CN115714370A - 带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统 - Google Patents
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Abstract
带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，包括两套相互连接的直流系统1#和2#，供电直流母线之间设有双向DC‑DC补偿器DC1，双向DC‑DC补偿器DC1由三个包含H桥的模块B1、B2和B3构成，模块B3内的H桥之间为隔离变压器T1，通过隔离变压器T1的固定变比及其双向流动，结合模块B1/模块B2的电流流向控制，实现两套直流系统之间的双向补偿，且由模块B3实现零电流开关ZCS，在模块B1/模块B2处实现零电压开关ZVS，以此避免H桥内MOSFET管的高压尖峰，适合大功率的直流电源系统使用。
Description
技术领域
本发明涉及变电站直流系统技术领域，具体涉及一种带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统。
背景技术
变电站的直流系统为例保证其供电设备的持续运行，通常设有两段母线，两端母线分别由两个充电机和蓄电池组进行不间断供电，当其中一段母线出现故障失压时，将两端母线之间的母联转换开关合闸，使得未失压的母线为失压的母线提供电源，保证两端母线负载的稳定运行，但是由于两端母线的充电机及蓄电池组为独立运行，使得两端母线由各自的充电机及蓄电池组决定其电压值，两端母线可能存在电压值不等个，可能存在其中一段电压超出阈值，而此时由于母线上负载还能正常工作，可能造成负载工作不稳定或者降低负载设备寿命。
为解决上述问题，会在两端母线之间采用失压补偿装置，例如中国专利文献CN211351821U记载了一种蓄电池组开路监测及失压补偿装置，通过在两端母线之间设置基于H桥电路，两端母线之间的H桥通过变压器互感线圈实现电气隔离，从而实现一端母线失压时，由另一端母线对其进行电压补偿，实现了电气隔离，在进行补偿时两端母线之间没有直接的硬件连接，一端母线的故障可以通过MOSFET管的关断实现与另一端母线之间的及时切断，安全性高。
当上述两端母线分别连接一段H桥，由于互感线圈的漏感储能和放电会导致开关MOSFET的高压尖峰，使得H桥作为DC-DC在直流系统中的应用只能适用于小型变电站，大型变电站的直流负载较多时，会导致H桥的MOSFET会承受较大的电压冲击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，能够为大功率的直流系统的两条直流母线之间形成高效率的电压补偿。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，包括两套相互连接的直流系统1#和2#；
1#直流系统内设有供电直流母线KM1+、KM1-；
2#直流系统内设有供电直流母线KM2+、KM2-；
供电直流母线KM1+、KM1-和直流母线KM2+、KM2-之间设有双向DC-DC补偿器DC1，双向DC-DC补偿器DC1两端分别连接1#直流母线和2#直流母线。
上述的双向DC-DC补偿器DC1由控制器U1控制；
供电直流母线KM1+、KM1-和供电直流母线KM2+、KM2-上分别设有电压检测装置1DV3和2DV3；
电压检测装置1DV3和2DV3与控制器U1的输入端电连接。
上述的双向DC-DC补偿器DC1由三个包含H桥的模块B1、B2和B3构成，模块B3内的H桥之间为隔离变压器T1，模块B1的H桥一端与供电直流母线KM1+、KM1-电连接，模块B1的H桥另一端与模块B2的H桥一端电连接，模块B2的H桥另一端与供电直流母线KM1+、KM1-电连接，模块B1的H桥及模块B2的H桥连接端的正负极与模块B3内的H桥输入端连接，模块B3内的H桥输出端与供电直流母线KM2+、KM2-连接。
上述的模块B3内H桥由MOSFET管Q9-Q12组成，MOSFET管Q9和Q10两端与模块B1的H桥及模块B2的H桥连接端的正负极电连接，串联的电容C6和C7与MOSFET管Q9和Q10两端并联，隔离变压器T1的一次线圈一端连接MOSFET管Q9和Q10的中间点，另一端连接电容C6和C7的中间点；
