CN108322056B - 一种模块化高压直流变换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化高压直流变换装置，由n台直流变换单元构成，n为正整数，n≥2，所述n台直流变换单元的输入端串联连接、输出端并联连接；所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；所述的直流变换单元由输入端旁路开关K1、第一熔丝F1、第一电阻R1、第一电容C1，隔离型DC/DC变换器，输出端熔丝F2、第二电容C2组成。本发明还提供了相应的控制方法，当任意一台直流变换单元内部出现故障时，控制该单元的隔离型DC/DC变换器闭锁退出运行，由剩余正常工作的直流变换单元串联保持系统正常运行。本发明提供的一种子单元冗余设计方案，提高了高压直流变换装置的运行可靠性。

Description

一种模块化高压直流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，涉及一种高可靠性工作的模块化高压直流电能变换装置及其控制方法。

背景技术

为了推动直流配电应用的发展，需要研究具有和交流隔离变压器功能类似的直流变压设备，将高压直流电转换成隔离的满足配电设备要求的低压直流电。基于输入串联输出并联的模块化DC/DC变换拓扑结构获得了业界的广泛关注和研究。

该方案具有半导体器件电压电流应力小、成本低等优点，而且模块化架构容量可扩展性强，对于不同电压、不同容量的应用场合只需要调整串并联模块个数即可。但该架构目前也存在问题：子模块不能实现故障冗余设计。当直流变换装置子单元模块发生内部故障时，整个直流变换装置都要停运，所以可靠性较低，制约了设备在输配电领域的大规模工程应用。

中国专利CN200810024744.1涉及了一种基于全桥拓扑结构输入串联输出并联直流变压器，采用功率模块串并联结构解决高压输入半导体均压的问题。但是，该专利不具备冗余功能、可靠性低。

中国专利CN201510097371.0一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，但是该方法增加半桥带来了装置成本的增加，同时降低了整体效率。

可见，目前高压直流变换装置方案的缺点是：当某一台直流变换单元故障时，若将其高压输入端的直流电容旁路，会直接导致直流电容短路放电，放电电流无穷大且能量无处泄放，导致电容等元件损坏及系统停运，难以实现主电路部分的故障冗余及高可靠性运行。或者，实现冗余采用的技术手段导致装置成本增加，同时降低了整体效率。

发明内容

本发明的目的是：提供一种模块化高压直流变换装置，其内部子单元能够以较低的成本实现故障冗余设计，提高装置的工作可靠性，并提供相应的控制方法。

本发明的技术方案是：一种模块化高压直流变换装置，由n台直流变换单元构成，n为正整数，n≥2，所述n台直流变换单元的输入端串联连接、输出端并联连接；所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；所述的直流变换单元由输入端旁路开关K1、第一熔丝F1、第一电阻R1、第一电容C1，隔离型DC/DC变换器，输出端熔丝F2、第二电容C2组成；所述输入端旁路开关K1并联于单元输入端；第一熔丝F1一端与输入端旁路开关K1的第一端连接，另一端与第一电容C1的第一端连接；第一电容C1的第二端与输入端旁路开关K1的第二端连接；第一电阻R1与第一电容C1并联；隔离型DC/DC变换器一端与第一电容C1并联，另一端经串联熔丝F2与第二电容C2并联；第二电容C2并联于单元输出端。

进一步地，所述的隔离型DC/DC变换器作用为完成输入端与输出端的电压变换和电气隔离，当该直流变换单元内部发生故障时，控制其内部半导体器件闭锁。

进一步地，所述的隔离型DC/DC变换器通过开环或者闭环控制策略，控制自身传输的功率或者输出端电压。

进一步地，所述的输入端旁路开关K1在直流变换单元正常工作时处于分开状态，能量通过隔离型DC/DC变换器在输入端和输出端传递，当该直流变换单元内部发生故障时，控制输入端旁路开关K1闭合，使第一电容C1通过第一熔丝F1短路放电，第一熔丝F1过流熔断，系统电流通过输入端旁路开关K1流过，隔离型DC/DC变换器退出运行，第一电容C1储存的电能通过第一电阻R1释放。

进一步地，所述输出端熔丝F2实现隔离型DC/DC变换器的过流保护；当隔离型DC/DC变换器内部发生短路故障时，第二电容C2通过熔丝F2放电，熔丝F2过流熔断，切断放电回路，从而实现对隔离型DC/DC变换器过流保护。

