CN110429567A - 基于隔离型模块化直流变压器的直流故障隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于隔离型模块化直流变压器的直流故障隔离方法，所采用的隔离型模块化直流变压器基于改进型半桥子模块：一组由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联，与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端，逆阻型IGBT VT2采用具有逆阻功能的IGBT即RB‑IGBT，或采用IGBT与二极管同向串联；当直流线路发生故障时，一旦检测到故障，通过向子模块发送关断命令，关断所有IGBT，并撤销晶闸管的导通信号，同时改变健全侧换流器的电压调制方式，使故障侧换流器中的桥臂电流依次过零即实现桥臂的关断，完成故障清除和隔离。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子和电力系统领域，针对现有柔性直流系统故障隔离方法难以实现故障隔离速度与系统经济性之间的平衡，在充分考虑设备的投资以及损耗下，采用具有直流故障自清除能力的基于改进型半桥子模块的隔离型模块化多电平DC-DC变压器，并给出直流故障隔离方法。
背景技术
随着传统化石能源的逐渐枯竭，世界环境问题日益突出，各国将目光投入到绿色清洁能源上面。加快能源类型转变，调整能源结构，推进可再生能源的使用已成为大势所趋。在可再生能源的输配中，直流输配电系统由于其线路走廊小，传输容量大，输电效率高等优点，成为应用的首选。同时，随着直流用电负荷的增多，采用直流配电的优势逐渐明显。源-荷的变革，给传统交流集中式供电网络带来巨大压力，直流配电得到了业内的广泛关注。作为实现直流多电压等级变换，构建直流电网的关键设备，直流变压器的性能对直流输配电的发展具有关键作用。
应用于不同场景，对直流变压器的要求不同。其作用主要可分为以下几点：(1)实现电压等级变换，连接不同电压等级的直流系统，这是直流变压器的核心作用；(2)利用其柔性变压特征，调整功率的传输，实现潮流准确控制和系统稳定；(3)实现故障隔离，辅助非故障区域的快速恢复。对于某些直流变压器，还需要具有故障自清除能力。
目前，模块化多电平直流变压器的故障隔离是一个关键性技术难题。为保证系统的供电可靠性与电能质量，在直流线路发生故障时，必须利用有效手段快速、有效的隔离故障区域；待故障清除后，能够快速准确的判别故障类型，进而重启直流变压器，恢复正常的运行状态。
现阶段，直流变压器尚未广泛应用于工程。根据直流变压器的研究现状，基于直流变压器的直流系统隔离故障方式主要可分为两种：
(1)利用直流断路器进行故障隔离
直流断路器的原理研究已相对成熟，在工程中已有应用。当直流线路发生故障时，闭锁两侧换流器，利用直流断路器可实现直流故障的快速隔离。这种故障隔离方式速度很快，但成本较高、运行损耗较大，且直流断路器的开断能力有限，往往需要增加限流器，提高了设备的整体的投资成本，增大了设备的占地面积；而且直流变压器在故障清除期间需闭锁两侧换流器，导致清除故障后直流变压器的重启速度慢，不利于系统快速重启,保证系统的可靠性。
(2)采用具有故障隔离能力的子模块
采用全桥子模块、钳位双子模块等具有故障自清除能力的子模块构成模块化DC-DC变压器，通过这种方式可快速地清除故障电流，也无需额外安装断路器；但具有故障自清除能力的子模块使用的器件数与半桥子模块使用的器件数相比大大增加，使得变压器整体的投资成本和运行损耗大幅度增加，同时也会导致设备体积庞大。
发明内容
