CN115242100A - 具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，半桥HB1配合电容C1、电容C2接入双极系统正极，并通过高频变压器Tr1连接半桥HB3、半桥HB4；半桥HB2配合电容C3、电容C4接入双极系统负极，并通过高频变压器Tr2连接半桥HB4、半桥HB5；半桥HB3、半桥HB4、半桥HB5以及输出电容并联连接。本发明采用并联双变压器半桥结构，实现双极侧正极与负极功率解耦；具备双极与单极两种运行模式，可实现储能设备灵活接入双极直流系统；双极直流侧发生单极故障后，能够维持单极侧储能与双极侧未故障极之间功率正常交换。

Description

具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器
技术领域
本发明涉及中低压双极直流配电技术领域，具体地，涉及具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器。
背景技术
相比于交流配电系统，直流配电系统具有传输容量更大、控制更方便等优势，应用前景广泛。在可再生能源接入、数据中心、智慧建筑等直流源、荷占比较高的场合，采用直流配电系统，可减少交直流变换环节。
双极直流系统具备源荷多电压等级、多方式灵活接入特性。储能系统接入双极直流系统时，传统常采用双线接入形式，即接入正负极母线间，或接入双极系统中其中一极。若采用双极直流系统变换器作为接口变换器，同时接入正、负极母线与中性线，不仅可实现储能设备双极复用，同时可借助变换器双向功率流动功能，实现正负极间功率调配。
常见的具备功率双向流动能力的双极变换器拓扑包括三电平双向Buck变换器、三有源桥变换器等。三电平双向Buck变换器结构简单，但电压变比范围不够宽，无法充分匹配储能系统电压宽范围变化的特性。三有源桥变换器结构清晰，但开关器件数量较多，且变换器内部功率流动耦合性强。
综上，现有常见双极双向直流变换器拓扑，应用在储能系统双极接入场景中时，均在不同层面存在局限性。
文献1，Mamede H R,dos Santos W M,Martins D C.A new DC-DC powerconverter derived from the TAB for bipolar DC microgrids[C]//2015 IEEE EnergyConversion Congress and Exposition(ECCE).IEEE,2015:6217-6222，该文献提出了一种基于三有源桥(TAB)的新型直流-直流变换器，提出的变换器(这里称为DAB+DAB)的增益是传统双有源桥(DAB)变换器的两倍，有四个双向端口，可以作为单极和双极直流网络的接口，也可以作为高增益DAB，DAB+DAB制作简单，操作简单，在直流微电网中应用前景广阔。但是该文献不具备单极故障容错运行能力，当某一极发生短路故障时，变换器内部三绕组变压器随之短路，导致故障传递至另一极，与此同时，该文献所提出拓扑方案开关器件数量多，且采用多绕组变压器变换器内部功率流动耦合性强。
文献2，Monteiro V,Sousa T J C,Pedrosa D,et al.A Three-Level dc-dcConverter for Bipolar dc Power Grids:Analysis and Experimental Validation[C]//IECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial ElectronicsSociety.IEEE,2020:3761-3766，双极直流电网的概念已经出现，主要是由于与单极结构相比效率的提高和提供的灵活性，然而，不对称负载对电压不平衡的影响是需要克服的关键挑战，在这种情况下，电力电子发挥了重要的影响，因为拓扑特征有助于定义双极直流电网的质量，该文献介绍了一种双极双向三电平(BB3L)dc-dc变换器的应用，以缓解上述双极直流电网的担忧。该文献介绍了所提出的BB3L dc-dc变换器，并对其工作原理进行了深入的描述，由于BB3L dc-dc变换器工作在三个电压级别，因此可以降低开关器件的阻塞电压，这是这种拓扑结构的一个重要特征，此外，它还可以在开关频率加倍的电压和电流变量控制下工作，这也代表了该拓扑的一个附加值，该文献提出了不同的操作可能性，包括降压模式和升压模式，并通过实验验证了用于双极直流电网的BB3L dc-dc变换器的主要特性。但是该文献提出的拓扑在单极运行条件下仅具备降压运行能力，无法充分匹配储能系统电压宽范围变化的特性，同时，该拓扑不具备电气隔离能力，所接入元件相对于中线电位随开关状态浮动，对漏电流保护设计提出更高要求，此外，该拓扑不具备天然软开关特性，开关损耗较显著。
