模块串输出-(U_csm2+U_L-U_H)电压放电，中间半桥子模块串输出U_csm2电压，低压侧全桥子模块串输出U_L电压向低压侧放电，故障阻断子模块串BLSM保持旁路输出0电压；

最后由状态4运行至状态3、状态2，进而回到状态1，以此循环运行，完成电能变换。

还包括双向直流侧故障阻断步骤：

无论变流器在何种状态下发生高压侧短路故障，保持高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关S_L状态不变，保持故障阻断子模块串的旁路状态不变，立即封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块，即有效抑制故障电流的流通；

还包括低压侧故障阻断步骤：

当低压侧短路故障发生于仅串联开关串S_L导通的时刻，故障后保持串联开关串S_H与S_L状态不变，保持故障阻断子模块串的旁路状态不变，立即封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块，即有效抑制故障电流的流通；

而当低压侧短路故障发生于仅S_H导通或S_H、S_L同时导通的状态下，保持串联开关串S_H与S_L状态不变，在封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块的基础上，封锁故障阻断子模块串的全部子模块，有效抑制故障电流的流通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器由四串子模块串，滤波电感以及串联开关串组成两种单极型变流器，当应用于单极型场合时，单极型变流器形成的串联结构与高压侧并联；当应用于双极型场合时，两个单极型变流器形成的串联结构方向相反串联后与高压侧并联。可实现中高压中大功率直流变换并具有双向直流故障阻断功能，适用于高压直流输电线路互联、海上风电接入、直流配电网以及全电船舶等领域。现有高压直流-直流变流器拓扑大多需要两相或三相结构才能正常运行，而本发明仅采用单相结构即实现了电能变换，相对现有拓扑有效减小了***所需的开关器件数量以及整体电容容值，进而有效减小了***的成本与体积。

附图说明

图1是本发明的一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的单极型拓扑图；

图2是本发明的一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的双极型拓扑图；

图3是本发明的一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的另一种单极型拓扑图；

图4是本发明的一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的另一种双极型拓扑图；

图5是本发明的运行过程对应的运行波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器，包含四串子模块串，滤波电感以及串联开关串。其中四串子模块串分别是高压侧全桥子模块串(HVSM)、故障阻断子模块串(BLSM)、中间半桥子模块串(MCSM)以及低压侧全桥子模块串(LVSM)；所需滤波电感包含电感L₁，L₂；串联开关串包括高压侧串联开关串S_H以及低压侧串联开关串S_L。

全部四个子模块串以及两个滤波电感串联形成串联结构后与高压侧并联，串联结构从上至下分别为滤波电感L₁，高压侧全桥子模块串(HVSM)，故障阻断子模块串(BLSM)，中间半桥子模块串(MCSM)，滤波电感L₂以及低压侧全桥子模块串(LVSM)。高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关串S_L的一端分别接于从中间半桥子模块串(MCSM)的正负两点，另一端直接相连形成半桥结构。半桥结构的中点为低压侧正极，低压侧全桥子模块串的负极为低压侧的负极。拓扑中高压侧全桥子模块串以及低压侧全桥子模块串由全桥子模块串联而成，中间半桥子模块串由半桥子模块串联而成，故障阻断子模块串由带有放电通路的半桥子模块串串联而成。

以功率由高压侧向低压侧传输为例，将此拓扑的运行原理阐释如下。下文中U_H表示高压侧电压，U_L表示低压侧电压。

状态1：当S_H导通，S_L关断时候，高压侧全桥子模块串输出U_H-U_L电压，故障阻断子模块串(BLSM)保持旁路输出0电压，中间半桥子模块串(MCSM)输出高电平U_CSM1，低压侧全桥子模块串输出-(U_CSM1-U_L)电压。此时高压侧经由高压侧全桥子模块串向低压侧输送能量，高压侧全桥子模块串充电。中间半桥子模块串向低压侧以及低压侧半桥子模块串放电。中间半桥子模块串放电，低压侧全桥子模块串充电。

状态2：保持S_H导通，S_L关断，同步改变中间半桥子模块串与低压侧全桥子模块串的输出电压。在保证二者输出电压之和为U_L的前提下，将中间半桥子模块串的半桥子模块逐个旁路，其输出电压由U_csm1变为0，同时将低压侧全桥子模块串的全桥子模块逐个旁路并输出相反电压，整体的输出电压由-(U_CSM1-U_L)变为U_L。至此***到达第二个状态，此时高压侧全桥子模块串输出U_H-U_L电压被充电，中间半桥子模块串输出0电压，低压侧全桥子模块串输出U_L电压向低压侧放电，故障阻断子模块串(BLSM)保持旁路输出0电压。串联开关串S_H与S_L的两端电压均为0，满足零电压软开关条件。