针对于目前直流配电网故障发展速度快、故障隔离难度高，而传统基于直流变压器的直流配电网故障隔离方式难以在保证故障隔离速度的同时具有较好的经济性的问题，本发明提供一种具有直流故障自清除能力的基于改进型半桥子模块的隔离型模块化多电平DC-DC变压器，并设计了相应的故障隔离策略，以实现直流故障的快速清除。技术方案如下：
一种基于隔离型模块化直流变压器的直流故障隔离方法，所采用的隔离型模块化直流变压器基于改进型半桥子模块，所述改进型半桥子模块的结构为：一组由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联，与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端，逆阻型IGBT VT2采用具有逆阻功能的IGBT即RB-IGBT，或采用IGBT与二极管同向串联，从而在IGBT和晶闸管关断的情况下，具有双向阻断能力；变压器的一、二次侧均采用由四个桥臂构成的模块化多电平单相全桥变流器，并通过中频变压器连接，实现电压等级变换，同时隔离一二次侧的直接电气连接；当直流线路发生故障时，一旦检测到故障，通过向子模块发送关断命令，关断所有IGBT，并撤销晶闸管的导通信号，同时改变健全侧换流器的电压调制方式，使故障侧换流器中的桥臂电流依次过零即实现桥臂的关断，完成故障清除和隔离，控制策略如下：
当保护系统检测到直流线路故障或变压器任一桥臂发生过流时，则立即向控制系统发送故障信号，并将故障线路连接的变压器一侧定义为故障侧，另一侧定义为健全侧；控制系统收到故障信号后，立即向故障侧换流器中的所有IGBT发送闭锁信号，此时子模块电容放电通路被阻断，经过短暂延时，以实现故障电流从子模块电容支路转移到晶闸管支路后，撤销晶闸管的导通信号；
为加快故障侧换流器桥臂中直流故障分量的衰减，使桥臂电流快速过零，实现晶闸管的关断，通过改变健全侧电压的调制方式从而改变健全侧向故障侧的馈流来实现快速隔离故障的要求，包括：第一步，健全侧在收到控制系统发出的故障信号后，则立即闭锁所有IGBT，使回路中电流迅速衰减至零，接着进行反向调制，即若接到故障信号时，健全侧交流链路电流为负，与参考方向相反，则回路中电流衰减至零后立即通过调制使电流正向增大，从而在交流链路二次侧产生方向恒定的直流电压，进而导致二次侧交流链路馈流正大，使二次侧某一对桥臂电流，当桥臂电流过零时晶闸管迅速闭锁，实现故障电流回路则阻断；第二步，关断第一对桥臂后，则立即关断健全侧所有IGBT，待一次侧交流链路电流降为零时，接着使其产生与第一步调制出的电压方向相反的电压，二次侧感应出的交流电流与此时桥臂中的直流故障分量相反，第二对桥臂中的电流也快速过零，晶闸管关断，至此，故障侧换流器中的桥臂全部关断成功，实现快速清除隔离故障电流的功能。
本发明提出的具有故障自清除能力的隔离型模块化直流变压器以及故障过程中清除故障电流的控制策略适用于直流配电网，与采用断路器清除故障和采用具有故障自清除能力的子模块的方式相比，不仅可以缓解于目前DC-DC变压器难以实现故障穿越时投资、损耗与快速清除故障能力之间平衡的矛盾，而且可以实现DC-DC变压器故障清除后快速重启的功能，本发明具体有以下几个方面的优点：
(1)可在10ms左右完成直流系统的故障清除，故障隔离速度较快，可满足直流输配电系统的要求；
(2)采用的改进型半桥子模块相对于传统半桥子模块，增加的投资成本和损耗均有限；
(3)故障期间，控制系统只闭锁二次侧换流器，一次侧换流器只改变调制方式，故障清除方法简单，容易实现；
(4)故障时一次侧换流器采用故障模式下的电压调制方式，加快了二次侧桥臂电流的过零时间，使得直流变压器能够快速的隔离故障。
