CN114977815A - 面向船舶直流系统的发电用直流变流器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器及其使用方法，第一输入端口变换器的输入端能够连接发电单元；第一输出端口变换器的输出端连接变压器模块的输入端；变压器模块的第一输出端连接第一输出端口变换器的输入端；第一输出端口变换器的输出端能够连接第一直流母线；变压器模块的第二输出端连接第二输出端口变换器的输入端；第二输出端口变换器的输出端能够连接第二直流母线。本发明是具备短路端口清除能力的多负载供电DC‑DC变流器拓扑结构以及故障重构方法，基于双母线供电直流变流器，实现两路输出母线侧接口变流器功能集成设计，降低变流器总体积与成本。

Description

面向船舶直流系统的发电用直流变流器及其使用方法
技术领域
本发明涉及船舶直流配电系统的技术领域，具体地，涉及一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器及其使用方法。尤其是，优选的涉及一种面向船舶直流配电系统的故障容错型双母线发电用直流变流器。
背景技术
电气化船舶电力系统是连接交流系统和直流系统的纽带。交流船舶电力系统的诞生与推广得益于交流推进电机负荷需求，将发电机和推进电机通过断路器与交流母线相连，并以传统变压器汇集各类负载。因此，发电机电压与频率控制是其控制运行的重要环节。近年来，随着电力电子技术发展和推进系统能源结构变化，船舶电力系统的研究重点转变为集成化直流船舶电力系统。相较于交流船舶电力系统，直流船舶电力系统能够通过电力电子变流器实现功率器件与直流母线互联，简化发电机连接形式并灵活地调控高速发电机转速。同时，直流船舶电力系统中的传统变压器由固态变压器代替，具备功率密度高、适装性好、运行效率高、发电机转速不受系统频率限制等优势。
现有典型直流船舶配电系统结构如图1所示，电源(如燃料电池)经两组单输入单输出(SISO)变流器分别连接到直流母线1和2。正常运行时只有其中一组变流器 (以变流器1为例)投入运行。当与该变流器相连的母线(母线1)故障时，相应电源转移至母线2，以保障持续供电。图1中，Gt全称为gas turbine(燃气涡轮发动机)；MT G1为主交流发电机1；MT G2为主交流发电机2。
现有文献1：L.Xu et al.,"A Review of DC Shipboard Microgrids—Part I:Power Architectures,Energy Storage,and Power Converters,"in IEEE Transactionson Power Electronics,vol.37,no.5,pp.5155-5172,May 2022,doi:10.1109/TPEL.2021.3128417.。
文献1摘要部分：综合电力系统广泛应用于造船业。相较于交流船舶微电网，直流船舶微电网(DC-SMGs)在系统效率、运行灵活程度、器件型号、故障保护性能方面具备较大优势。直流船舶微电网技术仍处于发展阶段，在不同的系统架构和电压等级下，直流船舶微电网具备多种结构类型。直流船舶微电网的功能区包括发电模块(PGMs)，推进系统、大功率负载，尤其在军用舰艇中还包括脉冲负载等。现代化船舶中，功能模块不仅包括发电机和燃料电池、还包括能量存储单元(ESSs)。通过将能量存储单元和发电机结合，能够直流船舶微电网可靠性和效率获得全面提升。大功率电力电子变流器是互联直流分布式系统和功能模块的重要结构。与发电机相连的逆变器实现直流母线电压调控和功率分配等功能；与推进电机相连的逆变器承担复杂工况下电机驱动任务；连接能量存储单元的双向直流-直流变流器承担平衡功率和抑制电压波动等功能。针对现有直流船舶电力系统结构、包括电机、储能设备和功率变流器的功能模块，做出详尽的概述。
现有船舶直流配电系统都是基于单输入单输出变流器。随着船舶综合电力系统的储能设备接入比例提高、潮流方向更加复杂，单输入单输出变流器无法集成多个功率设备，难以适应电压变换、潮流分配以及故障切除等功能需求，且多个单输入单输出变流器之间的互联耦合作用不容忽视，不利于系统稳定运行与协调控制。
现有文献2：[2]Improved Boundary Operation for Voltage-Fed Semi-DABWith ZVS Achievement and Nonactive Power Reduction[J].IEEE Transactions OnIndustrial Electronics,vol.64,no.8,pp.6179-6189,August.2021.。
文献2摘要部分：该文献面向单向功率传输应用场景，提出了一种基于半双有源桥式变流器的优化运行策略。该文献详细介绍了该拓扑工作原理，并将提出的边界运行方式与传统单相移控制做比较。在大多数工作条件下，本拓扑可以抑制无功功率并显著降低输出端MOSFET的导通损耗，同时实现所有功率开关和二极管零电压导通和关断、实现输出整流二极管在大多数工作条件下零电流导通和关断。另外，该文献给出了以无功功率为优化目标的死区时间和补偿值等参数设计，可以简化闭环控制。该文献提出的控制策略的有效性通过1KW样机的实验结果得到验证。 MOSFET的英文全称为Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，中文译文为金属-氧化层半导体场效晶体管。
该文献所述之方案仅具备两个外接端口，相较于三端口半双有源桥式变流器，难以满足连接直流母线与储能设备的多端电能节点之间可控潮流分配与电压变化的性能要求，且功率密度较低、故障重构能力差、难以实现器件集成，因而在现代化直流船舶综合电力系统中不具备应用优势。
公开号为CN114024334A的中国发明专利文献公开了一种基于双PWM变流器的船舶轴带发电系统及方法，包括发电系统，所述发电系统组成包括主机、轴带发电机、两个PWM变流器，所述主机通过齿轮箱驱动轴带发电机转动，所述轴带发电机发出的交流电通过PWM整流器整流成直流电，所述直流电通过PWM逆变器逆变成恒压恒频交流电，所述恒压恒频交流电通过电抗器并入电网。包括发电方法，所述永磁同步电机通过电机侧变流器控制，所述电网通过电网侧变流器控制。
