CN110323933B - 具有故障阻断能力的柔性直流输电dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器及其故障保护方法，所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22、半桥子模块串、电感L，半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN；晶闸管串T11和T21反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SM1的输入级相连；晶闸管串T12和T22反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SM1输入级相连；半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连；电感L的第二端同时与直流低压侧负极和直流高压侧负极相连。本发明解决了现有非隔离型高压DC/DC变换器缺少容错和故障处理的问题。

Description

具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，涉及一种具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器。
背景技术
由于高压直流输电在长距离、地下或水下的损耗比交流输电低，到目前为止，全球已安装了上百个高压直流输电项目。特别是基于模块化多电平电压源变换器技术的出现，使得柔性直流输电在海上风电场集成和非同步交流系统互联方面得到了广泛的应用。
研究人员采用模块化多电平直流换流器使模块化多电平换流器直接输出直流电压，形成单级电路结构的非隔离型DC/DC变换器。该类DC/DC变换器能够省去隔离型DC/DC变换器不可避免的交流变压器。然而，为了维持上、下桥臂子模块电容电压的稳定，该类DC/DC变换器需要注入高幅值的交流电压和环流以实现桥臂间的功率交换以及输出侧需要安装极为笨重的滤波装置，这导致器件应力和损耗均明显增大，变换器的体积过大。除此之外，该类DC/DC变换器一般缺少容错和故障处理功能，当直流高压侧或者低压侧出现短路故障时，不能有效保护整个装置，可靠性较低。最后，该类变换器其开关管大多采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，价格较高，效率有所限制。
发明内容
为了解决现有非隔离型高压DC/DC变换器存在成本高、体积大、缺少容错和故障阻断的问题，本发明提供了一种具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有故障阻断能力的直流输电DC/DC变换器，包括晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22、半桥子模块串、电感L，其中：
所述晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22的电路结构均相同，每个晶闸管串均包括多个正向串联的晶闸管；
所述半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；
所述晶闸管串T11和晶闸管串T21反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SM1的输入级相连；
所述晶闸管串T12和晶闸管串T22反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SM1输入级相连；
所述半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连；
所述电感L的第二端同时与直流低压侧负极和直流高压侧负极相连。
一种利用上述具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器进行故障保护的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22的通断状态；
步骤二、控制半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡；
步骤三、根据直流高压侧电压和直流低压侧电压的状态以及晶闸管串的开关状态，进而在出现故障时控制系统的工作状态，实现故障阻断功能。
本发明具有如下优点：
1、本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器在故障保护方法的控制下，使半桥子模块串在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输的过程中相应地进行充电或放电，进而实现柔性直流输电的DC/DC变换。
2、与现有的非隔离型高压DC/DC变换器相比，本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器在故障发生后快速的闭锁子模块信号以及晶闸管触发信号，防止对设备造成损坏，能有效的进行故障处理和避免低压侧直流电压正极与高压侧直流电压正极出现直通的情况。
3、本发明采用晶闸管串作为换流阀，成本低，串联技术比较成熟。因此，本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器成本低、体积小，并且能够有效地解决现有非隔离型高压DC/DC变换器的缺少容错和故障处理的问题。
附图说明
图1为本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器的电路原理图，其中，iL为直流低压侧实际电流信号，ip为半桥子模块串实际电流信号，iH为直流高压侧实际电流信号，uP为半桥子模块串两端的实际电压，UL为直流低压侧电压，UH为直流高压侧电压；
图2为晶闸管串的电路原理图；
图3为半桥子模块的电路原理图；
图4为本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器的控制原理框图，其中，Pref为功率参考信号，UC_ref为半桥子模块电容电压均值参考信号，UC_avg为半桥子模块电容电压均值，PI为比例积分调节器，iH_ref为直流高压侧电流参考信号，iL_ref表示直流低压侧电流参考信号，iP_ref为半桥子模块串电流参考信号，uP_PI为半桥子模块串电流参考信号与实际电流信号差值经PI调节器输出的电压信号，uR为关断晶闸管所需的反向电压参考信号，uP_ref为半桥子模块串电压控制信号，UL_th为低压侧短路阈值电压参考信号，UH_th为高压侧短路阈值电压参考信号，Ith为判断晶闸管关断的阈值电流参考信号，i为流过关断晶闸管的电流；
图5为本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器在不同功率方向时的工作原理示意图，其中，图5(a)为能量由低压侧向高压侧传递(P>0)的工作原理示意图，图5(b)为能量由高压侧向低压侧传递(P<0)的工作原理示意图；
