CN117639517B - 一种故障隔离型中压直流变压器及其控制策略 - Google Patents

一种故障隔离型中压直流变压器及其控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种故障隔离型中压直流变压器及其控制策略，所述故障隔离型中压直流变压器包括中压侧直流电感部分和电力电子换流电路部分，所述电力电子换流部分包括中压侧接口电路和低压侧接口电路；所述中压侧接口电路包括至少两个接口模块，所述接口模块采用级联方式连接；所述低压侧接口电路包括至少两个DAB模块，所述DAB模块采用并联方式连接。所述控制策略应用于如上所述的故障隔离型中压直流变压器，包括稳态控制、故障隔离控制和耗能控制。本发明的故障隔离型中压直流变压器能够实现直流电压变换、功率传输、直流故障隔离及直流耗能四种功能。本发明可广泛应用于变压器领域。

Description

一种故障隔离型中压直流变压器及其控制策略
技术领域
本发明涉及变压器领域，尤其涉及一种故障隔离型中压直流变压器及其控制策略。
背景技术
直流变压器是直流配电网中完成电能传输与电压变换的关键设备。常规的直流变压器采用输入串联输出并联的双主动全桥(Dual-Active-Bridge，DAB)来构建。然而，由于直流侧存在电容，DAB型直流变压器在直流母线故障时将向电网注入很大的放电电流，影响直流配电网的故障处理速度。为了解决上述直流故障隔离问题，开关电容接入型直流变压器(Switched Capacitor based DC Transformer，SCDCT)被提出，然而，SCDCT虽然能够隔离中压侧的直流故障，但在低压侧母线及低压直流配电网发生短路故障时，由于中压侧传输功率不能及时中断或不允许中断，在SCDCT闭锁后仍会给其内部电容充电，造成SCDCT的损坏。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有直流变压器中无法同时实现直流故障隔离和中压侧耗能的问题，本发明提出一种故障隔离型中压直流变压器，包括中压侧直流电感部分和电力电子换流电路部分，所述中压侧直流电感部分和所述电力电子换流电路部分连接，其中：
所述电力电子换流电路部分包括中压侧接口电路和低压侧接口电路，所述中压侧接口电路与所述低压侧接口电路连接；
所述中压侧接口电路包括至少两个接口模块，至少两个接口模块的输入端采用串联方式连接；
所述低压侧接口电路包括至少两个DAB模块，至少两个DAB模块的输出端采用并联方式连接；
任一个接口模块的输出端与对应的一个DAB模块的输入端连接；
所述接口模块的数量与所述DAB模块的数量相同。
在一些实施例中，所述接口模块包括换流开关、二极管、耗能开关、直流电容和耗能电阻，其中：
所述换流开关的第一端、所述二极管的第一端和所述耗能开关的第二端相连；
所述换流开关的第二端、所述二极管的第二端和所述直流电容的第一端相连；
所述耗能开关的第一端与所述耗能电阻的第一端相连；
所述耗能电阻的第二端与所述直流电容的第二端相连。
其中，该接口模块的构建思想是融合耗能电路与SCDCT。
本发明还提出了一种控制策略，应用于如上所述的故障隔离型中压直流变压器，整体策略包括：
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的中压侧电网和低压侧电网均未发生故障时，所述耗能开关闭锁，所述换流开关导通，所述故障隔离型中压直流变压器执行稳态控制；
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的中压侧电网发生故障、而低压侧电网未发生故障时，所述耗能开关闭锁、所述换流开关闭锁，所述故障隔离型中压直流变压器执行故障隔离控制；
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的低压侧电网发生故障、而中压侧电网未发生故障时，通过所述耗能开关的通断以调节耗能功率，所述故障隔离型中压直流变压器执行耗能控制。
在一些实施例中，所述耗能控制的过程具体包括：
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的低压侧电网发生故障时，中压侧直流电压被抬高；
当中压侧直流电压高于预设门槛值时，根据功率盈余程度计算耗散功率参考值；
基于耗散功率参考值，投入对应数量的所述接口模块，使中压侧直流电压降低。