文献3，公开号为CN203251225U的专利文献公开了一种双向Buck变换器，包括正向BUCK变换器和负向BUCK变换器；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器反向串联；所述正向BUCK变换器和所述负向BUCK变换器共用相同电感L，将正向BUCK变换器和负向BUCK变换器合并，正向BUCK变换器和负向BUCK变换器共用同一个电感。但是该专利文献仍然存在电压变比范围不够宽的缺陷。
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具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器。
根据本发明提供的一种具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，包括：正极端口功率回路、负极端口功率回路、第一电容、第二电容以及第三电容；
所述正极端口功率回路包括半桥HB1、高频变压器Tr1、半桥HB3以及半桥HB4；所述半桥HB1与所述第二电容并联后接入双极直流系统正极，并通过所述高频变压器Tr1连接所述半桥HB3、所述半桥HB4；
所述负极端口功率回路包括半桥HB2、高频变压器Tr2、半桥HB4以及半桥HB5；所述半桥HB2与所述第三电容并联后接入双极直流系统负极，并通过所述高频变压器Tr2连接所述半桥HB4、所述半桥HB5；
所述半桥HB3、所述半桥HB4、所述半桥HB5以及第一电容并联连接。
优选的，所述第一电容为电容Co；
所述第二电容包括电容C1和电容C2，所述电容C1和所述电容C2串联后与所述半桥HB2并联；
所述第三电容包括电容C3和电容C4，电容C3和电容C4串联后与所述半桥HB2并联。
优选的，所述半桥HB1包括开关MOS管S11和开关MOS管S12；所述半桥HB2包括开关MOS管S21和开关MOS管S22；所述半桥HB3包括开关MOS管S31和开关MOS管S32；所述半桥HB4包括开关MOS管S41和开关MOS管S42；所述半桥HB5包括开关MOS管S51和开关MOS管S52；
所述开关MOS管S11的漏极连接所述电容C1的正极和所述双极直流系统的正极母线；所述开关MOS管S11的源极分别连接所述高频变压器Tr1的第一输入端和所述开关MOS管S12的漏极；
所述开关MOS管S12的源极分别连接所述电容C2的负极、所述电容C3的正极、所述开关MOS管S21的漏极以及所述双极直流系统的中性线；所述开关MOS管S21的源极分别连接所述高频变压器Tr2的第一输入端和所述开关MOS管S22的漏极；所述开关MOS管S22的源极分别连接所述电容C4的负极和所述双极直流系统的负极母线；
所述电容C1的负极分别连接所述电容C2的正极和所述高频变压器Tr1的第二输入端；所述电容C3的负极分别连接所述电容C4的正极和所述高频变压器Tr2的第二输入端；
所述高频变压器Tr1的第一输出端分别连接所述开关MOS管S31的源极和所述开关MOS管S32的漏极；所述高频变压器Tr1的第二输出端分别连接所述高频变压器Tr2的第一输出端、所述开关MOS管S41的源极以及所述开关MOS管S42的漏极；所述高频变压器Tr2的第二输出端分别连接所述开关MOS管S51的源极和所述开关MOS管S52的漏极；
所述开关MOS管S31的漏极分别连接所述开关MOS管S41的漏极、所述开关MOS管S51的漏极以及所述电容Co的正极；所述开关MOS管S32的源极分别连接所述开关MOS管S42的源极、所述开关MOS管S52的源极以及所述电容Co的负极。
优选的，双向双极直流变换器具有双极运行模式和单极运行模式；
当双向双极直流变换器的双极直流端口所连接的直流母线发生单极短路故障时，变换器从双极运行模式切换至单极运行模式，隔离故障端口相应功率回路，同时，另一路功率回路保持畅通。