隔离变压器T1的二次线圈以中间点为界分为两段，二次线圈的上下两端分别与H桥的MOSFET管Q11和Q12串联，MOSFET管Q11和Q12的另一端并联后与供电直流母线KM2+电连接，隔离变压器T1的二次线圈中间点与供电直流母线KM2-电连接。
上述的隔离变压器T1的一次线圈与电容C8串联，一次线圈与电容C8串联的两端分别与MOSFET管Q9和Q10的中间点及电容C6和C7的中间点电连接。
上述的模块B3与供电直流母线KM2+、KM2-的连接端设有电容C9，模块B3与模块B1/B2的连接端设有电容C5。
上述的模块B1内的H桥由MOSFET管Q1-Q4组成，MOSFET管Q1和Q2串联，MOSFET管Q3和Q4串联，两个串联支路的中间点之间设有电感L1，MOSFET管Q3和Q4两端与模块B2电连接；
所述的模块B2内的H桥由MOSFET管Q5-Q8组成，MOSFET管Q5和Q6串联，MOSFET管Q7和Q8串联，两个串联支路的中间点之间设有电感L2，MOSFET管Q7和Q8两端与模块B1电连接。
上述的模块B1与供电直流母线KM1+、KM1-的连接段设有电容C1，模块B1与模块B3之间的连接端设有电容C3；
上述的模块B2与供电直流母线KM1+、KM1-的连接段设有电容C3，模块B2与模块B3之间的连接端设有电容C4。
本发明提供的一种带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，通过在其中一个直流系统母线侧设置含H桥的模块B1和模块B2，在另外一直流系统的母线侧设置包含H桥和隔离变压器T1组合的模块B3，由隔离变压器T1的固定变比及其双向流动，结合模块B1/模块B2的电流流向控制，实现两套直流系统之间的双向补偿，且由模块B3实现零电流开关ZCS，在模块B1/模块B2处实现零电压开关ZVS，以此避免H桥内MOSFET管的高压尖峰，适合大功率的直流电源系统使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的直流系统电路原理简图；
图2为双向DC-DC补偿器DC1的电路示意图；
图3为模块B3内一次及二次谐振电流的双向流动示意图。
具体实施方式
如图1-3中所示，带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，包括两套相互连接的直流系统1#和2#；
1#直流系统内设有供电直流母线KM1+、KM1-；
2#直流系统内设有供电直流母线KM2+、KM2-；
供电直流母线KM1+、KM1-和直流母线KM2+、KM2-之间设有双向DC-DC补偿器DC1，双向DC-DC补偿器DC1两端分别连接1#直流母线和2#直流母线。
上述的双向DC-DC补偿器DC1由控制器U1控制；
供电直流母线KM1+、KM1-和供电直流母线KM2+、KM2-上分别设有电压检测装置1DV3和2DV3；
电压检测装置1DV3和2DV3与控制器U1的输入端电连接。
上述的双向DC-DC补偿器DC1由三个包含H桥的模块B1、B2和B3构成，模块B3内的H桥之间为隔离变压器T1，模块B1的H桥一端与供电直流母线KM1+、KM1-电连接，模块B1的H桥另一端与模块B2的H桥一端电连接，模块B2的H桥另一端与供电直流母线KM1+、KM1-电连接，模块B1的H桥及模块B2的H桥连接端的正负极与模块B3内的H桥输入端连接，模块B3内的H桥输出端与供电直流母线KM2+、KM2-连接。
通过模块B3内的隔离变压器T1使得供电直流母线KM1+、KM1-和供电直流母线KM2+、KM2-之间实现电气隔离并可以使母线之间电流可以双向电流，可以由1#直流系统向2#直流系统供电，也可由2#直流系统向1#直流系统供电；
同时模块B1/模块B2的H桥连接结构可以通过两者内部H桥MOSFET管的占空比调节实现精准调压，在1#直流系统向2#直流系统供电时，由供电直流母线KM1+、KM1-作为模块B1的输入端，并通过模块B3为供电直流母线KM2+、KM2-提供电源，在由2#直流系统向1#直流系统供电时，由供电直流母线KM2+、KM2-作为模块B3的输入端，并通过模块B2为直流母线KM1+、KM1-提供电源。
上述的模块B3内H桥由MOSFET管Q9-Q12组成，MOSFET管Q9和Q10两端与模块B1的H桥及模块B2的H桥连接端的正负极电连接，串联的电容C6和C7与MOSFET管Q9和Q10两端并联，隔离变压器T1的一次线圈一端连接MOSFET管Q9和Q10的中间点，另一端连接电容C6和C7的中间点；