其中，接口模块的投入数量的计算公式如下：
其中，表示接口模块的投入数量，P in表示故障隔离型中压直流变压器的中压直流侧输入功率，P out表示故障隔离型中压直流变压器的低压侧输出功率，/>表示故障隔离型中压直流变压器的最大耗能功率，N表示接口模块的总数量。
在一些可行的实施例中，还包括：
对所述直流电容的电压进行采样，并根据采样值将对应的所述接口模块进行排序，得到排序结果。
在一些可行的实施例中，还包括：
在投入所述接口模块时，根据所述排序结果选择所述接口模块投入。
其中，按照从高到低的顺序依次选择直流电容电压高的接口模块投入，基于该方法，该故障隔离型中压直流变压器能够维持耗能状态下的不同接口模块之间的直流电容电压的平衡。
基于上述方案，本发明提供了一种故障隔离型中压直流变压器及其控制策略，通过融合耗能电路与SCDCT的构建思路，使其同时具备直流电压变换、功率传输、直流故障隔离与直流耗能四种功能，运行模式多样，应用范围广泛；此外，相比于直接在开关电容接入型直流变压器常规加入直流耗能电路，本方案的融合大幅度减少了对电力电子开关及直流电容的使用，提高了本方案的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明故障隔离型中压直流变压器在具体应用场景中的结构示意图；
图2是本发明故障隔离型中压直流变压器的控制策略的示意图；
图3是现有技术SCDCT在具体应用场景中的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式的仿真验证结果图。
附图标记：S R、耗能开关；D、二极管；Q 1、换流开关；C 1、直流电容；R、耗能电阻；L、电感；1、电力电子换流电路部分；2、中压侧接口电路；3、低压侧接口电路；4、中压侧直流电感部分。
具体实施方式
现有技术SCDCT在具体应用场景中的结构示意图参照图3，针对于背景技术中提到的由于中压侧传输功率不能及时中断或不允许中断，在SCDCT闭锁后仍会给其内部电容充电，造成SCDCT的损坏的问题，部分技术人员可能会在SCDCT的中压侧增加直流耗能电路，但是，该解决方案由于增加了耗能电路，整个系统的成本将大幅度上升，且由于耗能电路中每个子模块均含有电容与多个电力电子开关，整个系统的功率密度与运行可靠性也将存在很大程度的下降。有鉴于此，本发明通过融合耗能电路与SCDCT的构建思路，借助于新型的控制策略，提出了一种集成耗能功能的故障隔离型中压直流变压器。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应当理解，本申请中使用的“系统”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。
除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。以下术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
参照图1，为本发明提出的故障隔离型中压直流变压器在具体应用场景中的结构示意图，该故障隔离型中压直流变压器包括中压侧直流电感部分4和电力电子换流电路部分1，所述中压侧直流电感部分4和所述电力电子换流电路部分1连接，其中：
所述电力电子换流电路部分1包括中压侧接口电路2和低压侧接口电路3，所述中压侧接口电路2与所述低压侧接口电路3连接；
所述中压侧接口电路2包括N个接口模块，至少两个接口模块的输入端采用串联方式连接；
所述低压侧接口电路3包括M个DAB模块，至少两个DAB模块的输出端采用并联方式连接；
任一个接口模块的输出端与对应的一个DAB模块的输入端连接；
所述接口模块的数量与所述DAB模块的数量相同，即N=M。
每个接口模块包括一个换流开关Q 1、一个二极管D、一个耗能开关SR、一个直流电容C 1和一个耗能电阻R，其中：
所述换流开关Q 1的第一端、所述二极管D的第一端和所述耗能开关SR的第二端相连；
所述换流开关Q 1的第二端、所述二极管D的第二端和所述直流电容C 1的第一端相连；
所述耗能开关SR的第一端与所述耗能电阻R的第一端相连；
所述耗能电阻R的第二端与所述直流电容C 1的第二端相连；
其中，每个DAB模块均与其对应的接口模块连接，其具体为：
将DAB模块中的开关进行划分，包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；