优选的，所述双极运行模式具体为：
所述半桥HB1与所述半桥HB2桥臂分别互补导通；所述半桥HB3中的所述开关MOS管S31、所述半桥HB4中的所述开关MOS管S42以及所述半桥HB5中的所述开关MOS管S51同步通断，所述半桥HB3中的所述开关MOS管S32、所述半桥HB4中的开关MOS管S41以及所述半桥HB5中的所述开关MOS管S52同步通断；所述开关MOS管S11、所述开关MOS管S21相对于所述开关MOS管S42的移相角分别为θ1和θ2，所述移相角θ1和所述移相角θ2的取值范围为[-π/2，π/2]，所述移相角θ1和所述移相角θ2均大于0时，变换器内部功率流动方向为双极侧流向单极侧，通过调节移相角控制传输功率大小与方向。
优选的，所述单极运行模式具体为：
当所述正极端口功率回路发生短路故障时，令所述开关MOS管S11、所述开关MOS管S12、所述开关MOS管S31以及所述开关MOS管S32的驱动信号均设置为低电位，所述半桥HB2、所述半桥HB4以及所述半桥HB5正常运行；当负极端口功率回路发生短路故障时，令所述开关MOS管S21、所述开关MOS管S22、所述开关MOS管S51、所述开关MOS管S52的驱动信号均设置为低电位，所述半桥HB1、所述半桥HB3以及所述半桥HB4正常运行。
优选的，所述正极端口功率回路和所述负极端口功率回路的传输功率分别进行计算：
所述半桥HB1的端口功率为Ppos，所述半桥HB2端口功率为Pneg，分别用下式表示，端口功率为正表示变换器从外部输入功率，端口功率为负表示变换器从端口向外输出功率：
Figure BDA0003772643260000041
Figure BDA0003772643260000051
其中：Vo为变换器单极端口电压；fs为变换器开关频率；Lk1、Lk2分别为高频变压器Tr1、高频变压器Tr2折算到一次侧的等效漏感；n为高频变压器Tr1、高频变压器Tr2的匝比值；Vpos为双极直流正极电压，Vneg为双极直流负极电压；dθ1、dθ2分别为移相角占空比，分别通过下式表示：
dθ1＝θ1/π，
dθ2＝θ2/π，
双极运行模式下，单极侧端口功率Po通过下式表示：
Po＝Ppos+Pneg。
优选的，假设变换器中各开关管并联寄生电容均为Coss，死区时间为td，t0时刻后所述开关MOS管S11、所述开关MOS管S12并联输出电容与漏感Lk1谐振；
所述开关管S11零电压开通的条件为：死区时间内所述开关MOS管S11源漏极电压下降至0，同时所述开关MOS管S12源漏极电压下降至Vpos/2，死区时间应满足下式给出的关系：
Figure BDA0003772643260000052
其中：A、B、C、ωr、φ为中间变量，其具体表达式分别由下式给出：
Figure BDA0003772643260000053
Figure BDA0003772643260000054
B＝nVo，
C＝nVo+Vpos/2，
Figure BDA0003772643260000055
用Vin表示单极直流电压，Vpos＝Vneg＝Vin，当变换器的移相角θ1和θ2的绝对值均大于下式所确定的θmin时，变换器全部开关管能够工作于零电压开通模式：
Figure BDA0003772643260000061
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明应用于储能系统接入双极直流系统时，可切换双/单极输入模式，具备一定故障隔离及故障后容错运行能力；
2、本发明能够实现双极侧正极与负极功率解耦，便于变换器分析与控制策略设计；
3、本发明具备双极与单极两种运行模式，可实现储能设备灵活接入双极直流系统；
4、本发明的双向双极直流变换器在双极直流侧发生单极故障后，仍能通过变换器重构，维持单极侧储能与双极侧未故障极之间功率正常交换；
5、本发明采用并联双变压器半桥结构，实现双极侧正极与负极功率解耦；
6、本发明的双向双极直流变换器单极侧复用一组半桥，优化变换器整体器件数量；
7、本发明所提出的拓扑方案，通过两变压器并联，实现双极侧功率解耦，另一方面，本发明所提出的拓扑方案，在双极侧采用半桥而非全桥，从而减少开关器件数量；
8、本发明所提出的拓扑方案，在双极与单极运行模式下均具备升、降压能力，且在一定运行范围内可实现全部开关零电压开通。
