CN117996693A - 一种大功率dc-dc变换电路中直流母线的协同保护方法和系统 - Google Patents
一种大功率dc-dc变换电路中直流母线的协同保护方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于大功率DC‑DC变换电路中直流母线的协同保护方法，包括：在大功率直流母线电压量的检测算法中加入差分滤波器，利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，在直流母线电压保护值中引入占空比，由电力电子器件中获取控制信号，设定不同运行情况下开关的保护值，当电流变化率过快时关断开关，更好的维持直流母线侧的电压稳定，快速识别系统障碍，对系统整体器件进行保护，阻止故障再扩大，综合而成复合电压方向过流保护，对电路整体进行保护。本发明能很好的消除大功率储能双相DC‑DC变换器中高压直流母线侧谐波干扰，增强对大功率直流母线电压突变量的保护，快速识别故障并自动关断开关器件，提高系统稳定性和动态响应性能。
Description
技术领域
本发明属于电能的储存、释放与保护技术领域，更具体地，涉及一种大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法和系统。
背景技术
随着能源短缺问题日益严重，可再生能源技术的发展得到高速发展，而与开再生能源联系密切的储能技术也得到了飞速发展，储能技术的发展前景研究和应用长时间得到各国能源、电力、交通等多个部门的高度重视。常见的新型储能变换系统都是通过双向DC-DC变换电路来实现的，通常是由蓄电池或者钠硫电池以及超级电容或者超导等设备组成的储能装置，通过双向DC-DC变换电路或者两级变换电路与外部大功率直流母线之间建立能量传递关系。
然而，现有的双向DC-DC变换电路都存在一些不可忽略的缺陷：第一、大功率DC-DC变换器中有超级电容的大功率直流母线常受较大的电压冲击且损耗大；第二、大功率DC-DC变换器输入端的直流信号含有大量高次谐波，容易对系统产生谐波干扰；第三、大功率DC-DC变换电路系统稳定性差；第四、大功率DC-DC变换电路系统变换效率低；第五、大功率DC-DC变换电路运行工况复杂，因此不能得到全面保护。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法和系统，其目的在于，解决现有大功率DC-DC变换器中有超级电容的大功率直流母线常受较大的电压冲击且损耗大的技术问题，以及现有大功率DC-DC变换器输入端的直流信号含有大量高次谐波，容易对系统产生谐波干扰的技术问题，以及现有大功率DC-DC变换电路系统稳定性差的技术问题，以及现有大功率DC-DC变换电路系统变换效率低的技术问题，以及现有大功率DC-DC变换电路运行工况复杂导致不能得到全面保护的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其中该大功率DC-DC变换电路包括四个IGBT器件Q1、Q2、Q3和Q4、超级电容器组、三个快熔、两个电感、四个接触器、以及充电电阻，第一电感、第一快熔、第一接触器相串联再与第二IGBT器件Q2并联之后，与第一IGBT器件Q1串联构成前级升降压变换电路，充电电阻与第三接触器并联之后与第四接触器接触器、第三快熔和超级电容器组串联，构成带有超级电容器组的大功率直流母线，第二电感、第二快熔、第二接触器、蓄电池组相串联再与第四IGBT器件Q4并联之后与第三IGBT器件Q3串联构成后级升降压变换电路，前级升降压变换电路、含有超级电容器组的大功率直流母线、以及后级升降压变换电路三者相并联。所述协同保护方法包括以下步骤：
(1)打开第三接触器，闭合第四接触器，控制后级升降压变换电路内部的蓄电池组对超级电容组进行预充电，并判断超级电容器组两端的电压是否大于预设的充电电压，且低于预设电压的1.2倍，如果是则进入步骤(2)，否则进入步骤(15)。
(2)关闭第三接触器，从大功率直流母线中移除充电电阻，以得到超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路。
(3)将步骤(2)得到的超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路接入外部1500V直流母线，从大功率直流母线获取高次谐波信号，利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号。
(4)将步骤(3)得到的平稳直流信号输入到大功率DC-DC变换电路中的前级升降压变换电路，并在前级升降压变换电路中引入占空比控制，以获取占空比控制后的含有超级电容器组的直流母线电压U。