针对上述中的相关技术，发明人认为图1所述方案存在故障转移时间长、变流器占地体积大的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器及其使用方法。
根据本发明提供的一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器，包括第一输出端口变换器、第二输出端口变换器、输入端口变换器和变压器模块；
所述输入端口变换器的输入端能够连接发电单元；
所述输入端口变换器的输出端连接变压器模块的输入端；
所述变压器模块的第一输出端连接第一输出端口变换器的输入端；
所述第一输出端口变换器的输出端能够连接第一直流母线；
所述变压器模块的第二输出端连接第二输出端口变换器的输入端；
所述第二输出端口变换器的输出端能够连接第二直流母线。
优选的，所述直流变流器在正常工作状态下，通过调节输出端口变换器移相角，控制传输功率；输入端口传输功率Pin：
Pin＝Po1+Po2 (1)；
其中，Po1表示第一输出端口传输功率；Po2表示第二输出端口传输功率；
设定第一输出端口为相对输入端口移相角小的输出端口，则第一输出端口传输功率Po1：
Figure RE-GDA0003760109520000041
其中，Vin表示输入端口直流电压；Vout表示输出电压折算值，满足Vout＝Vo1＝Vo2；Vo1表示第一输出端口直流电压折算到输入端口的电压值；Vo2表示第二输出端口直流电压折算到输入端口的电压值；fs表示开关频率；
Figure RE-GDA0003760109520000042
表示第一输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角；
Figure RE-GDA0003760109520000043
表示第二输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角；Lk表示第一输出端口漏感和第二输出端口漏感折算到输入端口与输入端口漏感之和，即为总漏感Lk：
Lk＝Lk_in+n2Lk_o1+n2Lk_o2 (3)；
其中，Lk_o1表示三绕组变压器第一输出端口侧的漏感；Lk_o2分别表示三绕组变压器第二输出端口侧的漏感；Lk_in表示三绕组变压器输入侧漏感；n表示变压器匝数比；
第二输出端口传输功率Po2：
Figure RE-GDA0003760109520000051
将第一输出端口功率对第一输出端口移相角求偏导数
Figure RE-GDA0003760109520000052
求得固定第二输出端口移相角时，第一输出端口功率对第一输出端口移相角的变化率：
Figure RE-GDA0003760109520000053
将第二输出端口功率对第二输出端口移相角求偏导数
Figure RE-GDA0003760109520000054
求得固定第一输出端口移相角时，第二输出端口功率对第二输出端口移相角的变化率：
Figure RE-GDA0003760109520000061
当第一输出端口功率对第一输出端口的移相角大于零时，即为满足式(7)时，调节第一输出端口移相角保持第一输出端口工作在稳定状态；
Figure RE-GDA0003760109520000062
当第二输出端口功率对第二输出端口的移相角大于零时，即为满足式(8)时，调节第二输出端口移相角保持第二输出端口工作在稳定状态；
Figure RE-GDA0003760109520000063
优选的，所述直流变流器在正常工作状态下，通过调节移相角处于设定工作范围，满足软开关技术实现条件；
在正常工作状态下，第一输出端口移相角
Figure RE-GDA0003760109520000064
和第二输出端口移相角
Figure RE-GDA0003760109520000065
满足式(9)：
Figure RE-GDA0003760109520000066
优选的，所述直流变流器一输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器下桥臂开关管导通，构成故障端口回路，将故障端口变压器短路，进行非故障端口工作。
优选的，若第二输出端口发生直流短路故障，即为Vo2＝0；
在单输出运行状态下，输入端口传输功率Pin如式(10)所示：
Figure RE-GDA0003760109520000071
调整第一输出端口的移相角，在输出端口单输出运行状态下，第一输出端口移相角
Figure RE-GDA0003760109520000072
满足式(11)：
Figure RE-GDA0003760109520000073
优选的，所述直流变流器针对不同应用场景，确定直流配电系统在正常工作状态下的不同额定输入功率，进而通过式(1)、式(2)和式(4)计算得到总漏感Lk，作为该应用场景下的漏感参数设计值。
优选的，所述直流变流器正常运行模式参数设计：
对于软开关实现条件，在正常工作状态下输入端口和输出端口的漏感参数设计值须满足式(12)：
Figure RE-GDA0003760109520000074
其中，iL_in表示输入端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o1表示第一输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o2表示第二输出端口变换器开关管开通瞬间电流值； Cp_in表示输入端口变换器开关管寄生电容值；Cp_o1表示第一输出端口变换器开关管寄生电容值；Cp_o2表示第二输出端口变换器开关管寄生电容值；
经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(12)，则该总漏感Lk参数设计值在直流配电系统的正常运行模式下实现额定功率输送，并满足软开关条件；