状态3：零电压导通S_L开关串，之后零电压关断S_H开关串，完成换流过程。

状态4：保持S_H关断，S_L导通。同步改变中间半桥子模块串与高压侧全桥子模块串的输出电压。在保证二者输出电压之和为U_H-U_L的前提下，将中间半桥子模块串的半桥子模块逐个接入，其输出电压由0变为U_csm2，同时将高压侧全桥子模块串的全桥子模块逐个旁路并输出相反电压，整体的输出电压由U_H-U_L变为-(U_csm2+U_L-U_H)。至此***到达第四个状态，此时高压侧全桥子模块串输出-(U_csm2+U_L-U_H)电压放电，中间半桥子模块串输出U_csm2电压，低压侧全桥子模块串输出U_L电压向低压侧放电，故障阻断子模块串(BLSM)保持旁路输出0电压。

同理，***可采用对应相反的运行规则由状态4运行至状态3、状态2，进而回到状态1。以此规则循环运行，***即可良好的完成电能变换的功能。

以上运行过程对应的运行波形图如所5示。

进一步对U_csm1与U_csm2的值进行推导。

在拓扑运行过程中流过高压侧全桥子模块的电流均为高压侧电流I_H，流过低压侧全桥子模块的电流均为I_L-I_H,其中I_L为低压电流，为保证I_H与I_L所含的纹波较小，因而在各个运行状态中流过高压侧全桥子模块串与低压侧全桥子模块串的电流基本不变。

依据所提拓扑的工作原理，为保证一个开关周期中高低压侧两个全桥子模块串的功率平衡，***应满足以下方程

式中D_rH表示高压侧全桥子模块串正电平单个边沿时间占总开关周期时间的比例；D_nH表示高压侧全桥子模块串负电平单个边沿时间占总开关周期时间的比例；同理，D_rL表示低压侧全桥子模块串正电平单个边沿时间占总开关周期时间的比例；D_nL表示低压侧全桥子模块串负电平单个边沿时间占总开关周期时间的比例；D_z表示一次换流过程中S_H与S_L同时导通时间占总开关周期时间的比例；D₁’表示低压侧全桥子模块串输出-(U_CSM1-U_L)电平的时间占总开关周期时间的比例；D₂’表示高压侧全桥子模块串输出-(U_csm2+U_L-U_H)电平的时间占总开关周期时间的比例。D₁’、D₂’、D_rH、D_nH、D_rL、D_nL以及D_z的定义如波形图所示。

不难看出

D′₁+D′₂+2D_z+2D_rH+2D_nH+2D_rL+2D_nL＝1

因而可推导出U_csm1与U_csm2的公式为

为满足中间半桥子模块串的功率平衡，***应满足如下方程

I_LVSMU_CSM1(D′₁+D_rL+D_nL)＝I_HVSMU_CSM2(D′₂+D_rH+D_nH)

式中I_HVSM为流过高压侧全桥子模块串的电流，I_LVSM为流过低压侧全桥子模块串的电流。通过对拓扑结构的分析可得如下两式

I_LVSM＝I_L-I_H

I_HVSM＝I_H

式中I_L表示低压侧流出电流，I_H表示高压侧输入电流，将上两式带入方程可得

由于P＝I_LU_L＝I_HU_H，因此

由于D_nL＜＜D′₁,D_rL＜＜D′₁,D_nH＜＜D′₂,D_rH＜＜D′₂，因而上式可化简为

此式表明当U_csm1与U_csm2按照式(1)输出时，变流器可维持高低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的功率平衡。不难看出，此拓扑的输入输出电压变比与占空比无关，在某一变比下D₁’可以随意选择，根据选择的D₁’计算出D₂’并按照公式(1)得到对应的U_csm1与U_csm2电压，并按照D₁’、D₂’、U_csm1与U_csm2以及选定的高压侧电压U_H与低压侧电压U_L产生各个子模块串与S_H，S_L串联开关串的驱动信号并驱动变流器的对应部分按照上述的运行规则运行，即可使得变流器工作在目标的输入输出电压下。D1’的选取一般要考虑***的成本与直流故障阻断性能。