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为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器的电路结构图；
图2为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器在双极运行模式下的关键波形图；
图3为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器在单极运行模式下的等效电路图；
图4为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器在单极运行模式下的关键波形图；
图5为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器在双/单极运行模式切换下的仿真实例端口功率仿真波形图；
图6为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器在双极运行模式下的电感电流仿真波形图；
图7为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器在单极运行模式下的电感电流仿真波形图；
图8为一实施例中的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器的双向功率变换端口功率仿真波形图。
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。
实施例1：
如图1～8所示，本实施例提供一种具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，包括：正极端口功率回路、负极端口功率回路、第一电容、第二电容以及第三电容，正极端口功率回路包括半桥HB1、高频变压器Tr1、半桥HB3以及半桥HB4，半桥HB1与第二电容并联后接入双极直流系统正极，并通过高频变压器Tr1连接半桥HB3、半桥HB4，负极端口功率回路包括半桥HB2、高频变压器Tr2、半桥HB4以及半桥HB5，半桥HB2与第三电容并联后接入双极直流系统负极，并通过高频变压器Tr2连接半桥HB4、半桥HB5，半桥HB3、半桥HB4、半桥HB5以及第一电容并联连接。
高频变压器Tr1和高频变压器Tr2的匝比均为n:1。
第一电容为电容Co，第二电容包括电容C1和电容C2，电容C1和电容C2串联后与半桥HB2并联，第三电容包括电容C3和电容C4，电容C3和电容C4串联后与半桥HB2并联。
半桥HB1包括开关MOS管S11和开关MOS管S12，半桥HB2包括开关MOS管S21和开关MOS管S22，半桥HB3包括开关MOS管S31和开关MOS管S32，半桥HB4包括开关MOS管S41和开关MOS管S42，半桥HB5包括开关MOS管S51和开关MOS管S52。开关MOS管S11的漏极连接电容C1的正极和双极直流系统的正极母线；开关MOS管S11的源极分别连接高频变压器Tr1的第一输入端和开关MOS管S12的漏极；开关MOS管S12的源极分别连接电容C2的负极、电容C3的正极、开关MOS管S21的漏极以及双极直流系统的中性线；开关MOS管S21的源极分别连接高频变压器Tr2的第一输入端和开关MOS管S22的漏极；开关MOS管S22的源极分别连接电容C4的负极和双极直流系统的负极母线；电容C1的负极分别连接电容C2的正极和高频变压器Tr1的第二输入端；电容C3的负极分别连接电容C4的正极和高频变压器Tr2的第二输入端；高频变压器Tr1的第一输出端分别连接开关MOS管S31的源极和开关MOS管S32的漏极；高频变压器Tr1的第二输出端分别连接高频变压器Tr2的第一输出端、开关MOS管S41的源极以及开关MOS管S42的漏极；高频变压器Tr2的第二输出端分别连接开关MOS管S51的源极和开关MOS管S52的漏极；开关MOS管S31的漏极分别连接开关MOS管S41的漏极、开关MOS管S51的漏极以及电容Co的正极；开关MOS管S32的源极分别连接开关MOS管S42的源极、开关MOS管S52的源极以及电容Co的负极。