若总漏感Lk参数设计值不满足额定功率传输要求和实现软开关条件，调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至同时满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
优选的，所述直流变流器单母线故障运行参数设计：
同双输出运行模式的参数设计，在输出端口单输出运行状态下，输入端口和输出端口漏感参数设计值须满足式(13)：
Figure RE-GDA0003760109520000075
其中，iL_in_fault表示输入端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o1表示第一输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o2表示第二输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；
经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(13)，则该总漏感Lk参数设计值在直流配电系统的故障运行模式下实现额定功率输送，并满足软开关条件；
若总漏感Lk参数设计值不满足额定功率传输要求和实现软开关条件，调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至同时满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
根据本发明提供的一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器的使用方法，包括如下步骤：
步骤S1：直流变流器连接发电单元、第一直流母线和第二直流母线；
步骤S2：发电单元经直流变流器向第一直流母线和/或第二直流母线传输功率。
优选的，在所述步骤S2中，所述直流变流器一输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器下桥臂开关管导通，构成故障端口回路，将故障端口变压器短路，进行非故障端口工作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出具备短路端口清除能力的多负载供电DC-DC变流器拓扑结构以及故障重构方法，基于双母线供电直流变流器，实现两路输出母线侧接口变流器功能集成设计，降低变流器总体积与成本；
2、本发明基于双母线供电直流变流器故障容错功能，实现故障母线灵活切除，保证非故障母线正常运行，降低故障保护动作影响时间，提升船舶配电系统运行可靠性；
3、本发明基于变流器内部开关重构，降低与之相连直流断路器动作速度与故障电流开断要求，进一步降低直流配电系统总体积。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为船舶直流配电系统典型结构中基于两组独立功率模块的直流船舶配电系统图；
图2为船舶直流配电系统典型结构中含有双母线供电变流器的船舶直流配电系统图；
图3为多端口DC-DC变流器在直流船舶配电系统中的应用图；
图4为正常模式下(双输出)变流器工作波形图；
图5为三端口单向DC-DC变流器单输出运行示意图；
图6为单输出运行变流器驱动脉冲波形，变换器交流端口电压波形和电感电压、电流波形图；
图7为正常运行时输出端口1实际电压波形图与参考电压波形图；
图8为正常运行时输出端口2实际电压波形图与参考电压波形图；
图9为输出端口1输出功率图；
图10为输出端口2变换器开关S7、S8驱动脉冲参数波形图；
图11为故障状态下开关S2参数波形图；
图12为正常状态下开关S2参数波形图；
图13为故障状态下开关S6参数波形图；
图14为正常状态下开关S6参数波形图；
图15为故障状态下二极管D3参数波形图；
图16为正常状态下二极管D3参数波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例一公开了一种面向船舶直流配电系统的故障容错型双母线发电用直流变流器，如图2所示，该直流变流器能够连接发电单元、第一直流母线和第二直流母线。发电单元经直流变流器向第一直流母线和/或第二直流母线传输功率。本发明的船舶直流电源接入方案。正常运行时，发电电源经双输出型变流器向两条母线传输功率。当单母线故障时，基于该变流器实现故障母线隔离，同时保证非故障母线功率传输。
直流变流器在正常工况下进行第一直流母线和第二直流母线的输入功率分配。直流变流器在第一直流母线故障时，进行第一直流母线隔离和第二直流母线功率传输。直流变流器在第二直流母线故障时，进行第二直流母线隔离和第一直流母线功率传输。
本发明的技术方案面向船舶直流配电系统，为一种具备短路端口清除能力的双负载供电DC-DC变流器拓扑设计、故障重构方法和参数选择。下文中以图3所示的三端口单向DC-DC变流器拓扑，阐述其具体技术实现方案。DC英文全称为Direct Current，中文译文为直流。DC-DC表示直流到直流。AC英文全称为Alternating Current，中文译文为交流电。Iin表示电流源；DC BUS1表示第一直流母线；DC BUS2表示第二直流母线。
变流器拓扑方案设计：对于图3所示三端口变流器，包括与两条直流母线侧相连的单向整流侧桥臂(S1，D1，S2，D2以及S3，D3，S4，D4)以及电源侧双向逆变桥臂(S5，S6，S7，S8)。其中电源侧接入燃料电池、光伏等单向可再生发电单元 (电流源Iin)。变流器控制目标为正常工况下实现两母线间输入功率分配。同时，在某一侧母线出现故障时，实现非故障母线侧正常功率传输。
输入端口侧变换器由S5，S6，S7，S8构成全桥电路，直流侧与电流源相连，同时并联直流电容；输出端口1侧变换器由S1，S2，D1，D2构成单有源桥式电路，直流侧与直流母线相连，同时并联直流电容；输出端口2侧变换器由S3，S4，D3，D4 构成单有源桥式电路，直流侧与直流母线相连，同时并联直流电容。