进一步对所述拓扑的故障阻断功能进行阐释。本发明具有双向直流侧故障阻断功能。

首先对高压侧故障阻断功能进行阐释。由之前的分析可知，在***正常运行时高压侧全桥子模块所需输出的电平为(U_H-U_L)与(U_csm2+U_L-U_H)，为保证***具有高压侧直流故障阻断功能需保证高压侧全桥子模块串至少含有能提供U_L电压的全桥子模块，当U_L<＝U_H/2时，高压侧全桥子模块串需要输出的高电平电压U_H-U_L大于U_L，满足要求。而当U_L>U_H/2时，需要U_csm2+U_L-U_H>＝U_L，即U_csm2>＝U_H，一般选取的D₁’均可使得U_csm2满足此要求。此时无论变流器在何种状态下发生高压侧短路故障，保持串联开关串S_H与S_L状态不变，保持故障阻断子模块串的旁路状态不变，立即封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块，即可有效抑制故障电流的流通。

而当低压侧出现短路故障时，具体保护措施与变流器的运行状态有关。

若故障发生于仅串联开关串S_L导通的时刻，则保持串联开关串S_H与S_L状态不变，保持故障阻断子模块串的旁路状态不变，立即封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块，即可有效抑制故障电流的流通，此时高压侧全桥子模块串与中间半桥子模块串一同输出U_H电压来抑制故障电流的流通。

而若故障发生于仅S_H导通或S_H、S_L同时导通的状态下，则依然需要保持串联开关串S_H与S_L状态不变，并在封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块的基础上，进一步封锁故障阻断子模块串的全部子模块，才可有效抑制故障电流的流通。当故障发生于仅S_H导通时，高压侧全桥子模块串与故障阻断子模块串一同输出U_H电压来抑制故障电流的流通。而当故障发生于S_H、S_L同时导通时，高压侧全桥子模块串、故障阻断子模块串以及中间半桥子模块串一同输出U_H电压来抑制故障电流的流通。

故故障阻断子模块串所需输出的电压为U_H-max(U_H-U_L,U_csm2+U_L-U_H)，此时其与高压侧全桥子模块串才能一同输出U_H的电压。另外故障阻断子模块串在抑制故障的过程中将吸收一定的电能，使得其子模块的电容电压略微上升，在下一次故障来临前需要将其电容电压恢复至初始值。当变流器的功率由低压侧传输至高压侧时候，故障阻断子模块串可通过主电路向高压侧放电，但当功率由高压侧传输至低压侧时，其无法通过主电路放电，则需要通过各个子模块的辅助放电支路进行放电。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，包括给出图1的基础拓扑和图2～图4的转换拓扑结构。

实施例1

如图1所示，本发明一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的单极型拓扑图，包括四串子模块串，滤波电感以及串联开关串。其中四串子模块串分别是高压侧全桥子模块串(HVSM)、故障阻断子模块串(BLSM)、中间半桥子模块串(MCSM)以及低压侧全桥子模块串(LVSM)；所需滤波电感包含电感L₁，L₂；串联开关串包括高压侧串联开关串S_H以及低压侧串联开关串S_L。

高压侧全桥子模块串HVSM与低压侧全桥子模块串均由多个全桥子模块(FullBridge,FB)串联而成，全桥子模块结构如图1中FB所示，可见其由四个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT)与一个电容构成，其两个输出点分别位于两个桥臂的中点。高压侧全桥子模块串在S_H导通时从高压侧吸收电能并在S_L导通时向中间半桥子模块串释放电能。反之低压侧全桥子模块串在S_H导通时从中间半桥子模块串吸收电能，而在S_L导通时向低压侧释放电能。通过逐个切换单个全桥子模块的状态实现输出电平的变化，并配合中间半桥子模块串实现S_H，S_L两串联可控开关串的零电压软开关。

中间半桥子模块串MCSM由多个半桥子模块(Half Bridge,HB)串联而成，半桥子模块的结构图如图1中HB所示，可见其由两个IGBT与一个电容构成，其两个输出点分别位于桥臂中点与电容负端。中间半桥子模块串MCSM在S_H导通时向低压侧与低压侧全桥子模块串释放电能，在S_L导通时从高压侧以及高压侧全桥子模块串吸收电能。

故障阻断子模块串BLSM由多个故障保护子模块(Blocking cell,BL)串联而成，故障保护子模块的结构图如图1中BL所示，可见其在半桥子模块的基础上增加了电容放电支路以实现在故障保护后恢复电容电压至额定值。故障阻断子模块串仅在低压侧短路故障发生于变流器串联开关串S_H单独导通或串联开关串S_H、S_L同时导通时才需要接入抑制故障电流的流通，其余情况均保持旁路状态。

