CN111464014A - 一种自耦直流变换器及其故障处理与容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自耦直流变换器及其故障处理与容错控制方法，所述自耦直流变换器中，低压侧电感连接有直流断路器K1，两个电压变换结构中的高压侧电感分别连接有直流断路器K2和直流断路器K3；所述自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法中，在发生直流短路故障时，通过对直流断路器K1、K2或K3的断开处理实现故障处理和容错运行。与现有技术相比，本发明具有可靠性高，可实现故障处理与容错运行等优点。

Description

一种自耦直流变换器及其故障处理与容错控制方法
技术领域
本发明涉及直流供配电领域，特别是涉及一种自耦直流变换器及其故障处理与容错控制方法。
背景技术
近年来，随着新能源的大规模发展，直流供配电系统渐渐走入人们视野，而在直流供配电系统中双极性输出的高压大容量直流变换器有着重要的应用前景。自耦直流变换器可实现较大升压比，并可完成单双极性直流转换，适用于高压大容量海上风电场等应用场合，自耦直流变换器的现有结构如专利申请CN107425713A所述。但是由于它不含传统的隔离变压器，在发生短路故障时，低压侧和高压侧之间短路电流没有隔离通道，短路电流会对变换器系统造成很大冲击，所以为此单双极性转换直流变换器系统设计恰当的故障处理策略十分重要。
目前隔离直流故障的处理方式包括：在桥臂中接入具有故障自清除能力的子模块，通过不同类别子模块混合，在实现经济性的同时，隔离直流故障电流，一般可选用全桥子模块结构、钳位双子模块结构和T型子模块结构等，如专利CN104320011B公开的一种具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器。但上述处理方式还存在隔离时间较长等不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自耦直流变换器及其故障处理与容错控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种自耦直流变换器，上下对称，中间接地，包括低压侧电感和两个相同的电压变换结构，所述电压变换结构包括链式结构、高压侧电感和电容，每个所述链式结构均包括两个链式，从正级端至负极端依次记为链式1～4，每个链式包括串联的多个子模块，所述低压侧电感连接有直流断路器K1，两个所述电压变换结构中的高压侧电感分别连接有直流断路器K2和直流断路器K3。
进一步地，所述直流断路器为基于IGBT串联技术的高压直流断路器。
进一步地，所述链式结构中的子模块采用二极管钳位半桥结构或半桥结构。
本发明还提供一种所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，在发生直流短路故障时，通过对直流断路器K1、K2或K3的断开处理实现故障处理和容错运行。
进一步地，所述直流短路故障包括低压侧短路故障、高压侧正极短路故障、高压侧负极短路故障和子模块短路故障。
进一步地，当存在所述低压侧短路故障时，断开直流断路器K1，同时控制链式1和4中各个子模块全部投入，链式2和3中各个子模块均给0信号。
进一步地，当存在所述高压侧正极短路故障或高压侧负极短路故障时，断开对应设置的直流断路器K2或直流断路器K3，同时控制自耦直流变换器运行在单极性状态。
进一步地，所述单极性状态下，未发生短路故障一端的两个链式中的子模块变占空比运行，发生短路故障一端的一个链式中的子模块旁路，另一个链式中各个子模块均给0信号。
进一步地，当存在所述子模块短路故障时，切除链式中的故障子模块，以预先设置的备用子模块替换所述故障子模块。
进一步地，当存在所述子模块短路故障时，切除链式中的故障子模块，将故障子模块的控制信号叠加至另一正常子模块上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在原有的拓扑结构上增加直流断路器，通过直流断路器进行故障隔离，隔离时间为毫秒级，供电可靠性高，本发明的拓扑结构具有较好的故障处理能力以及容错运行能力。
2、本发明在增加直流变换器的基础上，通过合理的控制策略，优化完善原有拓扑结构的故障处理及容错运行问题。
3、本发明在部分子模块发生故障时，系统可正常运行；在发生高压侧单极性短路故障时，系统可在单极性情况下运行；在发生低压侧短路故障时，系统停止运行并可有效减小短路电流对于系统的冲击影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为优化后自耦直流变换器拓扑结构图；
图2为变换器子模块的结构示意图，其中，(a)为SM11-SM1N和SM41-SM4N的示意图，(b)为SM21-SM2M和SM31-SM3M的示意图；
图3为低压侧短路故障系统运行示意图；
图4为高压侧负极短路故障系统运行示意图；
图5为高压侧负极短路故障时拓扑等效单极性运行模式图；
图6为链式1或4中子模块短路故障系统运行示意图；
图7为链式2或3中子模块短路故障系统运行示意图；