直流变流器包括第一输出端口变换器(单向整流侧桥臂)、第二输出端口变换器(单向整流侧桥臂)、输入端口变换器(电源侧双向逆变桥臂)和变压器模块。所述输入端口变换器的输入端能够连接发电单元。所述输入端口变换器的输出端连接变压器模块的输入端。所述变压器模块的第一输出端连接第一输出端口变换器的输入端。所述第一输出端口变换器的输出端能够连接第一直流母线。所述变压器模块的第二输出端连接第二输出端口变换器的输入端。所述第二输出端口变换器的输出端能够连接第二直流母线。
所述第一输出端口变换器包括第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管S1和第二开关管S2；所述变压器模块为两绕组变压器串联型变压器模块；所述第二输出端口变换器包括第二电容C2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开关管S3和第四开关管S4；所述输入端口变换器包括第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8和第三电容C3。
变压器模块包括第一输出端口漏感Lk_o1、第一理想变压器Tr1，第二输出端口漏感Lk_o2、第二理想变压器Tr2和输入漏感Lk_in。第一输出端口漏感Lk_o1和第二输出端口漏感Lk_o2为图3中Ls，输入漏感Lk_in为图3中Lp。
第一电容的正极能够连接第一直流母线的正极，且第一电容的正极分别连接第一二极管的负极和第二二极管的负极。
第一电容的负极能够连接第一直流母线的负极，且第一电容的负极分别连接第一开关管的一端和第二开关管的一端。
第一二极管的正极分别连接第一开关管的另一端和第一理想变压器的次级线圈第二端口。
第二二极管的正极分别连接第二开关管的另一端和第一输出端口漏感的一端。
第一输出端口漏感的另一端连接第一理想变压器的次级线圈第一端口。
第二电容的正极能够连接第二直流母线的正极，且第二电容的正极分别连接第四二极管的负极和第三二极管的负极。
第二电容的负极能够连接第二直流母线的负极，且第二电容的负极分别连接第四开关管的一端和第三开关管的一端。
第四二极管的正极分别连接第四开关管的另一端和第二理想变压器的次级线圈第二端口。
第三二极管的正极分别连接第三开关管的另一端和第二输出端口漏感的一端。
第二输出端口漏感的另一端连接第二理想变压器的次级线圈第一端口。
第一理想变压器的初级线圈第一端口和第二理想变压器的初级线圈第一端口连接。
第一理想变压器的初级线圈第二端口分别连接第七开关管的一端和第八开关管的一端。
第二理想变压器的初级线圈第二端口连接输入漏感的一端。
输入漏感的另一端分别连接第五开关管的一端和第六开关管的一端。
第五开关管的另一端分别连接第七开关管的另一端、第三电容的正极和发电单元的正极输出端。
第六开关管的另一端分别连接第八开关管的另一端、第三电容的负极和发电单元的负极输出端。
第一电容的正极和负极为第一输出端口变换器的输出端。第一二极管的正极和第二二极管的正极为第一输出端口变换器的输入端。第一输出端口漏感的一端和第一理想变压器的次级线圈第二端口为变压器模块的第一输出端。第二电容的正极和负极为第二输出端口变换器的输出端。第三二极管的正极和第四二极管的正极为第二输出端口变换器的输入端。第二输出端口漏感的一端和第二理想变压器的次级线圈第二端口为变压器模块的第二输出端。第一理想变压器的初级线圈第二端口和输入漏感的另一端为变压器模块的输入端。第七开关管的一端和第六开关管的一端为输入端口变换器的输出端。第五开关管的另一端和第六开关管的另一端为输入端口变换器的输入端。
开关管S1到开关管S8共8个开关管，称为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，中文译文为绝缘栅双极型晶体管。
三端口单向DC-DC变流器运行控制：正常运行模式：对于图3所示三端口单向 DC-DC变流器拓扑，正常工作状态下，变流器驱动脉冲波形，变流器交流端口电压波形和电感电压、电流波形如图4所示。S1,4指的是第一开关和第四开关，S2,3指的是第二开关和第三开关；t表示时间。
在正常工作状态下，三端口单向DC-DC变流器拓扑与DAB具有相似的控制方法和性能参数。DAB英文全称为Dual Active Bridge，中文译文为双有源桥。通过调节输出端口变换器移相角，可以控制传输功率。输入端口传输功率Pin如式(1)所示。即直流变流器在正常工作状态下，通过调节输出端口变换器移相角，控制传输功率；输入端口传输功率Pin：
Pin＝Po1+Po2 (1)。
其中，Po1表示输出端口1(第一输出端口)传输功率；Po2表示输出端口2(第二输出端口)传输功率。
设定输出端口1为相对输入端口移相角较小的输出端口，则输出端口1传输功率Po1如式(2)所示。即设定第一输出端口为相对输入端口移相角小的输出端口，则第一输出端口传输功率Po1：
Figure RE-GDA0003760109520000131
其中，Vin表示输入端口直流电压；Vo1表示第一输出端口(输出端口1)直流电压折算到输入端口的电压值；Vo2表示第二输出端口(输出端口2)直流电压折算到输入端口的电压值；Vout表示输出电压折算值，满足Vout＝Vo1＝Vo2；fs表示开关频率；
Figure RE-GDA0003760109520000132
表示第一输出端口(输出端口1)变换器相对输入端口变换器的移相角；
Figure RE-GDA0003760109520000133
表示第二输出端口(输出端口2)变换器相对输入端口变换器的移相角；Lk表示第一输出端口(输出端口1)漏感和第二输出端口(输出端口2)漏感折算到输入端口与输入端口漏感之和，即为总漏感Lk如式(3)所示：
Lk＝Lk_in+n2Lk_o1+n2Lk_o2 (3)；
其中，Lk_o1表示三绕组变压器第一输出端口侧的漏感；Lk_o2分别表示三绕组变压器第二输出端口侧的漏感；Lk_in表示三绕组变压器输入侧漏感；n表示变压器匝数比。
第二输出端口(输出端口2)传输功率Po2如式(4)所示：
Figure RE-GDA0003760109520000141