串联开关串S_H,S_L由多个IGBT直接串联而成以实现更高的耐压水平，由于在拓扑运行的过程中实现了S_H与S_L的零电压软开关，因而两串联开关串不存在动态均压问题，易于工程实现。

实施例2

本发明的一种具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器应用于双极型场合时的一种拓扑结构图示于附图2。双极型结构由上下两个单极型变流器组合而成，两单极型变流器的高压侧正极分别为U_H ⁺与U_H ^-，低压侧正极分别为U_L ⁺与U_L ^-，高低压侧负极相连均接于大地。单个单极型变流器的运行原理与前文所述一致。双极型拓扑结构相对单极型结构存在上下换流时刻的相位位移角θ，也即上下变流器串联开关串S_H1与S_H2驱动信号间相差的相位。由于正常情况下上下两变流器的换流过程与换流时间是一致的，因而S_H1与S_H2驱动信号间相差的相位与S_L1与S_L2驱动信号间相差的相位相同，均为θ。

设置不同的θ角将影响双极性拓扑的故障阻断能力以及输入输出极对极间电压的纹波。若通过设置θ角，使得上变流器中S_H1与S_L1同时导通的时刻不与下变流器中S_H2与S_L2同时导通的时刻重合，则当双极型拓扑发生低压侧极对极短路故障时，只要上下两变流器高压侧全桥子模块串的整体输出电压max(U_H-U_L,U_csm2+U_L-U_H)大于U_H/2，即可在无需故障阻断子模块串接入的情况下实现故障阻断。因而此时仅当低压侧发生单极对地故障且故障时刻为对应变流器S_H单独导通或S_H与S_L同时导通的状态时，对应变流器的故障阻断子模块串才需要动作来抑制故障电流的流通。并且由于整体拓扑为双极型结构，当一极发生故障时不会影响另一极的运行。

另外调节θ角同时可以改变高压侧与低压侧极对极间电压的纹波含量，选择恰当的θ角将有效减少高压侧与低压侧极对极间电压的纹波值，进一步提升电能质量。

实施例3

本发明的具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的另一种单极型拓扑结构图示于附图3。可见其结构与附图1中基本一致，只是故障阻断子模块串的位置从与高压侧全桥子模块串HVSM串联改至与串联开关串S_H串联。同时注意到对于附图3结构中的故障阻断子模块有两种可选形式，其主要区别在于电容电压的放电电阻不同，故障阻断子模块的1号结构中放电电阻为R_s，而2号结构的放电电阻为R_d，二者的区别将在下文进行阐释。两种故障阻断子模块中的S₁开关均控制子模块的接入与否，而S₂开关负责在故障清除后将电容电压放电至额定值，S₂在正常情况下保持断开状态。由于S₁开关以及与其串联的二极管决定了***的故障清除速度，因而S₁必须要使用快速开关的电力半导体器件，如IGBT。而2号结构中的S₂开关对于速度的要求并不高，因而也可使用继电器等开关来实现。

附图3结构与附图1结构在正常运行时的运行过程是基本一致的，只是附图三结构中的故障阻断子模块串在未发生故障时，其子模块中的S₁开关作为串联开关串S_H的一个串联开关运行。同时当发生高压侧短路故障或低压侧短路故障发生于S_L单独导通时，此时故障阻断子模块串无需动作，因而故障阻断子模块的S₁开关依然按照S_H的一个串联开关运行。而当低压侧发生短路故障且故障发生于串联开关串S_H单独导通或S_H、S_L同时导通时，***需要动作故障阻断子模块来抑制故障电流的流通，此时故障阻断子模块的S1开关不再按照S_H的串联开关运行，故障发生后，保持S_H、S_L开关串的状态不变，立即封锁全部子模块串的IGBT，也就包括各个故障阻断子模块的S₁开关，因而故障保护子模块串接入，抑制故障电流的流通。