(5)由于故障电流清除期间，一次侧会通过交流变压器持续向故障点馈流，为故障定位和测距提供时间。
附图说明
图1示出半桥子模块拓扑与本发明所使用的改进型子模块拓扑结构
图2示出本发明提出的具有故障自清除能力的隔离型模块化直流变压器
图3示出本发明的基于具有故障自清除能力的隔离型模块化直流变压器二次侧两极短路故障示意图
图4示出本发明的基于具有故障自清除能力的隔离型模块化直流变压器故障后，故障侧换流器闭锁后的故障电流流通回路的示意图
图5示出本发明的基于具有故障自清除能力的隔离型模块化直流变压器故障后，故障侧换流器桥臂电流各分量等效电路示意图
图6示出本发明的式一次侧电流逐渐增大的一次侧桥臂电压调制波形
图7示出本发明的第一对桥臂关断后故障电流的流通路径
图8示出本发明的一次侧所有子模块闭锁后电流通路
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述。
图1(a)所示为半桥子模块(HBSM)结构。半桥子模块器件数量少，因此运行损耗低。然而为了保证IGBT的安全，必须并联二极管以免IGBT承受反向电压。当直流侧发生故障时，由于并联二极管(图中VD2)的续流作用，基于HBSM的模块化变压器无法完成故障自清除，而且无法阻断交流侧的馈流。
图1(b)示出本发明采用的改进型半桥子模块结构。采用晶闸管代替半桥子模块中的续流二极管，用逆阻型IGBT代替并联支路的IGBT。正常工作状态时，向晶闸管持续发送导通信号，此时晶闸管的作用与半桥子模块中续流二极管的作用相同。因此，在正常工作状态下，改进型半桥子模块的工作原理与传统半桥子模块相同。一旦保护系统检测到故障，控制系统立即向所有IGBT发出闭锁信号，经过子模块闭锁死区后，则立即撤销晶闸管的导通信号。通过合理的控制使桥臂电流过零时，晶闸管顺利关断。此时子模块可实现双向电压阻断功能。
图2示出基于改进型HBSM的隔离型模块化DC-DC变压器拓扑。一、二次侧分别由两个模块化单相全桥整流/逆变器构成，变流器通过中频变压器(频率为300-1000Hz)连接，从而实现电压等级变换，同时隔离一二次侧的直接电气连接。子模块采用上述改进型HBSM。正常运行时，改进型HBSM可以等效为图1(a)所示HBSM；当检测到故障时，控制系统立即动作，闭锁故障侧IGBT阻断子模块电容的放电回路，撤销晶闸管的导通信号，此时故障电流通过晶闸管续流，同时向健全侧电压调制模块发送故障信号，通过控制健全侧的馈流使故障侧桥臂电流过零，从而实现故障清除。该过程中故障电流流经晶闸管，而晶闸管具有高可靠性、高耐压、耐涌流等优点，可以承受该过程的故障电流。
图3示出模块化DC-DC变压器二次侧两极短路的故障示意图，用字母p和n分别表示上桥臂和下桥臂，用数字1和2分别表示一次侧换流器和二次侧换流器，同时为了便于分析将桥臂分为a相桥臂与b相桥臂，则pa1桥臂表示一次侧a相上桥臂，ipa1表示一次侧换流器a相上桥臂的电流，以此类推。假设在t0时刻发生两极短路故障，根据二次侧桥臂的工作状态，故障隔离过程可分为三个阶段。
图4示出二次侧桥臂IGBT关断后故障电流通路示意图，
图5示出该阶段二次侧桥臂电流等效电路，根据电流叠加原理将故障侧换流器桥臂中的故障电流等效为为一次侧的馈流与直流故障衰减分量的叠加。
图6示出本发明的式一次侧电流逐渐增大的一次侧桥臂电压调制波形。
图7示出第一对桥臂关断后故障电流通路。
图8示出一次侧所有子模块闭锁后的等效电流通路。
具体的，本发明提出的基于直流变压器的直流故障隔离方法如下：
假设在t0时刻发生两极短路故障，根据二次侧桥臂的工作状态，故障隔离过程可分为三个阶段。