将输出端口1功率对输出端口1移相角求偏导数，求得固定输出端口2移相角时，输出功率1对输出端口1移相角的变化率，如式(5)所示。同理，将输出端口 2功率对输出端口2移相角求偏导数，求得固定输出端口1移相角时，输出功率2对输出端口2移相角的变化率，如式(6)所示。
将第一输出端口功率对第一输出端口移相角求偏导数
Figure RE-GDA0003760109520000142
求得固定第二输出端口移相角时，第一输出端口功率对第一输出端口移相角的变化率：
Figure RE-GDA0003760109520000143
将第二输出端口功率对第二输出端口移相角求偏导数
Figure RE-GDA0003760109520000144
求得固定第一输出端口移相角时，第二输出端口功率对第二输出端口移相角的变化率：
Figure RE-GDA0003760109520000151
当第一输出端口(输出端口1)功率对第一输出端口(输出端口1)的移相角大于零时，即为满足式(7)时，调节第一输出端口(输出端口1)移相角保持第一输出端口(输出端口1)工作在稳定状态；
Figure RE-GDA0003760109520000152
同理，当输出端口2的功率对输出端口2的移相角大于零时，即为满足式(8) 时，调节输出端口2移相角可以保持端口2工作在稳定状态。即当第二输出端口功率对第二输出端口的移相角大于零时，即为满足式(8)时，调节第二输出端口移相角保持第二输出端口工作在稳定状态；
Figure RE-GDA0003760109520000153
正常状态下变换器运行控制应以降低电路运行损耗为考量，软开关技术的实现对两个输出端口移相角控制范围提出新的要求。软开关技术之零电压导通(ZVS) 基本原理为，开关管的驱动脉冲到来之前，开关管的反并联二极管有电流流过，开关管两端电压降为零。因此，通过调节移相角处于合理的工作范围，可以使本发明之技术方案在正常工作状态和单输出运行状态(即为故障模式)下，均满足软开关技术基本实现条件。在正常工作状态下，输出端口1移相角
Figure RE-GDA0003760109520000154
和输出端口2移相角
Figure RE-GDA0003760109520000155
须满足式(9)。
即直流变流器在正常工作状态下，通过调节移相角处于设定工作范围，满足软开关技术实现条件；在正常工作状态下，第一输出端口移相角
Figure RE-GDA0003760109520000156
和第二输出端口移相角
Figure RE-GDA0003760109520000157
满足式(9)：
Figure RE-GDA0003760109520000161
母线故障容错运行：某个输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器两个下桥臂开关管(第三开关S3和第四开关S4)导通，构成故障端口回路，等效地将故障端口变压器短路，从而避免对非故障端口正常工作造成影响。三端口单向DC-DC变流器单输出运行示意图如图5所示。单输出运行状态下，变换器驱动脉冲波形、变换器端口电压波形和电感电压、电流波形如图6所示。即直流变流器一输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器下桥臂开关管导通，构成故障端口回路，将故障端口变压器短路，进行非故障端口工作。
假设输出端口2发生直流短路故障，即为Vo2＝0。在单输出运行状态下，输入端口传输功率Pin如式(10)所示。即若第二输出端口发生直流短路故障，即为Vo2＝0；在单输出运行状态下，输入端口传输功率Pin如式(10)所示：
Figure RE-GDA0003760109520000162
为保证输出端口2发生直流短路故障时，输出端口1的工作状态不受影响，应调整输出端口1的移相角，确保输出端口1的输出功率不变。
同理，确定输出端口移相角控制范围以在故障模式下实现软开关。在输出端口单输出运行状态下，正常输出端口1移相角
Figure RE-GDA0003760109520000164
须满足式(11)。即调整第一输出端口的移相角，在输出端口单输出运行状态下，第一输出端口移相角
Figure RE-GDA0003760109520000165
满足式(11)：
Figure RE-GDA0003760109520000163
同理，同样可以得到输出端口1发生直流短路故障的情况。
变流器参数设计：电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
针对本发明提出之技术方案的不同应用场景，可以确定直流配电系统在正常工作状态下的额定输入功率，进而通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk，作为该应用场景下的漏感参数设计值。即直流变流器针对不同应用场景，确定直流配电系统在正常工作状态下的不同额定输入功率，进而通过式(1)、式(2)和式 (4)计算得到总漏感Lk，作为该应用场景下的漏感参数设计值。
正常运行模式参数设计：对于软开关实现条件，由于开关管存在寄生电容等固有特性，为设计满足软开关实现条件的漏感参数，降低开关管开通损耗和关断损耗，应考虑寄生电容参数。在一个周期内，电感存储的能量应大于一个变换器的寄生电容存储的能量。即为，在正常工作状态下输入端口和2个输出端口漏感参数设计值须满足式(12)。
即直流变流器正常运行模式参数设计：对于软开关实现条件，在正常工作状态下输入端口和输出端口的漏感参数设计值须满足式(12)：
Figure RE-GDA0003760109520000171
其中，iL_in表示输入端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o1表示第一输出端口(输出端口1)变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o2表示第二输出端口(输出端口2) 变换器开关管开通瞬间电流值；Cp_in表示输入端口变换器开关管寄生电容值；Cp_o1表示第一输出端口(输出端口1)变换器开关管寄生电容值；Cp_o2表示第二输出端口 (输出端口2)变换器开关管寄生电容值；Lk_o1表示三绕组变压器第一输出端口侧的漏感；Lk_o2分别表示三绕组变压器第二输出端口侧的漏感；Lk_in表示三绕组变压器输入侧漏感。