开关MOS管S11、开关MOS管S12、开关MOS管S21以及开关MOS管S22均包括MOS管、二极管、电容，包括MOS管、二极管、电容并联连接，二极管的正极连接MOS管的源极，二极管的负极连接MOS管的漏极。
开关MOS管S31、开关MOS管S32、开关MOS管S41、开关MOS管S42、开关MOS管S51以及开关MOS管S52均包括MOS管、二极管、电容，包括MOS管、二极管、电容并联连接，二极管的正极连接MOS管的源极，二极管的负极连接MOS管的漏极。
双向双极直流变换器具有双极运行模式和单极运行模式，当双向双极直流变换器的双极直流端口所连接的直流母线发生单极短路故障时，变换器从双极运行模式切换至单极运行模式，隔离故障端口相应功率回路，同时，另一路功率回路保持畅通。
双极运行模式具体为：半桥HB1与半桥HB2桥臂分别互补导通；半桥HB3中的开关MOS管S31、半桥HB4中的开关MOS管S42以及半桥HB5中的开关MOS管S51同步通断，半桥HB3中的开关MOS管S32、半桥HB4中的开关MOS管S41以及半桥HB5中的开关MOS管S52同步通断；开关MOS管S11、开关MOS管S21相对于开关MOS管S42的移相角分别为θ1和θ2，移相角θ1和移相角θ2的取值范围为[-π/2，π/2]，移相角θ1和移相角θ2均大于0时，变换器内部功率流动方向为双极侧流向单极侧，通过调节移相角控制传输功率大小与方向。
单极运行模式具体为：当正极端口功率回路发生短路故障时，令开关MOS管S11、开关MOS管S12、开关MOS管S31以及开关MOS管S32的驱动信号均设置为低电位，半桥HB2、半桥HB4以及半桥HB5正常运行；当负极端口功率回路发生短路故障时，令开关MOS管S21、开关MOS管S22、开关MOS管S51、开关MOS管S52的驱动信号均设置为低电位，半桥HB1、半桥HB3以及半桥HB4正常运行。
正极端口功率回路和负极端口功率回路的传输功率分别进行计算：
半桥HB1的端口功率为Ppos，半桥HB2端口功率为Pneg，分别用下式表示，端口功率为正表示变换器从外部输入功率，端口功率为负表示变换器从端口向外输出功率：
Figure BDA0003772643260000091
Figure BDA0003772643260000092
其中：Vo为变换器单极端口电压；fs为变换器开关频率；Lk1、Lk2分别为高频变压器Tr1、高频变压器Tr2折算到一次侧的等效漏感；n为高频变压器Tr1、高频变压器Tr2的匝比值；Vpos为双极直流正极电压，Vneg为双极直流负极电压；dθ1、dθ2分别为移相角占空比，分别通过下式表示：
dθ1＝θ1/π，
dθ2＝θ2/π，
双极运行模式下，单极侧端口功率Po通过下式表示：
Po＝Ppos+Pneg。
假设变换器中各开关管并联寄生电容均为Coss，死区时间为td，t0时刻后开关MOS管S11、开关MOS管S12并联输出电容与漏感Lk1谐振；
开关管S11零电压开通的条件为：死区时间内开关MOS管S11源漏极电压下降至0，同时开关MOS管S12源漏极电压下降至Vpos/2，死区时间应满足下式给出的关系：
Figure BDA0003772643260000093
其中：A、B、C、ωr、φ为中间变量，其具体表达式分别由下式给出：
Figure BDA0003772643260000101
Figure BDA0003772643260000102
B＝nVo，
C＝nVo+Vpos/2，
Figure BDA0003772643260000103
用Vin表示单极直流电压，Vpos＝Vneg＝Vin，当变换器的移相角θ1和θ2的绝对值均大于下式所确定的θmin时，变换器全部开关管能够工作于零电压开通模式：
Figure BDA0003772643260000104
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
