CN113078821A - 一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法及系统 - Google Patents

一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法及系统，属于直流变换器的控制技术领域。方法包括：未发生故障时，DAB直流变换器在额定工况下受到调制；当发生故障时，封锁原边全桥和副边全桥内部开关管的驱动信号一个开关周期的时间后，设置DAB直流变换器的调制方法为扩展移相调制，同时恢复原边全桥和副边全桥内部开关管的驱动信号，进入限流状态，此时发生故障的该路输出电流大于断路器的动作值，断路器完成分断。本发明所提出的控制方法抑制了故障的暂态过流现象，通过限流值与断路器动作值的匹配，限流状态下故障支路可触发短路支路的断路器动作，从而实现无电流传感器的故障自动分断与电路恢复，从而实现直流变压器的故障穿越。

Description

一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法及系统
技术领域
本发明属于直流变换器的控制技术领域，更具体地，涉及一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法及系统。
背景技术
固态直流变压器作为一种新型的变压器，因其可实现直流电压变换，以及体积小，拓扑结构众多等优点，成为目前的研究热点。直流变压器的核心单元为高效的直流变换器，其中，双有源桥直流变换器具有很多优点：1)能量双向流动；2)高频电气隔离；3)效率及功率密度高；4)调控迅速。因此其是构建直流变压器的首选电路之一。
直流电网的短路故障的放电过程十分短暂，导致传统的机械断路器无法及时动作，且放电完毕后短路电流的值与短路电阻成正比，该电流值通常很小，不利于故障的判别与切断，从而给直流电网短路故障后的恢复带来了诸多难点。直流固态变压器是否拥有故障识别及穿越能力是直流配电网安全运行的关键，因此有必要提出一种基于双有源桥直流变换器的具有故障穿越能力的直流变压器的控制方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法及系统，旨在解决传统的机械断路器在直流电网发生短路故障时无法及时动作且故障判断不灵敏的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法，可以快速抑制短路过程中的过流现象，保护开关器件；该方法在检测到输出电压跌落后，调整控制信号控制输出电流，从而得到所需的故障判断依据并触发断路器，达到电路快速恢复以及故障穿越的目的。本控制方法所涉及的直流变压器主要结构为双有源桥(Dual active bridge,DAB)直流变换器，其包含直流电源V1、原边全桥H1、传输电感Lt、匝比为N:1的高频隔离变压器T、副边全桥H2。系统的开关频率为fs，系统半个开关周期为Ts。iL为流过传输电感Lt的电流，输出直流电压的v2稳定值为V2，输出总电流io的最大值为IMAX，功率的最大值为PMAX。本控制方法所涉及的直流变压器在输出侧带有n路负载，且每路负载配有动作值为0.8IMAX的断路器。
Figure BDA0002986416240000021
本发明提供的控制方法可以快速抑制短路过程中的过流现象，同时得到所需的故障判断依据并触发断路器，实现直流变压器故障穿越，该控制方法包括：
S1.设定DAB直流变换器的额定功率PN＝0.7PMAX、额定电流IN＝0.7IMAX，未发生故障时，DAB直流变换器在设定的额定工况下受到双重移相(Double phase shift,DPS)调制，即原边全桥H1和副边全桥H2的内移相比均为d1，原边全桥H1和副边全桥H2之间的外移相比为d2。设定在输出电压控制的闭环状态下运行，d1和d2由闭环控制器调节，此时v2＝V2，且io＝IN＝0.7IMAX；
S2.检测DAB直流变换器的输出直流电压v2，若v2≥0.6V2，则认为电路处于无故障状态，回到S1；若v2<0.6V2，则认为输出侧其中一路负载发生短路故障，封锁H1和H2内部开关管的驱动信号一个开关周期的时间后，进入S3；
S3.设置故障工况下DAB直流变换器的调制方法为扩展移相(Extended phaseshift,EPS)调制，同时恢复H1和H2内部开关管的驱动信号，进入限流状态，此时发生故障的该路输出电流大于断路器的动作值，断路器完成分断。
优选地，EPS调制具体为：
H1的内移相比为q，H2的内移相比为0，H1和H2之间的外移相角为p+q，且H1和H2内部开关管的所有驱动信号整体向前移相p，p和q满足：
Figure BDA0002986416240000031
优选地，限流状态下，发生故障的该路输出电流为输出总电流io：
io＝0.9IMAX
其中，IMAX为输出总电流io的最大值。
本方法在DAB直流变换器无故障时采用DPS的闭环控制，在检测到故障后，半导体器件的驱动信号先封锁一个开关周期，后采用特定的EPS控制进入限流状态，触发短路支路断路器动作，可实现无电流传感器的故障自动分断与电路恢复，从而实现直流变压器的故障穿越。
本发明另一方面提供了一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明所提出的基于双有源桥直流变换器的具有故障穿越能力的直流变压器的控制方法，通过检测到故障后闭锁驱动信号，从而抑制了故障的暂态过流现象；闭锁一个周期后，选用特定的EPS调制方式恢复驱动信号，使电路快速进入限流状态，通过限流值与断路器动作值的匹配，限流状态下故障支路可触发短路支路的断路器动作，从而实现无电流传感器的故障自动分断与电路恢复，从而实现直流变压器的故障穿越。该方法可保证直流变压器的器件安全和电路的可靠性。