经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(12)，则该总漏感Lk参数设计值在直流配电系统的正常运行模式下实现额定功率输送，并满足软开关条件；若总漏感Lk参数设计值不满足额定功率传输要求和实现软开关条件，调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至同时满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
即经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(12)，则该漏感参数设计值可以使本专利所设计的直流配电系统在该应用场景下实现额定功率输送，并从电路参数设计的意义上满足软开关条件；若漏感值不满足上述两个条件，应调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
直流变流器单母线故障运行参数设计：同双输出运行模式的参数设计，在输出端口单输出运行状态下，输入端口和两个输出端口漏感参数设计值须满足式(13)：
Figure RE-GDA0003760109520000181
其中，iL_in_fault表示单母线故障运行状态下输入端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o1表示第一输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o2表示第二输出端口变换器开关管开通瞬间电流值。
经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(13)，则该总漏感Lk参数设计值在直流配电系统的故障运行模式下实现额定功率输送，并满足软开关条件。
若总漏感Lk参数设计值不满足额定功率传输要求和实现软开关条件，调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至同时满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
本发明实施例一还公开了一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器的使用方法，包括如下步骤：步骤S1：直流变流器连接发电单元、第一直流母线和第二直流母线。步骤S2：发电单元经直流变流器向第一直流母线和/或第二直流母线传输功率。所述直流变流器一输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器下桥臂开关管导通，构成故障端口回路，将故障端口变压器短路，进行非故障端口工作。
本发明实施例二还公开了一种面向船舶直流配电系统的故障容错型双母线发电用直流变流器，为验证本发明提出之技术方案，基于Matlab/PLECS仿真环境建立如图3所示之系统模型。应用场景：低压直流配电系统。电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
对于额定传输功率，取输出端口1移相角为
Figure RE-GDA0003760109520000182
输出端口2移相角为
Figure RE-GDA0003760109520000183
时，输入端口传输功率为额定功率，即为输入端口额定功率PN_in＝600W，通过式 (1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk＝6.163μH。同时，考虑在输出端口单输出运行情况下，故障端口变压器的原边电压应接近零，以减小对正常输出端口和输入端口的影响。因此，选取Lk_in＝6.113μH，Lk_o1＝0.8μH，Lk_o2＝0.8μH。
对于软开关实现条件，取输入端口和2个输出端口寄生电容值分别为 Cp_in＝1000pF，Cp_o1＝Cp_o2＝200pF。验证得到输入端口、输出端口1和输出端口2漏感参数设计值均满足式(12)和(13)，说明按照该电路在正常工作状态下和单输出工作状态下均满足软开关实现条件。另外，输出端口1移相角
Figure RE-GDA0003760109520000184
和输出端口2移相角
Figure RE-GDA0003760109520000185
取值须同时满足式(9)和(11)。
综上，该应用场景下系统参数如表1所示。其中，2E-5＝0.00002。
表1低压直流配电系统参数表
Figure RE-GDA0003760109520000191
仿真结果：为验证适用于双馈线直流船舶电力系统、具备短路端口清除能力的多负载供电DC-DC变流器拓扑设计以及故障重构方法对阻断输出端口短路故障的可行性，以及针对单输出运行状态设计的电路参数的有效性，启动后在0.01s时某个输出端口发生直流短路故障并采取故障保护措施，在0.02s时故障输出端口恢复正常工作并切换至正常工作状态控制模式，分析电路重要参数波形。
正常运行时，闭环控制下输出端口1和输出端口2直流侧电压如图7和图8所示，从图中可以看出，系统正常运行状态下当负载变化时，直流侧电压能够较快跟踪指令值，验证了输出端口电压与功率调节能力。
端口短路与故障恢复结果，如图7所示。Vo1-ref表示输出端口1的电压参考值，Vo1表示输出端口1的电压实际值，Voltage表示电路参数为电压。启动时刻，取输出端口 1的初始移相角为
Figure RE-GDA0003760109520000201
取输出端口2移相角为
Figure RE-GDA0003760109520000202
正常工作情况下，输入功率为600W，输出端口1输出功率为300W，输出端口2输出功率为300W。输出端口2单输出运行情况下，取输出端口1的移相角为