(5)判断步骤(4)得到的直流母线电压U是否有U<Umax×Kmax且U>Umin×Kmin成立，若是则转入步骤(6)，否则转入步骤(15)；其中Umax表示预设的直流母线电压最大值；Kmax表示直流母线电压在过电压时设定的最大裕度；Umin表示预设的直流母线电压最小值；Kmin表示直流母线电压在低电压时设定的最小裕度。
(6)判断大功率DC-DC变换电路是否处于能量吸收状态，若是则转入步骤(7)，否则转入步骤(8)。
(7)判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间涌浪冲击，即I>Iset1，若是则转入步骤(9)，否则转入步骤(11)；其中I表示含有超级电容器组的大功率直流母线上的电流，Iset1表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值；
(8)判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间的大功率缺口，即I<Iset2，若是则转入步骤(10)，否则转入步骤(12),其中Iset2表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值。
(9)对第二IGBT器件Q2引入占空比控制，以对超级电容器组进行充电，然后转入步骤(14)。
(10)利用第一IGBT器件Q1完成由超级电容器组向外部直流母线的瞬间大电流能量输送，以得到正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路，然后转入步骤(13)。
(11)利用第二IGBT器件Q2和第三IGBT器件Q3对没有出现瞬间涌浪冲击的大功率直流母线进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在升压状态，对外部直流母线的能量进行吸收，使后级升降压变换电路构成降压电路，向蓄电池组充电，以得到正常状态下吸收能量的大功率DC-DC变换电路，并判断超级电容器组上的电压Udc＝Uin/(1-D)是否大于额定值，如果是则转入步骤(14)，否则转入步骤(15)；其中D为IGBT器件引入的占空比值，Uin为大功率DC-DC变换电路的输入电压。
(12)利用第一IGBT器件Q1、第四IGBT器件Q4对没有出现瞬间大功率缺口的电路进行PWM控制(如图10所示)，使前级升降压变换电路工作在降压状态，稳定输出放电电流，后级升降压变换电路构成升压电路，维持超级电容器组电压稳定，并判断超级电容器组的电压Udc是否小于额定值，若小于额定值转入步骤(13)，否则转入步骤(15)。
(13)利用第四IGBT器件Q4对步骤(10)得到的正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成升压电路，并判断含有超级电容器组的直流母线电压Udc是否等于额定值，若是则转入步骤(15)，否则进入步骤(14)。
(14)利用第三IGBT器件Q3对大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成降压电路，含有超级电容器组的直流母线电压Udc等于额定值，然后转入步骤(15)。
(15)断开第一接触器，过程结束。
优选地，步骤(1)中预设的充电电压的取值范围是1200V到1800V，优选为1500V。
优选地，步骤(5)中Umax的取值范围是1500V到2000V，优选为1800V；
步骤(5)中Kmax的取值范围是1.1到1.3，优选为1.2；
步骤(5)中Umin的取值范围是1000V到1500V，优选为1200V；
步骤(5)中Kmin的取值范围是0.6到1，优选为0.8。
优选地，步骤(7)中大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值Iset1的取值范围是500A到1000A，优选为1000A。
优选地，步骤(8)中大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值Iset2的取值范围是500A到1000A，优选为500A。
优选地，步骤(11)中IGBT器件引入的占空比值D的取值范围是0.3到0.7，优选为0.5；
步骤(11)中大功率DC-DC变换电路的输入电压Uin的取值范围为450V到750V。