如图1所示，本实施例提供一种并联双变压器双极半桥变换器，变换器双极侧包括正极端口与负极端口。半桥HB1包含开关管S11、开关管S12，配合电容C1、电容C2接入双极直流系统正极；HB2包含开关管S21、开关管S22，配合电容C3、电容C4接入双极直流系统负极。单极侧半桥HB3由开关管S31、开关管S42构成，单极侧半桥HB4由开关管S41、开关管S42构成，单极侧半桥HB5由开关管S51、开关管S52构成。半桥HB1通过高频变压器Tr1连接单极侧半桥HB3、单极侧半桥HB4，构成正极端口功率回路；半桥HB2通过高频变压器Tr2连接单极侧半桥HB4、单极侧半桥HB5，构成负极端口功率回路。高频变压器Tr1、高频变压器Tr2匝比均为n:1，其折算到一次侧的等效漏感分别为Lk1、Lk2。双极直流正极电压Vpos与负极电压Vneg分别为半桥HB1与半桥HB2直流输入电压，Vo为单极侧半桥HB3、单极侧半桥HB4及单极侧半桥HB5直流侧电压。
本实施例所提出的双变压器双极半桥变换器可工作在双极运行模式或单极运行模式。
工作原理：
双极运行模式下软开关运行关键波形如图2所示，双极侧半桥HB1与双极侧半桥HB2桥臂分别互补导通，单极侧半桥HB3、单极侧半桥HB4与单极侧半桥HB5中开关管S31、开关管S42、开关管S51同步通断，开关管S32、开关管S41、开关管S52同步通断。开关管S11、开关管S21相对于开关管S42的移相角分别为θ1和θ2，其取值范围为[-π/2,π/2]，移相角大于0时，变换器内部功率流动方向为双极侧流向单极侧。通过调节移相角，可以控制传输功率大小与方向。由于所提出变换器双极侧的正极端口与负极端口在单极侧并联连接，从而正极端口与负极端口功率解耦，正、负极端口传输功率可分别进行计算。
双极侧半桥HB1与双极侧半桥HB2端口功率Ppos与Pneg可分别表示为式(1)与式(2)，式(1)、式(2)功率为正表示变换器从外部输入功率，为负则表示变换器从端口向外输出功率：
Figure BDA0003772643260000111
Figure BDA0003772643260000112
其中，Vo为变换器单极端口电压，fs为变换器开关频率，dθ1、dθ2分别为移相角占空比，由式(3)与式(4)给出：
dθ1＝θ1/π (3)
dθ2＝θ2/π (4)
双极运行模式下，单极侧端口功率Po由式(5)给出：
Po＝Ppos+Pneg (5)
假设变换器双极直流端口所连接的直流母线发生单极短路故障，则可切换至单极运行模式，隔离故障端口相应的功率回路，同时，另一路功率回路保持畅通。
例如，当双极侧正极端口发生短路故障时，令开关管S11、开关管S12以及开关管S31、开关管S32的驱动信号设置为低电位，双极侧半桥HB2、单极侧半桥HB4与单极侧半桥HB5正常运行，从而切除双极侧正极端口与其他端口的功率交换，同时维持双极侧负极端口与单极侧端口功率交换，此时变换器等效电路如图3中所示的深黑色部分电路，关键波形如图4所示。正极隔离的单极运行模式下，负极端口到单极侧端口传输功率与双极运行模式下相同，由式(2)给出。同理，双极侧负极端口发生短路故障时，令开关管S21、开关管S22以及开关管S51、开关管S52的驱动信号设置为低电位，双极侧半桥HB1、单极侧半桥HB3与单极侧半桥HB4正常运行。
参数选择：
为降低变换器开关损耗，保证变换器高效运行，需考虑变换器软开关范围进行参数设计，假设变换器中各开关管并联寄生电容均为Coss，死区时间为td，以开关管S11为例，t0时刻后开关管S11、开关管S12并联输出电容与漏感Lk1谐振，为保证开关管S11零电压开通，死区时间内开关管S11源漏极电压需下降至0，同时开关管S12源漏极电压需下降至Vpos/2，此时，死区时间应满足式(6)给出的关系：
Figure BDA0003772643260000121
其中：A、B、C、ωr、φ为中间变量，其具体表达式分别由式(7)-(11)给出：
Figure BDA0003772643260000122
Figure BDA0003772643260000123
B＝nVo (9)
C＝nVo+Vpos/2 (10)
Figure BDA0003772643260000124
此外，考虑到双极直流系统通常满足正负极电压近似相等，故可用Vin表示单极直流电压，即Vpos＝Vneg＝Vin。所提出的变换器移相角θ1和θ2绝对值需大于式(12)所确定的θmin，变换器全部开关管方可工作于零电压开通模式：
Figure BDA0003772643260000125
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
按图1所示的拓扑搭建Plecs仿真模型，输入电压Vpos＝Vneg＝48V，额定输出电压Vo＝24V，开关频率100kHz，死区时间td＝100ns，变压器匝比n＝1，漏感Lk1＝Lk2＝12μH。