Figure RE-GDA0003760109520000203
输入功率为300W，等于输出端口 1输出功率。通过在输出端口2短路故障时刻(t＝0.01s)改变输出端口1的移相角，可以保持输出端口1的输出功率在故障前后(t＝0.01s，t＝0.02s)不变，进而保证输出端口 1的工作状态不受输出端口2短路故障影响。另外，将48V直流配电系统电路参数带入式(1)、式(2)、式(4)，验证了理论计算结果的正确性。图8中Vo2-ref表示输出端口 2的电压参考值，Vo2表示输出端口2的电压实际值，Voltage表示电路参数为电压。
输出端口1功率如图9所示，故障端口变换器驱动脉冲波形如图10所示。系统单输出运行情况下，故障端口变换器下桥臂开关管常开，构成短路回路以实现故障端口变压器原边等效短路。
单输出运行状态输入端口变换器IGBT ZVS波形、单输出运行状态正常输出端口变换器IGBT ZVS波形、正常运行状态输入端口变换器IGBT ZVS波形、正常运行状态输出端口变换器IGBT ZVS波形分别如图11、图12、图13、图14所示。从图中可以看出，正常工作状态和输出端口2故障状态下开关器件驱动脉冲、电压降落、导通电流参数波形图，在系统正常运行和输出端口发生短路故障情况下，原边和副边的开关管在导通的驱动脉冲到来之前，两端电压均已降至零，并且有电流流过开关管并联的二极管，因此可以实现软开关。图11中E-02即为0.01。单输出运行状态正常输出端口变换器二极管ZVS波形、正常运行状态输出端口变换器二极管ZVS波形如图15、16所示，从图中可以看出，正常工作状态和输出端口2故障状态下二极管电压降落、导通电流参数，在系统正常运行和单个输出端口发生短路故障情况下，副边变换器上桥臂的二极管在导通时，两端电压均已降至零，因此可以实现软开关。
本发明针对直流船舶系统中燃料电池、新能源发电接入需求，创新地提出一种新的具备端口短路故障清除能力的双母线供电DC-DC变换器拓扑以及故障重构方法。与现有技术方案相比，本发明特点在于：实现两路输出母线侧接口变换器之间集成设计，降低变流器总体积与成本；基于双母线间功率灵活分配，实现母线间功率支撑，降低总储能容量需求；基于多端口变流器，实现故障母线灵活切除，保证非故障母线侧正常运行，降低故障保护动作影响时间，提升船舶配电系统运行可靠性；基于变流器内部开关重构，降低与之相连直流断路器动作速度与故障电流开断要求，进一步降低直流配电系统总体积。
针对图1所示的典型应用场景，本发明对该运行方案进行原理阐述，并通过仿真模拟下的实施案例证实其有效性。本发明尤其涉及船舶用电源接口变流器及相应电路参数设计、容错控制与故障重构。本发明设计具备母线侧短路故障清除能力的船舶直流发电DC-DC变流器拓扑，实现单一母线侧短路故障下船舶直流配电系统可靠供电。本发明的变流器具备两个单向整流桥臂，分别与两个输出端口相连，因此连接两条母线。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，包括第一输出端口变换器、第二输出端口变换器、输入端口变换器和变压器模块；
所述输入端口变换器的输入端能够连接发电单元；
所述输入端口变换器的输出端连接变压器模块的输入端；
所述变压器模块的第一输出端连接第一输出端口变换器的输入端；
所述第一输出端口变换器的输出端能够连接第一直流母线；
所述变压器模块的第二输出端连接第二输出端口变换器的输入端；
所述第二输出端口变换器的输出端能够连接第二直流母线。
2.根据权利要求1所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，所述直流变流器在正常工作状态下，通过调节输出端口变换器移相角，控制传输功率；输入端口传输功率Pin：
Pin＝Po1+Po2 (1)；
其中，Po1表示第一输出端口传输功率；Po2表示第二输出端口传输功率；
设定第一输出端口为相对输入端口移相角小的输出端口，则第一输出端口传输功率Po1：
Figure FDA0003614422750000011
其中，Vin表示输入端口直流电压；Vout表示输出电压折算值，满足Vout＝Vo1＝Vo2；fs表示开关频率；
Figure FDA0003614422750000012
表示第一输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角；
Figure FDA0003614422750000013
表示第二输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角；Lk表示第一输出端口漏感和第二输出端口漏感折算到输入端口与输入端口漏感之和，即为总漏感Lk：
Lk＝Lk_in+n2Lk_o1+n2Lk_o2 (3)；
其中，Lk_o1表示三绕组变压器第一输出端口侧的漏感；Lk_o2分别表示三绕组变压器第二输出端口侧的漏感；Lk_in表示三绕组变压器输入侧漏感；n表示变压器匝数比；
第二输出端口传输功率Po2：
Figure FDA0003614422750000021
将第一输出端口功率对第一输出端口移相角求偏导数
Figure FDA0003614422750000022
求得固定第二输出端口移相角时，第一输出端口功率对第一输出端口移相角的变化率：
Figure FDA0003614422750000023
将第二输出端口功率对第二输出端口移相角求偏导数
Figure FDA0003614422750000024
求得固定第一输出端口移相角时，第二输出端口功率对第二输出端口移相角的变化率：
Figure FDA0003614422750000031
当第一输出端口功率对第一输出端口的移相角大于零时，即为满足式(7)时，调节第一输出端口移相角保持第一输出端口工作在稳定状态；
Figure FDA0003614422750000032
当第二输出端口功率对第二输出端口的移相角大于零时，即为满足式(8)时，调节第二输出端口移相角保持第二输出端口工作在稳定状态；
Figure FDA0003614422750000033