步骤(11)中的额定值的取值范围是1300V到1700V，优选为1500V。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护系统，其中该大功率DC-DC变换电路包括四个IGBT器件Q1、Q2、Q3和Q4、超级电容器组、三个快熔、两个电感、四个接触器、以及充电电阻，第一电感、第一快熔、第一接触器相串联再与第二IGBT器件Q2并联之后，与第一IGBT器件Q1串联构成前级升降压变换电路，充电电阻与第三接触器并联之后与第四接触器接触器、第三快熔和超级电容器组串联，构成带有超级电容器组的大功率直流母线，第二电感、第二快熔、第二接触器、蓄电池组相串联再与第四IGBT器件Q4并联之后与第三IGBT器件Q3串联构成后级升降压变换电路，前级升降压变换电路、含有超级电容器组的大功率直流母线、以及后级升降压变换电路三者相并联，所述协同保护系统包括：
第一模块，用于打开第三接触器，闭合第四接触器，控制后级升降压变换电路内部的蓄电池组对超级电容组进行预充电，并判断超级电容器组两端的电压是否大于预设的充电电压，且低于预设电压的1.2倍，如果是则进入第二模块，否则进入第十五模块。
第二模块，用于关闭第三接触器，从大功率直流母线中移除充电电阻，以得到超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路。
第三模块，用于将第二模块得到的超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路接入外部1500V直流母线，从大功率直流母线获取高次谐波信号，利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号。
第四模块，用于将第三模块得到的平稳直流信号输入到大功率DC-DC变换电路中的前级升降压变换电路，并在前级升降压变换电路中引入占空比控制，以获取占空比控制后的含有超级电容器组的直流母线电压U。
第五模块，用于判断第四模块得到的直流母线电压U是否有U<Umax×Kmax且U>Umin×Kmin成立，若是则转入第六模块，否则转入第十五模块；其中Umax表示预设的直流母线电压最大值；Kmax表示直流母线电压在过电压时设定的最大裕度；Umin表示预设的直流母线电压最小值；Kmin表示直流母线电压在低电压时设定的最小裕度。
第六模块，用于判断大功率DC-DC变换电路是否处于能量吸收状态，若是则转入第七模块，否则转入第八模块。
第七模块，用于判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间涌浪冲击，即I>Iset1，若是则转入第九模块，否则转入第十一模块；其中I表示含有超级电容器组的大功率直流母线上的电流，Iset1表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值；
第八模块，用于判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间的大功率缺口，即I<Iset2，若是则转入第十模块，否则转入第十二模块,其中Iset2表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值。
第九模块，用于对第二IGBT器件Q2引入占空比控制，以对超级电容器组进行充电，然后转入第十四模块。
第十模块，用于利用第一IGBT器件Q1完成由超级电容器组向外部直流母线的瞬间大电流能量输送，以得到正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路，然后转入第十三模块。
第十一模块，用于利用第二IGBT器件Q2和第三IGBT器件Q3对没有出现瞬间涌浪冲击的大功率直流母线进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在升压状态，对外部直流母线的能量进行吸收，使后级升降压变换电路构成降压电路，向蓄电池组充电，以得到正常状态下吸收能量的大功率DC-DC变换电路，并判断超级电容器组上的电压Udc＝Uin/(1-D)是否大于额定值，如果是则转入第十四模块，否则转入第十五模块；其中D为IGBT器件引入的占空比值，Uin为大功率DC-DC变换电路的输入电压。
第十二模块，用于利用第一IGBT器件Q1、第四IGBT器件Q4对没有出现瞬间大功率缺口的电路进行PWM控制(如图10所示)，使前级升降压变换电路工作在降压状态，稳定输出放电电流，后级升降压变换电路构成升压电路，维持超级电容器组电压稳定，并判断超级电容器组的电压Udc是否小于额定值，若小于额定值转入第十三模块，否则转入第十五模块。