本发明还提供一种模块化高压直流变换装置的控制方法：

a)所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；

b)正常工作情况下，各直流变换单元中输入端旁路开关K1均处于分开状态，输入端电压由串联连接的直流变换单元共同承担，输出端电压通过控制策略维持在期望值电压；

c)当任意一台直流变换单元内部出现故障时，控制该单元隔离型DC/DC变换器内部的半导体器件闭锁，控制输入端旁路开关K1闭合，随后第一熔丝F1过流熔断，系统电流通过输入端旁路开关K1流过，发生故障的隔离型DC/DC变换器退出运行，第一电容C1储存的电能通过第一电阻R1释放；

d)输入端直流电压由剩余正常工作的直流变换单元串联承担，输出端电压通过控制策略维持在期望值电压；

e)当所述n台直流变换单元中故障单元个数超过冗余上限k台时，高压直流变换装置停运。

因此，与现有的模块化高压直流变换装置相比，本发明的有效益处是：

(1)提出了一种经济有效的子单元模块冗余设计方案，可以实现高压直流变换装置内部部分单元出现故障时，控制输入端旁路开关K1闭合，使第一电容C1通过第一熔丝F1短路放电，第一熔丝F1过流熔断，系统电流通过输入端旁路开关K1流过，发生故障的隔离型DC/DC变换器退出运行，正常单元依然可以正常持续运行，避免了整个直流变换装置故障停机，提高了供电可靠性，尤其适用于对可靠性要求较高的10kV以上的高压直流输配电领域。

(2)提出了一种通过在输出端电容和隔离型DC/DC变换器之间配置熔丝F2来实现对隔离型DC/DC变换器短路故障的保护方案，当隔离型DC/DC变换器内部发生短路故障时，第二电容C2通过熔丝F2放电，熔丝F2过流熔断，切断放电回路，从而实现对隔离型DC/DC变换器过流保护。

(3)仅通过增加成本较低的熔丝和旁路开关即可实现对整个直流变换装置可靠性的提升，简单实用，性价比高，符合实际工程大量推广的需求。

附图说明

图1是本发明的模块化高压直流变换装置主电路原理图；

图2是本发明的模块化高压直流变换装置一种实施例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的模块化高压直流变换装置主电路原理图如图1所示，由n台直流变换单元构成，n为正整数，n≥2，所述n台直流变换单元的输入端串联连接、输出端并联连接；所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；所述的直流变换单元由输入端旁路开关K1、第一熔丝F1、第一电阻R1、第一电容C1，隔离型DC/DC变换器，输出端熔丝F2、第二电容C2组成；所述输入端旁路开关K1并联于单元输入端；第一熔丝F1一端与输入端旁路开关K1的第一端连接，另一端与第一电容C1的第一端连接；第一电容C1的第二端与输入端旁路开关K1的第二端连接；第一电阻R1与第一电容C1并联；隔离型DC/DC变换器一端与第一电容C1并联，另一端经串联熔丝F2与第二电容C2并联；第二电容C2并联于单元输出端。

图2提供了一种本发明的实施例图，直流变换单元由输入端旁路开关K1、第一熔丝F1、第一电阻R1、第一电容C1，隔离型DC/DC变换器，输出端熔丝F2、第二电容C2组成，其中隔离型DC/DC变换器采用双有源全桥直流变换器(dual active bridge，DAB)，主要由半导体器件Q1～Q8、高频变压器T1和无源元件Z1组成。直流变换单元具体连接方式是：第一电阻R1与第一电容C1并联，第一电容C1的正端、半导体器件Q1的集电极、半导体器件Q3的集电极相连接于双有源全桥变换单元的正输入端，第一电容C1的负端、半导体器件Q2的发射极、半导体器件Q4的发射极相连接于双有源全桥变换单元的负输入端，半导体器件Q1的发射极和半导体器件Q2的集电极相连接于a连接点，半导体器件Q3的发射极和半导体器件Q4的集电极相连接于b连接点，电阻R2与第二电容C2并联，熔丝F2的一端与半导体器件Q7的集电极连接，另一端与第二电容C2正端相连，半导体器件Q5的集电极、半导体器件Q7的集电极相连接于熔丝F2的一端，第二电容C2的负端、半导体器件Q6的发射极、半导体器件Q8的发射极相连接于双有源全桥变换单元的负输出端，半导体器件Q5的发射极和半导体器件Q6的集电极相连接于c连接点，半导体器件Q7的发射极和半导体器件Q8的集电极相连接于d连接点，a连接点、b连接点与无源元件Z1的输入端相连接，无源元件Z1的输出端与高频变压器T1的输入端相连接，高频变压器T1的输出端与连接点c、连接点d相连接。

输入端旁路开关K1在直流变换单元正常工作时处于分开状态，当该直流变换单元发生内部故障时，控制其闭合，使输入端第一电容C1通过第一熔丝F1短路放电，第一熔丝F1过流熔断，该子单元退出运行，第一电容C1储存的剩余电能在均压第一电阻R1上释放完毕。