第一开关的第二端、第二开关的第二端和耗能开关SR的第二端相连；
第三开关的第一端、第四开关的第一端和耗能电阻R的第二端相连。
其中，N个接口模块采用级联方式连接，具体为：
所述耗能开关SR的第二端还与前一模块的耗能电阻连接。
本实施例中，相比于直接在开关电容接入型直流变压器常规加入直流耗能电路，本发明将节省与接口模块同等数量的全控型电力电子开关、电容和旁路机械开关，以及3N个二极管，从而显著提升直流变压器的经济效益与功率密度。
基于上述的故障隔离型中压直流变压器，参照图2，本发明还提出一种控制策略，该整体策略为：
S1、当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的中压侧电网和低压侧电网均未发生故障时，所述耗能开关SR闭锁、所述换流开关Q 1导通，所述故障隔离型中压直流变压器执行稳态控制；
在S1的过程中，所有接口模块中的耗能开关SR处于闭锁状态、且换流开关Q 1导通，该故障隔离型中压直流变压器将等效为一个SCDCT，沿用常规SCDCT的控制策略即可。
S2、当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的中压侧电网发生故障、而低压侧电网未发生故障时，所述耗能开关SR闭锁、所述换流开关Q 1闭锁，所述故障隔离型中压直流变压器执行故障隔离控制；
在S2的过程中，所有接口模块中的耗能开关S R仍处于常闭锁状态，且换流开关Q 1也处于闭锁状态，以防止接口模块中的直流电容向故障点放电，DAB模块中的开关根据需要处于闭锁或导通状态。
S3、当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的低压侧电网发生故障、而中压侧电网未发生故障时，通过所述耗能开关S R的通断以调节耗能功率，所述故障隔离型中压直流变压器执行耗能控制。
在S3的过程中，DAB模块中的与接口模块连接的全桥部分的开关处于闭锁状态，即图1中DAB模块的左边部分的开关处于闭锁状态；DAB模块中的其余开关根据需要处于闭锁或导通状态；接口模块中的耗能开关Q 1处于闭锁状态，耗能开关S R通过导通与关断实现对耗能功率的调节，即斩波控制。
在本实施例中，中压侧电网和低压侧电网均包括其对应的母线部分。
在一些可行的实施例中，耗能控制的具体过程如下：
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的低压侧电网发生故障时，中压侧直流电压被抬高；
该故障发生时，中压侧直流电压将因为功率盈余造成中压侧电容的能量堆积，抬高中压侧直流电压；
当中压侧直流电压高于预设门槛值时，故障隔离型中压直流变压器进入耗能状态，根据功率盈余程度计算耗散功率参考值；
基于耗散功率参考值，投入对应数量的接口模块，使中压侧直流电压降低。
基于上述运行原理，故障隔离型中压直流变压器投入接口模块时，根据直流侧功率差额的不同，应有（1≤/>≤N）个模块投入运行：/>
其中，表示接口模块的投入数量，P in表示所述故障隔离型中压直流变压器的中压直流侧输入功率，P out表示所述故障隔离型中压直流变压器的低压侧输出功率，/>为所述故障隔离型中压直流变压器的最大耗能功率，N表示接口模块的总数量。
当中压侧直流电压下降至低于门槛值后，所提的故障隔离型中压直流变压器进入切出状态。
在一些可行的实施例中，还包括设定故障隔离型中压直流变压器耗能控制的均压策略：
对所述直流电容的电压进行采样，并根据采样值将对应的所述接口模块进行排序，得到排序结果；
在投入所述接口模块时，根据所述排序结果选择所述接口模块投入。
在本实施例中，按从高到低的顺序依次选择直流电容的电压高的接口模块投入。
由于接口模块在不投入时，系统向其充电，电容电压升高；接口模块在投入期间电阻消耗电容储能，使电容电压回落；这样，基于上述平衡方法，所提直流变压器便能够维持耗能状态下的不同接口模块之间的直流电容电压的平衡。
基于上述方案，本发明还提供了一个仿真例子：
首先，在PSCAD/EMTDC软件中搭建了相应的仿真模型；
其中，系统的直流电压变化采用了等效直流源+附加交流电压源的形式进行等效，且等效电压源的具体数值为，以模拟中压直流变压器低压侧发生短路故障后中压直流侧的直流电压变化。