双极运行/单极运行模式切换仿真：
双极运行模式下，设定双极侧正极输入功率24W，负极输入功率33.6W。0.02s时正极处发生单极短路故障，正极功率回路隔离，负极输入功率设为57.6W。图5为双/单极运行模式切换前后双极侧正、负极输入功率与单极侧输出功率波形，可见模式切换前后各端口功率与所设定功率基本相符。图6、图7分别为双极运行模式与单极运行模式下正极电感电流iLk1及负极电感电流iLk2波形，总体与图2、图4示意图相符。
双向功率变换仿真：
双极运行模式下，设定双极侧正极端输入功率24W，负极端输入功率33.6W。0.015s时，设定双极侧正极端输出功率24W，负极端输出功率33.6W。图8给出双极侧功率输入与输出情况下正极端与负极端功率波形，与所设定功率相符。
本发明具备双极与单极两种运行模式，可实现储能设备灵活接入双极直流系统。本发明涉及中低压双极直流配电领域与电力电子变换器设计和控制领域，尤其涉及双极性直流变换器的故障保护与容错运行。
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 (8)

1.一种具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，包括：正极端口功率回路、负极端口功率回路、第一电容、第二电容以及第三电容；
所述正极端口功率回路包括半桥HB1、高频变压器Tr1、半桥HB3以及半桥HB4；所述半桥HB1与所述第二电容并联后接入双极直流系统正极，并通过所述高频变压器Tr1连接所述半桥HB3、所述半桥HB4；
所述负极端口功率回路包括半桥HB2、高频变压器Tr2、半桥HB4以及半桥HB5；所述半桥HB2与所述第三电容并联后接入双极直流系统负极，并通过所述高频变压器Tr2连接所述半桥HB4、所述半桥HB5；
所述半桥HB3、所述半桥HB4、所述半桥HB5以及第一电容并联连接。
2.根据权利要求1所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，所述第一电容为电容Co；
所述第二电容包括电容C1和电容C2，所述电容C1和所述电容C2串联后与所述半桥HB2并联；
所述第三电容包括电容C3和电容C4，电容C3和电容C4串联后与所述半桥HB2并联。
3.根据权利要求2所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，所述半桥HB1包括开关MOS管S11和开关MOS管S12；所述半桥HB2包括开关MOS管S21和开关MOS管S22；所述半桥HB3包括开关MOS管S31和开关MOS管S32；所述半桥HB4包括开关MOS管S41和开关MOS管S42；所述半桥HB5包括开关MOS管S51和开关MOS管S52；
所述开关MOS管S11的漏极连接所述电容C1的正极和所述双极直流系统的正极母线；所述开关MOS管S11的源极分别连接所述高频变压器Tr1的第一输入端和所述开关MOS管S12的漏极；
所述开关MOS管S12的源极分别连接所述电容C2的负极、所述电容C3的正极、所述开关MOS管S21的漏极以及所述双极直流系统的中性线；所述开关MOS管S21的源极分别连接所述高频变压器Tr2的第一输入端和所述开关MOS管S22的漏极；所述开关MOS管S22的源极分别连接所述电容C4的负极和所述双极直流系统的负极母线；
所述电容C1的负极分别连接所述电容C2的正极和所述高频变压器Tr1的第二输入端；所述电容C3的负极分别连接所述电容C4的正极和所述高频变压器Tr2的第二输入端；
所述高频变压器Tr1的第一输出端分别连接所述开关MOS管S31的源极和所述开关MOS管S32的漏极；所述高频变压器Tr1的第二输出端分别连接所述高频变压器Tr2的第一输出端、所述开关MOS管S41的源极以及所述开关MOS管S42的漏极；所述高频变压器Tr2的第二输出端分别连接所述开关MOS管S51的源极和所述开关MOS管S52的漏极；
所述开关MOS管S31的漏极分别连接所述开关MOS管S41的漏极、所述开关MOS管S51的漏极以及所述电容Co的正极；所述开关MOS管S32的源极分别连接所述开关MOS管S42的源极、所述开关MOS管S52的源极以及所述电容Co的负极。