由于在清除故障的过程中故障阻断子模块的电容电压将会有一定程度的升高，为防止其在运行过程中超出允许范围需要对电容电压进行泄放。如前文所述，当功率由高压侧将低压侧传输时，故障阻断子模块无法通过主电路泄放电压，因而需要在子模块内设置放电电阻。在附图3的拓扑结构中故障阻断子模块串复用了S₁串联开关串的开关器件，因而此时S₁开关兼具了S_H串联开关器件的功能,而为了实现串联开关器件的静态均压，工程中往往使用静态均压电阻来实现，如故障阻断子模块中与S₁开关并联的电阻R_s所示。因而1号故障阻断子模块形式即为使用静态均压电阻R_s作为放电电阻来对电容放电，在故障清除后关断S₁开关，导通子模块的S₂开关即可降低电容电压。而2号故障阻断子模块形式则使用单独的放电电阻R_d来放电。对比两种形式不难看出1号形式所需的开关器件少、电阻少，因而成本较低，但其问题是在选定静态均压电阻时需要同时考虑静态均压效果与放电效果，因而阻值较难确定。在2号形式中将这两个问题分别对应两个电阻，因而阻值设计较为简单。另外，1号形式的子模块在S₁开关导通时无法进行放电，因而***需要在电容放电完成后再重新上电运行或者在电路运行于S₁开关关断的间隙才可导通S₂进行放电操作。而对于2号形式的子模块，其电容放电与否仅受S₂开关的影响而与S₁状态无关，因而在使用2号形式的子模块时，可在***重新上电的过程中持续使用S₂开关来对电容放电而不会影响***的运行，显然此种方式减少了放电对***的影响，提升了***故障重启的速度。

不难看出附图3的结构相对附图1的根本变化是故障阻断子模块串复用了串联开关串S_H的串联开关作为故障阻断子模块的S₁开关。此种方式进一步减小了拓扑所需的开关器件数量，减少了主电路内流经大电流的开关器件数量，进而减小了***的导通损耗，提高的***的效率。

实施例4

本发明的具有直流故障阻断功能的非隔离型高压直流-直流变流器的另一种双极型拓扑结构图示于附图4。附图4的双极型结构由两个附图3的单极型结构组合而成，组合方式与附图1形成附图2的方式相同。两单极型变流器的高压侧正极分别为U_H ⁺与U_H ^-，低压侧正极分别为U_L ⁺与U_L ^-，高低压侧负极相连均接于大地。单个附图3单极型变流器的运行原理与前文所述一致。附图4的双极型拓扑结构同样存在上下换流时刻的相位位移角θ，通过选择适当的相位位移角θ同样可增强拓扑的故障阻断性能并削减输入输出极对极间电压的纹波。

以上内容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，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，包括至少一单极型变流器，所述单极型变流器包括四串子模块串、滤波电感以及串联开关串；

其中，四串子模块串为高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM以及低压侧全桥子模块串LVSM；滤波电感包含滤波电感L₁、滤波电感L₂；串联开关串包括高压侧串联开关串S_H以及低压侧串联开关串S_L；

滤波电感L₁、及高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM、滤波电感L₂以及低压侧全桥子模块串LVSM依次串联形成串联结构；

高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关串S_L的一端分别接于从中间半桥子模块串MCSM的正负两点，另一端直接相连形成半桥结构；半桥结构的中点为低压侧正极，低压侧全桥子模块串的负极为低压侧的负极。

2.一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，包括至少一单极型变流器，所述单极型变流器包括四串子模块串、滤波电感以及串联开关串；

其中，四串子模块串为高压侧全桥子模块串HVSM、故障阻断子模块串BLSM、中间半桥子模块串MCSM以及低压侧全桥子模块串LVSM；滤波电感包含滤波电感L₁、滤波电感L₂；串联开关串包括高压侧串联开关串S_H以及低压侧串联开关串S_L；

滤波电感L₁、及高压侧全桥子模块串HVSM、中间半桥子模块串MCSM、滤波电感L₂以及低压侧全桥子模块串LVSM依次串联形成串联结构；

高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关串S_L的一端分别接于从中间半桥子模块串MCSM的正负两点，高压侧串联开关串S_H、故障阻断子模块串BLSM串联后另一端与低压侧串联开关串S_L另一端直接相连形成半桥结构，半桥结构的中点为低压侧正极，低压侧全桥子模块串的负极为低压侧的负极。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，当应用于单极型场合时，单极型变流器形成的串联结构与高压侧并联；

当应用于双极型场合时，两个单极型变流器形成的串联结构方向相反串联后与高压侧并联。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，所述高压侧全桥子模块串HVSM与低压侧全桥子模块串LVSM均由多个全桥子模块FB串联而成；全桥子模块FB由四个IGBT与一个电容构成，四个IGBT两两串联之后与电容并联，形成两个桥臂，其两个输出点分别位于两个桥臂的中点。