控制系统设定如下：当中压直流电压低于0.99倍的额定直流电压时，故障隔离型中压直流变压器切出耗能状态；当中压直流电压高于0.99倍的额定直流电压时，故障隔离型中压直流变压器切入耗能状态。
故障隔离型中压直流变压器的参数如下：10个接口模块和10个DAB模块，且各接口模块的参数完全相同，各DAB模块的参数完全相同，每个接口模块的耗能电阻的值均为4Ω，耗能状态下最大耗能功率为250MW。
基于上述设定，所述故障隔离型中压直流变压器的仿真验证结果如图4，该图4中，处于上方的曲线表示系统直流电压，处于下方的曲线表示故障隔离型中压直流变压器的耗散功率。从图4可知，在0.1s~0.23s以及0.36s~0.50s之间，由于中压直流变压器的直流电压高于0.99倍的额定直流电压，因此中压直流变压器切入耗能状态，且耗散功率平均值为200MW左右；在0.23s~0.36s之间，由于系统直流电压低于0.99倍的直流电压时，中压直流变压器切出耗能状态，耗散功率平均值为0。基于上述分析，可知所提中压直流变压器能够有效实现耗能功能，验证了所提拓扑及控制策略的正确性。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种故障隔离型中压直流变压器，其特征在于，包括中压侧直流电感部分和电力电子换流电路部分，所述中压侧直流电感部分和所述电力电子换流电路部分连接，其中：
所述电力电子换流电路部分包括中压侧接口电路和低压侧接口电路，所述中压侧接口电路与所述低压侧接口电路连接；
所述中压侧接口电路包括至少两个接口模块，至少两个接口模块的输入端采用串联方式连接；
所述低压侧接口电路包括至少两个DAB模块，至少两个DAB模块的输出端采用并联方式连接；
任一个接口模块的输出端与对应的一个DAB模块的输入端连接；
所述接口模块的数量与所述DAB模块的数量相同；
所述接口模块包括换流开关、二极管、耗能开关、直流电容和耗能电阻，其中：
所述换流开关的第一端、所述二极管的第一端和所述耗能开关的第二端相连；
所述换流开关的第二端、所述二极管的第二端和所述直流电容的第一端相连；
所述耗能开关的第一端与所述耗能电阻的第一端相连；
所述耗能电阻的第二端与所述直流电容的第二端相连。
2.一种应用于如权利要求1所述的故障隔离型中压直流变压器的控制方法，其特征在于：
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的中压侧电网和低压侧电网均未发生故障时，耗能开关闭锁、换流开关导通，所述故障隔离型中压直流变压器执行稳态控制；
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的中压侧电网发生故障、而低压侧电网未发生故障时，耗能开关闭锁、换流开关闭锁，所述故障隔离型中压直流变压器执行故障隔离控制；
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的低压侧电网发生故障、而中压侧电网未发生故障时，通过所述耗能开关的通断以调节耗能功率，所述故障隔离型中压直流变压器执行耗能控制。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述耗能控制的过程具体包括：
当所述故障隔离型中压直流变压器所连接的低压侧电网发生故障时，中压侧直流电压被抬高；
当中压侧直流电压高于预设门槛值时，根据功率盈余程度计算耗散功率参考值；
基于耗散功率参考值，投入对应数量的所述接口模块，使中压侧直流电压降低。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，接口模块的投入数量的计算公式如下：
其中，表示接口模块的投入数量，P in表示故障隔离型中压直流变压器的中压直流侧输入功率，P out表示故障隔离型中压直流变压器的低压侧输出功率，/>表示故障隔离型中压直流变压器的最大耗能功率，N表示接口模块的总数量。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：
对所述直流电容的电压进行采样，并根据采样值将对应的所述接口模块进行排序，得到排序结果。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：
在投入所述接口模块时，根据所述排序结果选择所述接口模块投入。
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