3.根据权利要求2所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，所述直流变流器在正常工作状态下，通过调节移相角处于设定工作范围，满足软开关技术实现条件；
在正常工作状态下，第一输出端口移相角
Figure FDA0003614422750000034
和第二输出端口移相角
Figure FDA0003614422750000035
满足式(9)：
Figure FDA0003614422750000036
4.根据权利要求1所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，所述直流变流器一输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器下桥臂开关管导通，构成故障端口回路，将故障端口变压器短路，进行非故障端口工作。
5.根据权利要求4所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，若第二输出端口发生直流短路故障，即为Vo2＝0；
在单输出运行状态下，输入端口传输功率Pin如式(10)所示：
Figure FDA0003614422750000041
调整第一输出端口的移相角，在输出端口单输出运行状态下，第一输出端口移相角
Figure FDA0003614422750000042
满足式(11)：
Figure FDA0003614422750000043
6.根据权利要求2所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，所述直流变流器针对不同应用场景，确定直流配电系统在正常工作状态下的不同额定输入功率，进而通过式(1)、式(2)和式(4)计算得到总漏感Lk，作为该应用场景下的漏感参数设计值。
7.根据权利要求6所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，所述直流变流器正常运行模式参数设计：
对于软开关实现条件，在正常工作状态下输入端口和输出端口的漏感参数设计值须满足式(12)：
Figure FDA0003614422750000044
其中，iL_in表示输入端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o1表示第一输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o2表示第二输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；Cp_in表示输入端口变换器开关管寄生电容值；Cp_o1表示第一输出端口变换器开关管寄生电容值；Cp_o2表示第二输出端口变换器开关管寄生电容值；
经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(12)，则该总漏感Lk参数设计值在直流配电系统的正常运行模式下实现额定功率输送，并满足软开关条件；
若总漏感Lk参数设计值不满足额定功率传输要求和实现软开关条件，调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至同时满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
8.根据权利要求6所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，其特征在于，所述直流变流器单母线故障运行参数设计：
同双输出运行模式的参数设计，在输出端口单输出运行状态下，输入端口和输出端口漏感参数设计值须满足式(13)：
Figure FDA0003614422750000051
其中，iL_in_fault表示输入端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o1表示第一输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；iL_o2表示第二输出端口变换器开关管开通瞬间电流值；
经计算验证，若通过式(1)、式(2)、式(4)计算得到总漏感Lk参数设计值满足式(13)，则该总漏感Lk参数设计值在直流配电系统的故障运行模式下实现额定功率输送，并满足软开关条件；
若总漏感Lk参数设计值不满足额定功率传输要求和实现软开关条件，调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至同时满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
9.一种面向船舶直流系统的发电用直流变流器的使用方法，其特征在于，应用权利要求1-8任一所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器，包括如下步骤：
步骤S1：直流变流器连接发电单元、第一直流母线和第二直流母线；
步骤S2：发电单元经直流变流器向第一直流母线和/或第二直流母线传输功率。
10.根据权利要求9所述的面向船舶直流系统的发电用直流变流器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述直流变流器一输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器下桥臂开关管导通，构成故障端口回路，将故障端口变压器短路，进行非故障端口工作。
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CN115912350A (zh) * 2022-11-29 2023-04-04 盛东如东海上风力发电有限责任公司 一种用于规避故障辐射影响的变流器策略分配方法及系统
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