图8为故障后SM22子模块的控制信号图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种自耦直流变换器，上下对称，中间接地，包括低压侧电感和两个相同的电压变换结构，所述电压变换结构包括链式结构、高压侧电感和电容，每个所述链式结构均包括两个链式，从正级端至负极端依次记为链式1～4，每个链式包括串联的多个子模块，所述低压侧电感连接有直流断路器K1，两个所述电压变换结构中的高压侧电感分别连接有直流断路器K2和直流断路器K3。直流断路器种类不限，可以是基于IGBT串联技术的高压直流断路器等。
电压变换结构中，其第一引出端从链式结构和电容的连接点引出，接地，电压变换结构的第二引出端从高压侧电感和电容的连接点引出，为正极或负极，电压变换结构的第三引出端从链式结构之间的连接点引出，为低压侧。
链式结构中的子模块采用二极管钳位半桥结构或半桥结构。如图2所示，本实施例中，链式1和4中子模块均为二极管钳位半桥结构，链式2和3中子模块均为半桥结构。作为示例，此处N取5，M取2，即链式1和4分别由5个二极管钳位半桥构成(5个子模块中4个为常用子模块，1个为冗余子模块，冗余子模块在正常情况下不投入使用)，链式2和3分别由2个半桥结构构成。
该自耦直流变换器通过增加直流断路器，可在故障发生快速隔离直流故障，提高变换器的安全可靠性。
实施例2
本实施例提供一种如实施例1所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，在发生直流短路故障时，通过对直流断路器K1、K2或K3的断开处理实现故障处理和容错运行。所涉及的直流短路故障包括低压侧短路故障、高压侧正极短路故障、高压侧负极短路故障和子模块短路故障等。
当存在所述低压侧短路故障时，断开直流断路器K1，同时控制链式1和4中各个子模块全部投入，链式2和3中各个子模块均给0信号。链式1和4中各个子模块投入是为了抵消部分高压侧电容电压，使得负载上的电压突变相对较小。当存在所述高压侧正极短路故障或高压侧负极短路故障时，采取的策略相似，断开对应设置的直流断路器K2或直流断路器K3，同时控制自耦直流变换器运行在单极性状态。以高压侧负极发生短路故障为例，断开直流断路器K3，链式1与2中子模块改换控制策略。链式3中子模块旁路，链式4中子模块均给0信号，使得系统在单极性模式下运行。当存在所述子模块短路故障时，切除链式中的故障子模块，以预先设置的备用子模块替换所述故障子模块或调整该链式中的正常子模块的工作模式从而实现系统的正常运行，如将故障子模块的控制信号叠加至另一正常子模块上。
图3为低压侧短路故障时拓扑的工作状态。当低压侧发生了直流短路故障，采取的故障处理思路为断路停止运行。具体操作为，当发现低压侧短路故障时，立即断开直流断路器K1，同时链式1与4中各个子模块全部投入，链式2和3中各个子模块均给0信号。链式1和4中各个子模块投入是为了抵消部分高压侧电容电压，使得负载上的电压突变相对较小。
高压侧短路故障分为两种，正极短路故障和负极短路故障，由于拓扑上下对称，本说明以负极短路故障为例展开分析。图4为高压侧负极短路故障状态。当发现高压侧负极发生短路故障时，采取的策略为，断开直流断路器K3，链式1与2中子模块变占空比运行。链式3中子模块旁路，链式4中子模块均给0信号，使得系统在单极性模式下运行。直流变换器系统在单极性模式下运行时，等效拓扑结构如图5所示，它的工作方式类似于传统的boost电路。单极性模式下的控制方式和双极性正常模式下的基本一致，都是通过移相PWM调制方法来控制各个子模块电容的投入与切除，再通过PI控制实现输出电压的稳定和子模块电容电压的平衡。唯一不同的是，由于单极性模式下子模块个数减半，所以占空比大小略有变化。
当链式1或4中子模块发生短路故障，故障处理方式可相互借鉴。本说明以链式模块1中的单个子模块故障为例，故障状态如图6所示，其中链式1的某个子模块发生短路故障。针对链式1或4中子模块短路故障，可通过子模块冗余策略来实现故障处理。在发生故障时切除故障子模块，接入备用子模块。
当链式2或3中的子模块发生故障，结合拓扑的对称性，故障处理方式可相互借鉴。本实施例以链式2中单个子模块故障为例，故障状态如图7所示。当链式2中SM21子模块发生短路故障，可通过切除SM21子模块，并将原来SM21的控制信号叠加给SM22，以此实现拓扑的正常工作，图8大致展示了故障前后信号的叠加方式。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自耦直流变换器，上下对称，中间接地，包括低压侧电感和两个相同的电压变换结构，所述电压变换结构包括链式结构、高压侧电感和电容，每个所述链式结构均包括两个链式，从正级端至负极端依次记为链式1～4，每个链式包括串联的多个子模块，其特征在于，所述低压侧电感连接有直流断路器K1，两个所述电压变换结构中的高压侧电感分别连接有直流断路器K2和直流断路器K3。
2.根据权利要求1所述的自耦直流变换器，其特征在于，所述直流断路器为基于IGBT串联技术的高压直流断路器。
3.根据权利要求1所述的自耦直流变换器，其特征在于，所述链式结构中的子模块采用二极管钳位半桥结构或半桥结构。