阶段1：桥臂子模块电容放电阶段
一旦二次侧直流线路发生两极短路故障，二次侧两极之间的阻抗骤降，导致直流侧电压发生突变。此时，二次侧处于投入状态的子模块电容迅速放电。在该过程中，由于二次侧桥臂电容电压的作用，交流链路电压变化很小。因此，一次侧通过变压器向二次侧的馈流几乎与正常工作状态无异。因而故障电流的主要成分是子模块电容的放电电流。
当保护系统检测到故障后，立即向DC-DC变压器控制系统发送故障信号。接到故障信号后，控制系统则立即向DC-DC变压器二次侧换流器的桥臂子模块发出闭锁信号，并经过延迟躲开死区后，撤销晶闸管的导通信号；同时控制系统向变压器一次侧换流器的调制模块发送故障信号，改变一次侧换流器的电压调制方式。
阶段2：第一对桥臂关断阶段
二次侧换流器IGBT闭锁后，子模块电容放电回路被切断。由于晶闸管不具备自主关断能力，二次侧四个桥臂均处于导通状态。此时，DC-DC变压器二次侧故障电流通路如图4所示。根据电流叠加原理，桥臂电流可以等效为一次侧经变压器向二次侧的馈流和直流故障电流分量的叠加，等效电路如图5所示。
假设闭锁后的电流方向如图3所示，则桥臂电流的表达式为：
由式(1)可以看出，一次侧馈流在同一相的上下两个桥臂上电流方向不同。因此，通过控制一次侧在二次侧感应出方向不变的如图4所示方向不变的电压u2，从而i2为正，且逐渐增大。当i2与故障电流if叠加过零时，相应桥臂的晶闸管顺利关断，从而实现桥臂电流通路关断。如图4所示电流方向，则na2桥臂和pb2桥臂率先关断。
对于变压器一次侧，在接到故障信号后，则立即闭锁所有IGBT，使回路中电流迅速衰减至零。接着向故障电流衰减的方向调制，即若接到故障信号时，健全侧交流链路电流i1为负，则i1衰减至零后，采用使i1正向增大的调制方式，反之亦然。则可以在变压器二次侧持续感应出方向恒定的电压。
根据图2，一次侧变流器桥臂电流的关系式可以表示：
由图2同样可以得到交流变压器一次侧电压表达式为：
用L和R分别表示变压器和二次侧系统相对于一次侧的等效电感和电阻，则
将(2)、(4)式代入(3)式可得：
相对于变压器等效电抗L，桥臂电抗L1和桥臂阻抗R1相对较小。因此，结合(5)式与(2)式，可以得到故障隔离过程中一次侧的调制策略：逐渐增大una1减小upa1，同时减小unb1增大upb1，使(una1-unb1)大于零且逐渐增大，从而使i1逐渐增大。一次侧电流逐渐增大的一次侧桥臂电压调制波形如图6所示。
在调制时，可以调节一个子模块。如果将na1桥臂处于投入状态的子模块数量表示(N/2+i)，nb1桥臂处于投入状态的子模块数量表示为(N/2-i)，其中i为整数。则令i从零逐渐增大，即可使(una1-unb1)逐渐增大，通过控制i变化的频率即可控制电压的变化率。根据式(5)可知，i1逐渐增大，从而可在变压器二次侧持续感应出方向如图4所示的电压。
根据图5(a)，由于u2的作用，一次侧通过变压器的馈流逐渐增大。根据式(1)，该电流与直流故障电流在桥臂上的分量叠加必然导致na2和pb2两个桥臂电流率先过零，当桥臂过零时，晶闸管顺利关断。
该过程中，式中保持上下桥臂处于投入状态的子模块个数之和为N，从而变流器直流侧出口电压相对恒定，在故障清除过程中，几乎对健全侧直流系统无影响。同时，由于直流出口电压相对恒定，直流系统向变流器的馈流较小，在后续分析中可以忽略。
阶段3：故障电流清除阶段
当na2和pb2两个桥臂关断后，故障电流通路如图7所示。
检测到第一对桥臂关断后，则立即闭锁一次侧桥臂所有IGBT。此时，忽略直流侧的影响，一次侧的等效电流回路如图8所示。