图6为三相DC/DC变换器并联的衍生拓扑结构的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器，如图1所示，所述直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22、半桥子模块串、电感L，其中：
所述晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22的电路结构均相同，每个晶闸管串均包括多个正向串联的晶闸管；
所述半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN(N的取值根据具体电压值来定)，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；
所述晶闸管串T11和晶闸管串T21反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SM1的输入级相连；
所述晶闸管串T12和晶闸管串T22反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SM1输入级相连；
所述半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连；
所述电感L的第二端同时与直流低压侧负极和直流高压侧负极相连。
本发明中，所述晶闸管串T11为升压充电晶闸管串，晶闸管串T12升压放电晶闸管串，晶闸管串T22为降压充电晶闸管串，晶闸管串T21为降压放电晶闸管串，晶闸管串的电路原理图如图2所示。
本发明中，所述半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。如图3所示，半桥子模块包括第一全控型器件IGBT1、第二全控型器件IGBT2和电容C，第一全控型器件IGBT1与第二全控型器件IGBT2串联，电容C与串联的第一全控型器件IGBT1和第二全控型器件IGBT2并联。
本发明提供了一种利用上述具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器进行故障保护的方法，如图4所示，所述方法包括如下步骤：
步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22的通断状态，具体步骤如下：
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输(P>0)时，将晶闸管串T11、晶闸管串T12进行控制开关状态，而晶闸管串T21、晶闸管串T22始终设置为关断状态；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输(P<0)时，将晶闸管串T21、晶闸管串T22进行控制开关状态，而晶闸管串T11、晶闸管串T12始终设置为关断状态。
步骤二、控制半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡，具体步骤如下：
步骤二一、采用功率控制的方式生成直流高压侧电流参考信号；
步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节直流低压侧电流参考信号，以使半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电容电压均值等于电容电压参考均值；
步骤二三、将直流高压侧电流参考信号与调节后的直流低压侧电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；
步骤二四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；
步骤二五、将比例积分调节器输出的电压信号与关断晶闸管串所需的反压参考信号叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串的电压参考信号；
步骤二六、基于半桥子模块串电压参考信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的驱动信号。
步骤三、根据直流高压侧电压和直流低压侧电压的状态以及晶闸管串的开关状态，进而在出现故障时控制系统的工作状态，实现故障阻断功能，具体步骤如下：
当检测到直流低压侧电压低于直流低压侧阈值电压，或者直流高压侧电压低于直流高压侧阈值电压，判断为系统故障并给出故障信号；
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输(P>0)时，在为关断晶闸管串T11加反压结束时刻检测流过晶闸管串T11的电流，若流过晶闸管串T11的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输(P>0)时，在为关断晶闸管串T12加反压结束时刻检测流过晶闸管串T12的电流，若流过晶闸管串T12的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输(P<0)时，在为关断晶闸管串T22加反压结束时刻检测流过晶闸管串T22的电流，若流过晶闸管串T22的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输(P<0)时，在为关断晶闸管串T21加反压结束时刻检测流过晶闸管串T21的电流，若流过晶闸管串T21的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
一旦收到故障信号，立即闭锁全部子模块串驱动信号和晶闸管串触发信号。
本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器在不同功率方向时的工作原理示意图如图5所示。
本发明中，所述半桥子模块串的充、放电电流路径由直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向和半桥子模块串两端的实时电压共同决定：
如果功率自直流低压侧向直流高压侧传输，当半桥子模块串两端电压为低压侧电压时，电流流经晶闸管串T11为半桥子模块串充电；当半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经晶闸管串T12为半桥子模块串放电；
如果功率自直流高压侧向直流低压侧传输，当半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经晶闸管串T22为半桥子模块串充电；当半桥子模块串两端电压为低压侧电压时，电流流经晶闸管串T21为半桥子模块串放电。
在实际应用中，可以通过将多相DC/DC变换器并联的方式来获得更好的电流波形质量。图6为三相DC/DC变换器并联的衍生拓扑结构的电路原理图。