第十三模块，用于利用第四IGBT器件Q4对第十模块得到的正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成升压电路，并判断含有超级电容器组的直流母线电压Udc是否等于额定值，若是则转入第十五模块，否则进入第十四模块。
第十四模块，用于利用第三IGBT器件Q3对大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成降压电路，含有超级电容器组的直流母线电压Udc等于额定值，然后转入第十五模块。
第十五模块，用于断开第一接触器，过程结束。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明由于采用了步骤(1)，其在含有超级电容器组的直流母线上加入充电电阻，解决了由于外部大功率直流母线瞬间放电形成电压突变导致大功率DC-DC变换器中含有超级电容的大功率直流母线常受较大的电压冲击且损耗大的技术问题。
(2)本发明由于采用了步骤(3)，其通过利用差分滤波器和其对应的滤波方程将从外部高压直流母线获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号，因此能够解决现有的大功率双向DC-DC变换器高压直流母线侧带有谐波信号导致变换器输入端直流信号质量差、容易对系统产生谐波干扰的技术问题；
(3)本发明由于采用了步骤(4)和(9)，其在前级升降压电路中引入占空比控制，更好的维持大功率DC-DC变换电路运行时直流母线侧的电压恒定，对电路整体进行保护。因此能够解决现有的DC-DC变换电路大功率直流母线系统稳定性差的技术问题。
(4)本发明由于采用了步骤(5)到(8)，其前后级变换电路分别由超级电容器组和蓄电池组作为储能型元件，四个IGBT器件相互配合，通过PWM控制、过电压、低电压保护实现能量的双向控制，实现较长时间能量的吸收与释放，因此能够解决现有的DC-DC变换电路系统变换效率低的技术问题；
(5)本发明由于采用了步骤(6)，其通过对不同运行工况下的大功率DC-DC变换电路进行故障判断并保护，因此能够解决现有保护对复杂工况下大功率DC-DC变换电路不能得到全面保护的技术问题。
附图说明
图1是本发明1500V电压等级的电驱动矿用卡车系统的结构示意图；
图2是大功率DC-DC变换电路的结构示意图；
图3是预充电时大功率DC-DC变换电路的工作流程图；
图4是瞬间大功率吸收能量时大功率DC-DC变换电路的工作状态示意图；
图5是瞬间大功率吸收能量时大功率DC-DC变换电路的工作流程图；
图6是正常状态下吸收能量时大功率DC-DC变换电路的工作状态示意图；
图7是正常状态下吸收能量时大功率DC-DC变换电路的工作流程图；
图8是瞬间大功率释放能量时大功率DC-DC变换电路的工作状态示意图；
图9是瞬间大功率释放能量时大功率DC-DC变换电路的工作流程图；
图10是正常状态下释放能量时大功率DC-DC变换电路的工作状态示意图。
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未构成冲突就可以相互组合。
本发明的基本思路在于，从四个方面对大功率DC-DC变换电路中直流母线进行协同保护，首先在含有超级电容器组的直流母线上加入充电电阻，解决了电压突变导致直流母线常受较大的电压冲击且损耗大的问题；其次通过利用差分滤波函数对高次谐波信号进行滤波处理，解决的谐波信号导致变换器输入端直流信号质量差、容易对系统产生谐波干扰的问题。然后通过在前级升降压电路中引入占空比控制，更好的维持大功率DC-DC变换电路运行时直流母线侧的电压恒定，对电路整体进行保护；最后通过设置不同运行状况下大功率DC-DC变换电路元器件的保护值，通过PWM控制、过电压、低电压保护实现能量的双向控制，实现较长时间能量的吸收与释放，从而能够解决现有的DC-DC变换电路系统变换效率低的技术问题；
以下针对外部直流母线电压等级为1500V的电驱动矿用卡车系统实施例对本发明作进一步说明，表1为该系统各元器件规格表。
表1各元件规格表
如图1所示，其为1500V电压等级的电驱动矿用卡车系统的结构示意图，包括1500V大功率直流母线、大功率DC-DC变换电路、大功率DC-DC变换电路中直流母线侧串联超级电容模块、IGBT器件Q1，Q2构成的前级升降压变换电路、Q3，Q4构成的后级升降压变换电路、充电电阻以及蓄电池组。其中前后级升降压变换电路的设置可使系统在更宽的电压范围内实现能量的高效存储与释放。