5.根据权利要求1或2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，所述中间半桥子模块串MCSM由多个半桥子模块HB串联而成，半桥子模块HB由两个IGBT与一个电容构成，两个IGBT串联之后与电容并联，形成一个半桥桥臂，其两个输出点分别位于桥臂中点与电容负端。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，所述故障阻断子模块串BLSM由多个故障保护子模块BL串联而成，故障保护子模块BL由两个IGBT、一个电阻、一个二极管与一个电容构成，二极管与一个IGBT串联，形成高管为二极管，低管为IGBT的半桥桥臂后与电容并联，同时另一个IGBT与电阻串联后也与电容相并联，其两个输出点分别位于含有二极管桥臂的中点与电容负端。

7.根据权利要求1或2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，所述串联开关串S_H,S_L由多个IGBT直接串联而成。

8.根据权利要求2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器，其特征在于，所述故障阻断子模块串BLSM由多个故障保护子模块BL串联而成，故障保护子模块BL由两个IGBT、一个电阻与一个电容构成，两IGBT串联后形成半桥结构并与电容相并联，电阻与低管IGBT并联，子模块的两个输出点分别位于桥臂中点与电容负端。

9.权利要求1或2所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

状态1：当高压侧串联开关S_H导通，低压侧串联开关S_L关断时候，高压侧全桥子模块串输出U_H-U_L电压，故障阻断子模块串BLSM保持旁路输出0电压，中间半桥子模块串MCSM输出高电平U_CSM1，低压侧全桥子模块串输出-(U_CSM1-U_L)电压；此时高压侧经由高压侧全桥子模块串向低压侧输送能量，高压侧全桥子模块串充电；中间半桥子模块串向低压侧以及低压侧半桥子模块串放电，中间半桥子模块串放电，低压侧全桥子模块串充电；

状态2：保持高压侧串联开关S_H导通，低压侧串联开关S_L关断，同步改变中间半桥子模块串与低压侧全桥子模块串的输出电压；在保证二者输出电压之和为U_L的前提下，将中间半桥子模块串的半桥子模块逐个旁路，其输出电压由U_csm1变为0，同时将低压侧全桥子模块串的全桥子模块逐个旁路并输出相反电压，整体的输出电压由-(U_CSM1-U_L)变为U_L；高压侧全桥子模块串输出U_H-U_L电压被充电，中间半桥子模块串输出0电压，低压侧全桥子模块串输出U_L电压向低压侧放电，故障阻断子模块串BLSM保持旁路输出0电压；串联开关串S_H与S_L的两端电压均为0，满足零电压软开关条件；

状态3：零电压导通S_L开关串，之后零电压关断高压侧串联开关S_H开关串，完成换流过程；

状态4：保持高压侧串联开关S_H关断，低压侧串联开关S_L导通；同步改变中间半桥子模块串与高压侧全桥子模块串的输出电压；在保证二者输出电压之和为U_H-U_L的前提下，将中间半桥子模块串的半桥子模块逐个接入，其输出电压由0变为U_csm2，同时将高压侧全桥子模块串的全桥子模块逐个旁路并输出相反电压，整体的输出电压由U_H-U_L变为-(U_csm2+U_L-U_H)；高压侧全桥子模块串输出-(U_csm2+U_L-U_H)电压放电，中间半桥子模块串输出U_csm2电压，低压侧全桥子模块串输出U_L电压向低压侧放电，故障阻断子模块串BLSM保持旁路输出0电压；

最后由状态4运行至状态3、状态2，进而回到状态1，以此循环运行，完成电能变换。

10.权利要求9所述的一种具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器的控制方法，其特征在于，还包括双向直流侧故障阻断步骤：

无论变流器在何种状态下发生高压侧短路故障，保持高压侧串联开关串S_H与低压侧串联开关S_L状态不变，保持故障阻断子模块串的旁路状态不变，立即封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块，即有效抑制故障电流的流通；

还包括低压侧故障阻断步骤：

当低压侧短路故障发生于仅串联开关串S_L导通的时刻，故障后保持串联开关串S_H与S_L状态不变，保持故障阻断子模块串的旁路状态不变，立即封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块，即有效抑制故障电流的流通；

而当低压侧短路故障发生于仅S_H导通或S_H、S_L同时导通的状态下，保持串联开关串S_H与S_L状态不变，在封锁高压侧全桥子模块串、低压侧全桥子模块串以及中间半桥子模块串的全部子模块的基础上，封锁故障阻断子模块串的全部子模块，有效抑制故障电流的流通。

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