4.一种如权利要求1所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，在发生直流短路故障时，通过对直流断路器K1、K2或K3的断开处理实现故障处理和容错运行。
5.根据权利要求4所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，所述直流短路故障包括低压侧短路故障、高压侧正极短路故障、高压侧负极短路故障和子模块短路故障。
6.根据权利要求5所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，当存在所述低压侧短路故障时，断开直流断路器K1，同时控制链式1和4中各个子模块全部投入，链式2和3中各个子模块均给0信号。
7.根据权利要求5所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，当存在所述高压侧正极短路故障或高压侧负极短路故障时，断开对应设置的直流断路器K2或直流断路器K3，同时控制自耦直流变换器运行在单极性状态。
8.根据权利要求7所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，所述单极性状态下，未发生短路故障一端的两个链式中的子模块变占空比运行，发生短路故障一端的一个链式中的子模块旁路，另一个链式中各个子模块均给0信号。
9.根据权利要求5所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，当存在所述子模块短路故障时，切除链式中的故障子模块，以预先设置的备用子模块替换所述故障子模块。
10.根据权利要求5所述的自耦直流变换器的故障处理与容错控制方法，其特征在于，当存在所述子模块短路故障时，切除链式中的故障子模块，将故障子模块的控制信号叠加至另一正常子模块上。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116760303A (zh) * 2023-08-24 2023-09-15 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种高压直流变压器及其故障冗余控制方法
CN116780606A (zh) * 2023-08-22 2023-09-19 国网经济技术研究院有限公司 交直流混合汇集直流串联送出主接线系统及其启动方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203352187U (zh) * 2013-06-08 2013-12-18 西南交通大学 一种单相组合式同相供变电装置
JP2015226387A (ja) * 2014-05-28 2015-12-14 東芝三菱電機産業システム株式会社 電力変換装置
CN106229951A (zh) * 2016-07-27 2016-12-14 华中科技大学 一种dc/dc自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法
CN107425713A (zh) * 2017-08-24 2017-12-01 上海交通大学 一种自耦直流变换器及其控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203352187U (zh) * 2013-06-08 2013-12-18 西南交通大学 一种单相组合式同相供变电装置
JP2015226387A (ja) * 2014-05-28 2015-12-14 東芝三菱電機産業システム株式会社 電力変換装置
CN106229951A (zh) * 2016-07-27 2016-12-14 华中科技大学 一种dc/dc自耦变压器对外部直流线路短路故障的故障穿越方法
CN107425713A (zh) * 2017-08-24 2017-12-01 上海交通大学 一种自耦直流变换器及其控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
郭灵瑜: "适用于海上风电场直流互联的双极性输出非隔离型自耦直流变换器" *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116780606A (zh) * 2023-08-22 2023-09-19 国网经济技术研究院有限公司 交直流混合汇集直流串联送出主接线系统及其启动方法
CN116760303A (zh) * 2023-08-24 2023-09-15 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种高压直流变压器及其故障冗余控制方法
CN116760303B (zh) * 2023-08-24 2023-12-26 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种高压直流变压器及其故障冗余控制方法

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