如图2所示，本发明提出了一种用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其中该大功率DC-DC变换电路包括四个IGBT器件Q1、Q2、Q3和Q4、超级电容器组、三个快熔、两个电感、四个接触器、以及充电电阻，第一电感、第一快熔、第一接触器相串联再与第二IGBT器件Q2并联之后，与第一IGBT器件Q1串联构成前级升降压变换电路，充电电阻与第三接触器并联之后与第四接触器接触器、第三快熔和超级电容器组串联，构成带有超级电容器组的大功率直流母线，第二电感、第二快熔、第二接触器、蓄电池组相串联再与第四IGBT器件Q4并联之后与第三IGBT器件Q3串联构成后级升降压变换电路，前级升降压变换电路、含有超级电容器组的大功率直流母线、以及后级升降压变换电路三者相并联。该保护方法包括以下步骤：
(1)打开第三接触器，闭合第四接触器，控制后级升降压变换电路内部的蓄电池组对超级电容组进行预充电(如图3所示)，并判断超级电容器组两端的电压是否大于预设的充电电压，且低于预设电压的1.2倍，如果是则进入步骤(2)，否则进入步骤(15)。
具体而言，预设的充电电压的取值范围是1200V到1800V，优选为1500V。
(2)关闭第三接触器，从大功率直流母线中移除充电电阻，以得到超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路。
经过步骤(1)和步骤(2)后，超级电容完成预充电，矿车可以开始启动、制动。
上述步骤(1)到(2)的优点在于，解决了由于外部大功率直流母线瞬间放电形成电压突变对元器件造成的不可逆损伤。
(3)将步骤(2)得到的超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路接入外部1500V直流母线，从大功率直流母线获取高次谐波信号，利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号。
经过本步骤后，得到的PWM调制信号的脉冲宽度为0。
本步骤的优点在于，将外部高压直流母线后接入后利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号，解决了大功率双向DC-DC变换器高压直流母线侧带有谐波信号导致变换器输入端直流信号质量差、容易对系统产生谐波干扰的问题；
(4)将步骤(3)得到的平稳直流信号输入到大功率DC-DC变换电路中的前级升降压变换电路，并在前级升降压变换电路中引入占空比控制，以获取占空比控制后的含有超级电容器组的直流母线电压U(如图4所示)。
本步骤的核心思想是引入占空比控制，更好的维持直流母线侧的电压恒定，对电路整体进行保护。
(5)判断步骤(4)得到的直流母线电压U是否有U<Umax×Kmax且U>Umin×Kmin成立，若是则转入步骤(6)，否则转入步骤(15)；其中Umax表示预设的直流母线电压最大值，其取值范围是1500V到2000V，优选为1800V；Kmax表示直流母线电压在过电压时设定的最大裕度，其取值范围是1.1到1.3，优选为1.2；Umin表示预设的直流母线电压最小值，其取值范围是1000V到1500V，优选为1200V；Kmin表示直流母线电压在低电压时设定的最小裕度，其取值范围是0.6到1，优选为0.8。
(6)判断大功率DC-DC变换电路是否处于能量吸收状态，若是则转入步骤(7)，否则转入步骤(8)(如图8所示)。
本步骤的优点在于将大功率直流母线多工况下运行遇到的问题进行分步处理，以对系统整体运行状况进行保护。
(7)判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间涌浪冲击，即I>Iset1(如图5所示)，若是则转入步骤(9)，否则转入步骤(11)；其中I表示含有超级电容器组的大功率直流母线上的电流，Iset1表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值，其取值范围是500A到1000A，优选为1000A；
(8)判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间的大功率缺口，即I<Iset2(如图9所示)，若是则转入步骤(10)，否则转入步骤(12),其中Iset2表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值，其取值范围是500A到1000A，优选为500A。
(9)对第二IGBT器件Q2引入占空比控制，以对超级电容器组进行充电，然后转入步骤(14)。
本步骤的核心思想是对电力电子器件进行控制对过电压情况下的系统进行保护。
(10)利用第一IGBT器件Q1完成由超级电容器组向外部直流母线的瞬间大电流能量输送，以得到正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路，然后转入步骤(13)。