如图8所示，此时桥臂电容反向串联至回路中，回路中电流通过二极管给桥臂电容充电。回路中的电压电流关系可以表示为
因此，由于桥臂电压的作用，回路中电流i1将迅速衰减。衰减的电流在二次侧感应出与上一阶段方向相反的电压，如图6所示。此时，由于感应电压与电流方向相反，将导致回路中故障电流迅速减小。同样，根据变压器的工作原理可知，由于变压器一次侧电流的减小，二次侧电流必然迅速减小。
当变压器一次侧电流降至零后，则立即采用与第一步相反的调制方式。同理将na1桥臂处于投入状态的子模块数量表示(N/2+i)，nb1桥臂处于投入状态的子模块数量表示为(N/2-i)。则令i从0开始逐渐减小，即可使(una1-unb1)小于零并逐渐减小，从而可以在二次侧感应出与上一阶段方向相反的电压，从而消除二次侧回路中的残余电流。当回路中电流过零时，剩余二桥臂顺利关断，至此直流变压器完成了故障的快速清除。此时，将一次侧各桥臂子模块的一半切换到导通状态，另一半切换到闭锁状态，同时对桥臂子模块进行均压，并保持这个状态，直至直流变压器重启。
Claims (1)
1.一种基于隔离型模块化直流变压器的直流故障隔离方法，所采用的隔离型模块化直流变压器基于改进型半桥子模块，所述改进型半桥子模块的结构为：一组由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联，与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端，逆阻型IGBT VT2采用具有逆阻功能的IGBT即RB-IGBT，或采用IGBT与二极管同向串联，从而在IGBT和晶闸管关断的情况下，具有双向阻断能力；变压器的一、二次侧均采用由四个桥臂构成的模块化多电平单相全桥变流器，并通过中频变压器连接，实现电压等级变换，同时隔离一二次侧的直接电气连接；当直流线路发生故障时，一旦检测到故障，通过向子模块发送关断命令，关断所有IGBT，并撤销晶闸管的导通信号，同时改变健全侧换流器的电压调制方式，使故障侧换流器中的桥臂电流依次过零即实现桥臂的关断，完成故障清除和隔离。具体控制策略如下：
当保护系统检测到直流线路故障或变压器任一桥臂发生过流时，则立即向控制系统发送故障信号，并将故障线路连接的变压器一侧定义为故障侧，另一侧定义为健全侧；控制系统收到故障信号后，立即向故障侧换流器中的所有IGBT发送闭锁信号，此时子模块电容放电通路被阻断，经过短暂延时，以实现故障电流从子模块电容支路转移到晶闸管支路后，撤销晶闸管的导通信号；
为加快故障侧换流器桥臂中直流故障分量的衰减，使桥臂电流快速过零，实现晶闸管的关断，通过改变健全侧电压的调制方式从而改变健全侧向故障侧的馈流来实现快速隔离故障的要求，包括：第一步，健全侧在收到控制系统发出的故障信号后，则立即闭锁所有IGBT，使回路中电流迅速衰减至零，接着进行反向调制，即若接到故障信号时，健全侧交流链路电流为负，与参考方向相反，则回路中电流衰减至零后立即通过调制使电流正向增大，从而在交流链路二次侧产生方向恒定的直流电压，进而导致二次侧交流链路馈流正大，使二次侧某一对桥臂电流，当桥臂电流过零时晶闸管迅速闭锁，实现故障电流回路则阻断；第二步，关断第一对桥臂后，则立即关断健全侧所有IGBT，待一次侧交流链路电流降为零时，接着使其产生与第一步调制出的电压方向相反的电压，二次侧感应出的交流电流与此时桥臂中的直流故障分量相反，第二对桥臂中的电流也快速过零，晶闸管关断，至此，故障侧换流器中的桥臂全部关断成功，实现快速清除隔离故障电流的功能。
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