附图说明
图1是本发明所涉及的双有源桥直流变换器的拓扑结构示意图；
图2是现有技术不采用故障穿越方法的故障波形；
图3是采用本发明提出的故障穿越方法的故障波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
图1是直流变压器的结构示意图，其包含直流电源V1、一个原边全桥H1、一个传输电感Lt、一个匝比为N:1的高频隔离变压器T、一个副边全桥H2。输出电流为系统的开关频率为fs，系统半个开关周期为Ts。iL为流过传输电感的电流，输出直流电压v2的稳定值为V2，输出总电流io的最大值为IMAX，功率的最大值为PMAX，且计算方法如公式(1)所示。
Figure BDA0002986416240000041
双有源桥电路的参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002986416240000042
Figure BDA0002986416240000051
直流变压器在输出侧带有n路负载，且每路负载配有动作值为0.8IMAX的断路器。在该直流变压器只有输出电压检测装置，无电流检测装置。
变换器通常不运行在最大功率工况下，因此设定DAB直流变换器在未发生故障时，始终运行在额定工况下，且额定功率PN＝0.7PMAX，额定电流IN＝0.7IMAX。DAB直流变换器在未发生故障时，采用DPS调制方法，即双有源桥的原边全桥H1和副边全桥H2的内移相比均为d1，原边全桥H1和副边全桥H2之间的外移相比为d2。且DAB直流变换器在输出电压控制的闭环状态下运行，d1和d2由闭环控制器调节，此时v2＝V2，且io＝IN＝0.7IMAX。
当v2≥0.6V2时，认为电路处于无故障状态。若v2<0.6V2，则认为输出侧其中一路负载发生短路故障，立即封锁原边全桥H1和副边全桥H2内部开关管的驱动信号，封锁时间为1个开关周期。
封锁驱动信号1个开关周期后，使用EPS调制方法，立即恢复原边全桥H1和副边全桥H2的驱动信号使电路进入限流控制io＝0.9IMAX的状态，原边全桥H1的内移相比为q，副边全桥H2的内移相比为0，原边全桥H1和副边全桥H2之间的外移相角为p+q，所有驱动信号整体向前移相p，且p和q满足公式(2)。
Figure BDA0002986416240000052
由于故障支路中的阻抗是最小的，因此几乎所有输出电流流过故障支路，由于断路器的动作值为0.8IMAX，因此故障支路的断路器可根据故障电流自动分断。
图2为不采用故障穿越方法时的故障波形，可见输出电压快速跌落，同时iL中产生暂态电流，该电流超过12.5A，带来了过流风险。同时输出侧电流未被限流，无法提供五张判据从而触发断路器切断故障支路，不利于故障清除和电路的恢复。图3为采用本发明提出故障穿越的控制方法时的波形，可见输出电压快速跌落，随之驱动信号立即闭锁，避免了iL中产生暂态电流的产生，一个周期后恢复驱动信号，可见电路稳定快速地进入了限流阶段，从而触发了短路支路的断路器，电路恢复到正常运行状态，实现了快速稳定的直流变压器故障穿越。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法，所述直流变压器为双有源桥DAB直流变换器，包括直流电源V1、原边全桥H1、电感Lt、变压器T、副边全桥H2，输出侧带有n路负载，且每路负载配有预设动作值的断路器，其特征在于，包括以下步骤：
S1.设定DAB直流变换器的额定功率和额定电流，未发生故障时，DAB直流变换器在设定的额定工况下受到调制；
S2.检测DAB直流变换器的输出直流电压v2，若v2≥0.6V2，则认为电路处于无故障状态，回到S1；若v2<0.6V2，则认为输出侧其中一路负载发生短路故障，封锁H1和H2内部开关管的驱动信号一个开关周期的时间后，进入S3；其中，V2为输出直流电压的稳定值；
S3.设置故障工况下DAB直流变换器的调制方法为扩展移相调制，同时恢复H1和H2内部开关管的驱动信号，进入限流状态，此时发生故障的该路输出电流大于断路器的动作值，断路器完成分断。
2.如权利要求1所述的故障穿越控制方法，其特征在于，所述扩展移相调制具体为：
H1的内移相比为q，H2的内移相比为0，H1和H2之间的外移相角为p+q，且H1和H2内部开关管的所有驱动信号整体向前移相p，p和q满足：
Figure FDA0002986416230000011
其中，N为变压器匝数，Ts为半个开关周期。
3.如权利要求2所述的故障穿越控制方法，其特征在于，限流状态下，发生故障的该路输出电流为输出总电流io：
io＝0.9IMAX
其中，IMAX为输出总电流io的最大值。
4.如权利要求3所述的故障穿越控制方法，其特征在于，断路器的预设动作值为0.8IMAX。
5.如权利要求1所述的故障穿越控制方法，其特征在于，额定功率PN＝0.7PMAX、额定电流IN＝0.7IMAX，其中，IMAX为输出总电流io的最大值，PMAX为功率的最大值。
6.如权利要求4所述的故障穿越控制方法，其特征在于，输出总电流io的最大值IMAX、功率的最大值PMAX分别为：
Figure FDA0002986416230000021
其中，N为变压器匝数，fs为开关频率。
7.如权利要求1所述的故障穿越控制方法，其特征在于，在额定工况下，DAB直流变换器的调制方法为双重移相，具体为：
H1和H2的内移相比均为d1，H1和H2之间的外移相比为d2，DAB直流变换器在输出电压控制的闭环状态下运行，d1和d2由闭环控制器调节。
8.一种用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至7任一项所述的用于直流变压器负荷短路的故障穿越控制方法。
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