(11)利用第二IGBT器件Q2和第三IGBT器件Q3对没有出现瞬间涌浪冲击的大功率直流母线进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在升压状态，对外部直流母线的能量进行吸收，使后级升降压变换电路构成降压电路，向蓄电池组充电(如图6、图7所示)，以得到正常状态下吸收能量的大功率DC-DC变换电路，并判断超级电容器组上的电压Udc＝Uin/(1-D)是否大于额定值，如果是则转入步骤(14)，否则转入步骤(15)；其中D为IGBT器件引入的占空比值，其取值范围是0.3到0.7，优选为0.5，Uin为大功率DC-DC变换电路的输入电压，其取值范围为450V到750V。
具体而言，本步骤中的额定值的取值范围是1300V到1700V，优选为1500V。
(12)利用第一IGBT器件Q1、第四IGBT器件Q4对没有出现瞬间大功率缺口的电路进行PWM控制(如图10所示)，使前级升降压变换电路工作在降压状态，稳定输出放电电流，后级升降压变换电路构成升压电路，维持超级电容器组电压稳定，并判断超级电容器组的电压Udc是否小于额定值，若小于额定值转入步骤(13)，否则转入步骤(15)。
在本步骤中，额定值的取值范围是1300V到1700V，优选为1500V。
本步骤的核心思想是对电力电子器件进行控制对正常工作状态下和瞬间大功率释放能量状态下的系统进行保护。
(13)利用第四IGBT器件Q4对步骤(10)得到的正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成升压电路，并判断含有超级电容器组的直流母线电压Udc是否等于额定值，若是则转入步骤(15)，否则进入步骤(14)。
(14)利用第三IGBT器件Q3对大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成降压电路，含有超级电容器组的直流母线电压Udc等于额定值，然后转入步骤(15)。
(15)断开第一接触器，过程结束。
上述步骤(13)到步骤(15)的优点在于，矿车充放电运行结束后始终维持超级电容器两组端电压在1500V，为下一次电路运行充电过程做好准备。
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 (7)
1.一种用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其中该大功率DC-DC变换电路包括四个IGBT器件Q1、Q2、Q3和Q4、超级电容器组、三个快熔、两个电感、四个接触器、以及充电电阻，第一电感、第一快熔、第一接触器相串联再与第二IGBT器件Q2并联之后，与第一IGBT器件Q1串联构成前级升降压变换电路，充电电阻与第三接触器并联之后与第四接触器接触器、第三快熔和超级电容器组串联，构成带有超级电容器组的大功率直流母线，第二电感、第二快熔、第二接触器、蓄电池组相串联再与第四IGBT器件Q4并联之后与第三IGBT器件Q3串联构成后级升降压变换电路，前级升降压变换电路、含有超级电容器组的大功率直流母线、以及后级升降压变换电路三者相并联。其特征在于，所述协同保护方法包括以下步骤：
(1)打开第三接触器，闭合第四接触器，控制后级升降压变换电路内部的蓄电池组对超级电容组进行预充电，并判断超级电容器组两端的电压是否大于预设的充电电压，且低于预设电压的1.2倍，如果是则进入步骤(2)，否则进入步骤(15)。
(2)关闭第三接触器，从大功率直流母线中移除充电电阻，以得到超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路。
(3)将步骤(2)得到的超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路接入外部1500V直流母线，从大功率直流母线获取高次谐波信号，利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号。
(4)将步骤(3)得到的平稳直流信号输入到大功率DC-DC变换电路中的前级升降压变换电路，并在前级升降压变换电路中引入占空比控制，以获取占空比控制后的含有超级电容器组的直流母线电压U。
(5)判断步骤(4)得到的直流母线电压U是否有U<Umax×Kmax且U>Umin×Kmin成立，若是则转入步骤(6)，否则转入步骤(15)；其中Umax表示预设的直流母线电压最大值；Kmax表示直流母线电压在过电压时设定的最大裕度；Umin表示预设的直流母线电压最小值；Kmin表示直流母线电压在低电压时设定的最小裕度。