隔离变压器T1的二次线圈以中间点为界分为两段，二次线圈的上下两端分别与H桥的MOSFET管Q11和Q12串联，MOSFET管Q11和Q12的另一端并联后与供电直流母线KM2+电连接，隔离变压器T1的二次线圈中间点与供电直流母线KM2-电连接。
模块B3内的隔离变压器T1具有将双向DC-DC补偿器DC1两端进行电气隔离的功能，且一次线圈和二次线圈可以双向转换，使得DC1具有双向电压转换能力，电流能够双向流动，同时隔离变压器T1一次线圈和二次线圈的固定变比配合MOSFET管Q9-Q12的通断配合使得提供固定比率的电压升降。
上述的隔离变压器T1的一次线圈与电容C8串联，一次线圈与电容C8串联的两端分别与MOSFET管Q9和Q10的中间点及电容C6和C7的中间点电连接。
通过在一次线圈侧增加一个较小的电容C8，电容C8的自谐振频率可以与隔离变压器T1的漏感提供零电流开关ZCS，即利用隔离变压器T1一次线圈侧电流的固有谐振频率，模块B3的MOSFET管可在其谐振部分处过零点开关；当谐振电流达到零时，Q9-Q12就会始终开启和关闭；具体的，模块B3的工作模式，以1#直流系统向2#直流系统为例，当Q9和Q11开启，即t1至t2期间时，一次侧谐振电流I3以正弦波的形式流动，直至其达到零位置，之后，Q10和Q12会开启，即t2至t3期间时，且一次侧谐振电流I3仍保持正弦波的形状，并其相反的方向流动；
上述的双向DC-DC补偿器DC1的开关损耗接近于零，因而模块B1-模块B3内的开关能够在极高的开关陪你率下工作，可以实现极高的功率密度，并且通过在二次线圈上实现完全的零电流开关ZCS并在一次线圈实现部分ZCS。
上述的模块B3与供电直流母线KM2+、KM2-的连接端设有电容C9，模块B3与模块B1/B2的连接端设有电容C5。
上述的模块B1内的H桥由MOSFET管Q1-Q4组成，MOSFET管Q1和Q2串联，MOSFET管Q3和Q4串联，两个串联支路的中间点之间设有电感L1，MOSFET管Q3和Q4两端与模块B2电连接；
所述的模块B2内的H桥由MOSFET管Q5-Q8组成，MOSFET管Q5和Q6串联，MOSFET管Q7和Q8串联，两个串联支路的中间点之间设有电感L2，MOSFET管Q7和Q8两端与模块B1电连接。
上述的模块B1与供电直流母线KM1+、KM1-的连接段设有电容C1，模块B1与模块B3之间的连接端设有电容C3；
上述的模块B2与供电直流母线KM1+、KM1-的连接段设有电容C3，模块B2与模块B3之间的连接端设有电容C4。
模块B1/模块B2能够提供精确的调压稳压功能，B1和B2具有相同的结构，在供电系统内提供双向的补偿电压和电流，因此其电流方向相反，且电流方向由内部H桥的MOSFET管开断配合形成，且当一段母线向另一端母线进行供电时，可以通过模块B1/模块B2的占空比调节来实现被供电母线的电压实现稳步上升，而不会直接直接上升至供电母线的电压，这样可以实现柔性升压，使得负载得到足够的应变时间，减少猛然升压导致的电流冲击；
在模块B1/模块B2的转换过程中，可将控制器U1置于零电压开关升降控制模式，实现零电压转换，由于采用零电压开关ZVS，能够在模块B1/模块B2中实现高效率和高功率密度。
Claims (8)
1.带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，包括两套相互连接的直流系统1#和2#，其特征在于：
1#直流系统内设有供电直流母线KM1+、KM1-；
2#直流系统内设有供电直流母线KM2+、KM2-；
供电直流母线KM1+、KM1-和直流母线KM2+、KM2-之间设有双向DC-DC补偿器DC1，双向DC-DC补偿器DC1两端分别连接1#直流母线和2#直流母线。
2.根据权利要求1所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的双向DC-DC补偿器DC1由控制器U1控制；
供电直流母线KM1+、KM1-和供电直流母线KM2+、KM2-上分别设有电压检测装置1DV3和2DV3；
电压检测装置1DV3和2DV3与控制器U1的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的双向DC-DC补偿器DC1由三个包含H桥的模块B1、B2和B3构成，模块B3内的H桥之间为隔离变压器T1，模块B1的H桥一端与供电直流母线KM1+、KM1-电连接，模块B1的H桥另一端与模块B2的H桥一端电连接，模块B2的H桥另一端与供电直流母线KM1+、KM1-电连接，模块B1的H桥及模块B2的H桥连接端的正负极与模块B3内的H桥输入端连接，模块B3内的H桥输出端与供电直流母线KM2+、KM2-连接。