输出端熔丝F2可以实现双有源全桥直流变换器并联输出端模块的过流保护，当输出端并联模块内部发生正负极间短路时，第二电容C2通过熔丝F2放电，熔丝F2过流熔断，切断放电回路，实现对模块的保护。

本发明的一种模块化高压直流变换装置的控制方法：

a)所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；

b)正常工作情况下，各直流变换单元中输入端旁路开关K1均处于分开状态，输入端电压由串联连接的直流变换单元共同承担，输出端电压通过控制策略维持在期望值电压；

c)当任意一台直流变换单元内部出现故障时，控制该单元隔离型DC/DC变换器内部的半导体器件闭锁，控制输入端旁路开关K1闭合，随后第一熔丝F1过流熔断，系统电流通过输入端旁路开关K1流过，发生故障的隔离型DC/DC变换器退出运行，第一电容C1储存的电能通过第一电阻R1释放；

d)输入端直流电压由剩余正常工作的直流变换单元串联承担，输出端电压通过控制策略维持在期望值电压；

e)当所述n台直流变换单元中故障单元个数超过冗余上限k台时，高压直流变换装置停运。

以一个±10kV/750V的模块化高压直流变换装置为例进一步说明本发明的具体实施方式：输入端直流电压20kV，输出端直流电压为750V,共有22个直流变换单元，即n＝22，其中设置2个冗余单元，即k＝2。

1)正常工作情况下，22台直流变换单元中输入端旁路开关K1均处于分开状态，输入端20kV电压由22台串联连接的直流变换单元共同承担，每个单元输入端电压为20kV/22＝909V，输出端电压采用闭环控制策略稳定在额定输出电压750V附近；

2)当任意1台直流变换单元内部出现故障时，控制该单元的半导体器件Q1～Q8闭锁，控制输入端旁路开关K1闭合，随后第一熔丝F1过流熔断，故障单元退出运行，输出端电流从故障单元旁路开关流过；

3)输入端20kV直流电压由剩余21个正常工作单元串联承担，每个单元输入端电压为20kV/21＝952V，并联输出端电压经过暂态上升，经闭环控制调节回到额定输出电压750V附近，此处闭环控制可以采用移相控制、变频控制等控制策略；

4)同理，当另外任意1台直流变换单元内部出现故障时，输入端20kV直流电压由剩余20个正常工作单元串联承担，每个单元输入端电压为20kV/20＝1kV，并联输出端电压经过暂态上升，经闭环控制调节回到额定输出电压750V附近；

5)此时故障单元个数2已经达到了冗余设计值k＝2个，当再有新增故障直流变换单元时，故障单元个数超过冗余上限，高压直流变换装置停运。

上述方法中冗余单元数量k可根据实际情况进行选择，k越大，系统可靠性越高，但是系统成本也会增加，当冗余耗尽，也即k个模块旁路后，系统输入端电压将由n-k个模块承担，此电压不能超过半导体器件Q1～Q4的耐受电压。

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 (1)

1.一种模块化高压直流变换装置的控制方法，其特征在于，所述的模块化高压直流变换装置，由n台直流变换单元构成，n为正整数，n≥2，所述n台直流变换单元的输入端串联连接、输出端并联连接；所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；所述的直流变换单元由输入端旁路开关K1、第一熔丝F1、第一电阻R1、第一电容C1，隔离型DC/DC变换器，输出端熔丝F2、第二电容C2组成；所述输入端旁路开关K1并联于单元输入端；第一熔丝F1一端与输入端旁路开关K1的第一端连接，另一端与第一电容C1的第一端连接；第一电容C1的第二端与输入端旁路开关K1的第二端连接；第一电阻R1与第一电容C1并联；隔离型DC/DC变换器一端与第一电容C1并联，另一端经串联熔丝F2与第二电容C2并联；第二电容C2并联于单元输出端；

所述控制方法为：

a)所述n台直流变换单元中有k台为冗余单元，其中0≤k＜n；

b)正常工作情况下，各直流变换单元中输入端旁路开关K1均处于分开状态，输入端电压由串联连接的直流变换单元共同承担，输出端电压通过控制策略维持在期望值电压；

c)当任意一台直流变换单元内部出现故障时，控制该单元隔离型DC/DC变换器内部的半导体器件闭锁，控制输入端旁路开关K1闭合，随后第一熔丝F1过流熔断，系统电流通过输入端旁路开关K1流过，发生故障的隔离型DC/DC变换器退出运行，第一电容C1储存的电能通过第一电阻R1释放；

d)输入端直流电压由剩余正常工作的直流变换单元串联承担，输出端电压通过控制策略维持在期望值电压；

e)当所述n台直流变换单元中故障单元个数超过冗余上限k台时，高压直流变换装置停运。

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