(6)判断大功率DC-DC变换电路是否处于能量吸收状态，若是则转入步骤(7)，否则转入步骤(8)。
(7)判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间涌浪冲击，即I>Iset1，若是则转入步骤(9)，否则转入步骤(11)；其中I表示含有超级电容器组的大功率直流母线上的电流，Iset1表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值；
(8)判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间的大功率缺口，即I<Iset2，若是则转入步骤(10)，否则转入步骤(12),其中Iset2表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值。
(9)对第二IGBT器件Q2引入占空比控制，以对超级电容器组进行充电，然后转入步骤(14)。
(10)利用第一IGBT器件Q1完成由超级电容器组向外部直流母线的瞬间大电流能量输送，以得到正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路，然后转入步骤(13)。
(11)利用第二IGBT器件Q2和第三IGBT器件Q3对没有出现瞬间涌浪冲击的大功率直流母线进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在升压状态，对外部直流母线的能量进行吸收，使后级升降压变换电路构成降压电路，向蓄电池组充电，以得到正常状态下吸收能量的大功率DC-DC变换电路，并判断超级电容器组上的电压Udc＝Uin/(1-D)是否大于额定值，如果是则转入步骤(14)，否则转入步骤(15)；其中D为IGBT器件引入的占空比值，Uin为大功率DC-DC变换电路的输入电压。
(12)利用第一IGBT器件Q1、第四IGBT器件Q4对没有出现瞬间大功率缺口的电路进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在降压状态，稳定输出放电电流，后级升降压变换电路构成升压电路，维持超级电容器组电压稳定，并判断超级电容器组的电压Udc是否小于额定值，若小于额定值转入步骤(13)，否则转入步骤(15)。
(13)利用第四IGBT器件Q4对步骤(10)得到的正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成升压电路，并判断含有超级电容器组的直流母线电压Udc是否等于额定值，若是则转入步骤(15)，否则进入步骤(14)。
(14)利用第三IGBT器件Q3对大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成降压电路，含有超级电容器组的直流母线电压Udc等于额定值，然后转入步骤(15)。
(15)断开第一接触器，过程结束。
2.根据权利要求1所述的用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其特征在于，步骤(1)中预设的充电电压的取值范围是1200V到1800V，优选为1500V。
3.根据权利要求1或2所述的用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其特征在于，
步骤(5)中Umax的取值范围是1500V到2000V，优选为1800V；
步骤(5)中Kmax的取值范围是1.1到1.3，优选为1.2；
步骤(5)中Umin的取值范围是1000V到1500V，优选为1200V；
步骤(5)中Kmin的取值范围是0.6到1，优选为0.8。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其特征在于，步骤(7)中大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值Iset1的取值范围是500A到1000A，优选为1000A。
5.根据权利要求4所述的用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其特征在于，步骤(8)中大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值Iset2的取值范围是500A到1000A，优选为500A。