4.根据权利要求3所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，双向双极直流变换器具有双极运行模式和单极运行模式；
当双向双极直流变换器的双极直流端口所连接的直流母线发生单极短路故障时，变换器从双极运行模式切换至单极运行模式，隔离故障端口相应功率回路，同时，另一路功率回路保持畅通。
5.根据权利要求4所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，所述双极运行模式具体为：
所述半桥HB1与所述半桥HB2桥臂分别互补导通；所述半桥HB3中的所述开关MOS管S31、所述半桥HB4中的所述开关MOS管S42以及所述半桥HB5中的所述开关MOS管S51同步通断，所述半桥HB3中的所述开关MOS管S32、所述半桥HB4中的开关MOS管S41以及所述半桥HB5中的所述开关MOS管S52同步通断；所述开关MOS管S11、所述开关MOS管S21相对于所述开关MOS管S42的移相角分别为θ1和θ2，所述移相角θ1和所述移相角θ2的取值范围为[-π/2，π/2]，所述移相角θ1和所述移相角θ2均大于0时，变换器内部功率流动方向为双极侧流向单极侧，通过调节移相角控制传输功率大小与方向。
6.根据权利要求4所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，所述单极运行模式具体为：
当所述正极端口功率回路发生短路故障时，令所述开关MOS管S11、所述开关MOS管S12、所述开关MOS管S31以及所述开关MOS管S32的驱动信号均设置为低电位，所述半桥HB2、所述半桥HB4以及所述半桥HB5正常运行；当负极端口功率回路发生短路故障时，令所述开关MOS管S21、所述开关MOS管S22、所述开关MOS管S51、所述开关MOS管S52的驱动信号均设置为低电位，所述半桥HB1、所述半桥HB3以及所述半桥HB4正常运行。
7.根据权利要求3所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，所述正极端口功率回路和所述负极端口功率回路的传输功率分别进行计算：
所述半桥HB1的端口功率为Ppos，所述半桥HB2端口功率为Pneg，分别用下式表示，端口功率为正表示变换器从外部输入功率，端口功率为负表示变换器从端口向外输出功率：
Figure FDA0003772643250000031
Figure FDA0003772643250000032
其中：Vo为变换器单极端口电压；fs为变换器开关频率；Lk1、Lk2分别为高频变压器Tr1、高频变压器Tr2折算到一次侧的等效漏感；n为高频变压器Tr1、高频变压器Tr2的匝比值；Vpos为双极直流正极电压，Vneg为双极直流负极电压；dθ1、dθ2分别为移相角占空比，分别通过下式表示：
dθ1＝θ1/π，
dθ2＝θ2/π，
双极运行模式下，单极侧端口功率Po通过下式表示：
Po＝Ppos+Pneg。
8.根据权利要求7所述的具备单极短路故障隔离能力的双向双极直流变换器，其特征在于，假设变换器中各开关管并联寄生电容均为Coss，死区时间为td，t0时刻后所述开关MOS管S11、所述开关MOS管S12并联输出电容与漏感Lk1谐振；
所述开关管S11零电压开通的条件为：死区时间内所述开关MOS管S11源漏极电压下降至0，同时所述开关MOS管S12源漏极电压下降至Vpos/2，死区时间应满足下式给出的关系：
Figure FDA0003772643250000041
其中：A、B、C、ωr、φ为中间变量，其具体表达式分别由下式给出：
Figure FDA0003772643250000042
Figure FDA0003772643250000043
B＝nVo，
C＝nVo+Vpos/2，
Figure FDA0003772643250000044
用Vin表示单极直流电压，Vpos＝Vneg＝Vin，当变换器的移相角θ1和θ2的绝对值均大于下式所确定的θmin时，变换器全部开关管能够工作于零电压开通模式：
Figure FDA0003772643250000045
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