4.根据权利要求3所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的模块B3内H桥由MOSFET管Q9-Q12组成，MOSFET管Q9和Q10两端与模块B1的H桥及模块B2的H桥连接端的正负极电连接，串联的电容C6和C7与MOSFET管Q9和Q10两端并联，隔离变压器T1的一次线圈一端连接MOSFET管Q9和Q10的中间点，另一端连接电容C6和C7的中间点；
隔离变压器T1的二次线圈以中间点为界分为两段，二次线圈的上下两端分别与H桥的MOSFET管Q11和Q12串联，MOSFET管Q11和Q12的另一端并联后与供电直流母线KM2+电连接，隔离变压器T1的二次线圈中间点与供电直流母线KM2-电连接。
5.根据权利要求4所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的隔离变压器T1的一次线圈与电容C8串联，一次线圈与电容C8串联的两端分别与MOSFET管Q9和Q10的中间点及电容C6和C7的中间点电连接。
6.根据权利要求5所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的模块B3与供电直流母线KM2+、KM2-的连接端设有电容C9，模块B3与模块B1/B2的连接端设有电容C5。
7.根据权利要求6所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的模块B1内的H桥由MOSFET管Q1-Q4组成，MOSFET管Q1和Q2串联，MOSFET管Q3和Q4串联，两个串联支路的中间点之间设有电感L1，MOSFET管Q3和Q4两端与模块B2电连接；
所述的模块B2内的H桥由MOSFET管Q5-Q8组成，MOSFET管Q5和Q6串联，MOSFET管Q7和Q8串联，两个串联支路的中间点之间设有电感L2，MOSFET管Q7和Q8两端与模块B1电连接。
8.根据权利要求7所述的带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统，其特征在于，所述的模块B1与供电直流母线KM1+、KM1-的连接段设有电容C1，模块B1与模块B3之间的连接端设有电容C3；
所述的模块B2与供电直流母线KM1+、KM1-的连接段设有电容C3，模块B2与模块B3之间的连接端设有电容C4。
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| CN115693634A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-02-03 | 国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司 | 带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统及补偿方法 |
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- 2022-10-27 CN CN202211326669.0A patent/CN115714370A/zh active Pending
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| CN115693634A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-02-03 | 国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司 | 带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统及补偿方法 |
| CN115693634B (zh) * | 2022-10-27 | 2024-04-19 | 国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司 | 带有智能母线失压补偿功能的自愈式直流系统及补偿方法 |
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