本发明具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器无需配置交流变压器，具有容错和故障处理的优点。半桥子模块串的充、放电通过晶闸管串即可实现，因此，本发明具有故障阻断能力的直流输电DC/DC变换器的元器件数量少，功率损耗低，发热量小，成本低，适用于实现不同电压等级直流系统间的大功率传输。

Claims (4)

1.一种柔性直流输电DC/DC变换器故障保护方法，其特征在于所述方法利用具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器进行故障保护，所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22、半桥子模块串、电感L，其中：
所述晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22的电路结构均相同，每个晶闸管串均包括多个正向串联的晶闸管；
所述半桥子模块串包括半桥子模块SM1~半桥子模块SMN，半桥子模块SM1~半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1~半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；
所述晶闸管串T11和晶闸管串T21反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SM1的输入级相连；
所述晶闸管串T12和晶闸管串T22反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SM1输入级相连；
所述半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连；
所述电感L的第二端同时与直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；
包括如下步骤：
步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22的通断状态，具体步骤如下：
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，将晶闸管串T11、晶闸管串T12进行控制开关状态，而晶闸管串T21、晶闸管串T22始终设置为关断状态；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，将晶闸管串T21、晶闸管串T22进行控制开关状态，而晶闸管串T11、晶闸管串T12始终设置为关断状态；
步骤二、控制半桥子模块SM1~半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡，具体步骤如下：
步骤二一、采用功率控制的方式生成直流高压侧电流参考信号；
步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节直流低压侧电流参考信号，以使半桥子模块SM1~半桥子模块SMN的电容电压均值等于电容电压参考均值；
步骤二三、将直流高压侧电流参考信号与调节后的直流低压侧电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；
步骤二四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；
步骤二五、将比例积分调节器输出的电压信号与关断晶闸管串所需的反压参考信号叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串的电压参考信号；
步骤二六、基于半桥子模块串电压参考信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块SM1~半桥子模块SMN的驱动信号；
步骤三、根据直流高压侧电压和直流低压侧电压的状态以及晶闸管串的开关状态，进而在出现故障时控制系统的工作状态，实现故障阻断功能，具体步骤如下：
当检测到直流低压侧电压低于直流低压侧阈值电压，或者直流高压侧电压低于直流高压侧阈值电压，判断为系统故障并给出故障信号；
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，在为关断晶闸管串T11加反压结束时刻检测流过晶闸管串T11的电流，若流过晶闸管串T11的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，在为关断晶闸管串T12加反压结束时刻检测流过晶闸管串T12的电流，若流过晶闸管串T12的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，在为关断晶闸管串T22加反压结束时刻检测流过晶闸管串T22的电流，若流过晶闸管串T22的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，在为关断晶闸管串T21加反压结束时刻检测流过晶闸管串T21的电流，若流过晶闸管串T21的电流绝对值大于阈值电流，判断系统故障并给出故障信号，否则正常运行；
一旦收到故障信号，立即闭锁全部子模块串驱动信号和晶闸管串触发信号。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电DC/DC变换器故障保护方法，其特征在于所述半桥子模块串的充、放电电流路径由直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向和半桥子模块串两端的实时电压共同决定：
如果功率自直流低压侧向直流高压侧传输，当半桥子模块串两端电压为低压侧电压时，电流流经晶闸管串T11为半桥子模块串充电；当半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经晶闸管串T12为半桥子模块串放电；
如果功率自直流高压侧向直流低压侧传输，当半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经晶闸管串T22为半桥子模块串充电；当半桥子模块串两端电压为低压侧电压时，电流流经晶闸管串T21为半桥子模块串放电。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电DC/DC变换器故障保护方法，其特征在于所述晶闸管串T11为升压充电晶闸管串，晶闸管串T12升压放电晶闸管串，晶闸管串T22为降压充电晶闸管串，晶闸管串T21为降压放电晶闸管串。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电DC/DC变换器故障保护方法，其特征在于所述半桥子模块SM1~半桥子模块SMN均包括第一全控型器件IGBT1、第二全控型器件IGBT2和电容C，第一全控型器件IGBT1与第二全控型器件IGBT2串联，电容C与串联的第一全控型器件IGBT1和第二全控型器件IGBT2并联。
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