6.根据权利要求5所述的用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护方法，其特征在于，
步骤(11)中IGBT器件引入的占空比值D的取值范围是0.3到0.7，优选为0.5；
步骤(11)中大功率DC-DC变换电路的输入电压Uin的取值范围为450V到750V。
步骤(11)中额定值的取值范围是1300V到1700V，优选为1500V。
7.一种用于大功率DC-DC变换电路中直流母线的协同保护系统，其中该大功率DC-DC变换电路包括四个IGBT器件Q1、Q2、Q3和Q4、超级电容器组、三个快熔、两个电感、四个接触器、以及充电电阻，第一电感、第一快熔、第一接触器相串联再与第二IGBT器件Q2并联之后，与第一IGBT器件Q1串联构成前级升降压变换电路，充电电阻与第三接触器并联之后与第四接触器接触器、第三快熔和超级电容器组串联，构成带有超级电容器组的大功率直流母线，第二电感、第二快熔、第二接触器、蓄电池组相串联再与第四IGBT器件Q4并联之后与第三IGBT器件Q3串联构成后级升降压变换电路，前级升降压变换电路、含有超级电容器组的大功率直流母线、以及后级升降压变换电路三者相并联。其特征在于，所述协同保护系统包括：
第一模块，用于打开第三接触器，闭合第四接触器，控制后级升降压变换电路内部的蓄电池组对超级电容组进行预充电，并判断超级电容器组两端的电压是否大于预设的充电电压，且低于预设电压的1.2倍，如果是则进入第二模块，否则进入第十五模块。
第二模块，用于关闭第三接触器，从大功率直流母线中移除充电电阻，以得到超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路。
第三模块，用于将第二模块得到的超级电容器组完成预充电后的大功率DC-DC变换电路接入外部1500V直流母线，从大功率直流母线获取高次谐波信号，利用差分滤波函数对获取的高次谐波信号进行滤波处理，以得到无谐波干扰的平稳直流信号和PWM调制信号。
第四模块，用于将第三模块得到的平稳直流信号输入到大功率DC-DC变换电路中的前级升降压变换电路，并在前级升降压变换电路中引入占空比控制，以获取占空比控制后的含有超级电容器组的直流母线电压U。
第五模块，用于判断第四模块得到的直流母线电压U是否有U<Umax×Kmax且U>Umin×Kmin成立，若是则转入第六模块，否则转入第十五模块；其中Umax表示预设的直流母线电压最大值；Kmax表示直流母线电压在过电压时设定的最大裕度；Umin表示预设的直流母线电压最小值；Kmin表示直流母线电压在低电压时设定的最小裕度。
第六模块，用于判断大功率DC-DC变换电路是否处于能量吸收状态，若是则转入第七模块，否则转入第八模块。
第七模块，用于判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间涌浪冲击，即I>Iset1，若是则转入第九模块，否则转入第十一模块；其中I表示含有超级电容器组的大功率直流母线上的电流，Iset1表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第一电流额定值；
第八模块，用于判断含有超级电容器组的大功率直流母线是否出现瞬间的大功率缺口，即I<Iset2，若是则转入第十模块，否则转入第十二模块,其中Iset2表示大功率DC-DC变换电路正常运行时，含有超级电容器组的直流母线的第二电流额定值。
第九模块，用于对第二IGBT器件Q2引入占空比控制，以对超级电容器组进行充电，然后转入第十四模块。
第十模块，用于利用第一IGBT器件Q1完成由超级电容器组向外部直流母线的瞬间大电流能量输送，以得到正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路，然后转入第十三模块。
第十一模块，用于利用第二IGBT器件Q2和第三IGBT器件Q3对没有出现瞬间涌浪冲击的大功率直流母线进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在升压状态，对外部直流母线的能量进行吸收，使后级升降压变换电路构成降压电路，向蓄电池组充电，以得到正常状态下吸收能量的大功率DC-DC变换电路，并判断超级电容器组上的电压Udc＝Uin/(1-D)是否大于额定值，如果是则转入第十四模块，否则转入第十五模块；其中D为IGBT器件引入的占空比值，Uin为大功率DC-DC变换电路的输入电压。
第十二模块，用于利用第一IGBT器件Q1、第四IGBT器件Q4对没有出现瞬间大功率缺口的电路进行PWM控制，使前级升降压变换电路工作在降压状态，稳定输出放电电流，后级升降压变换电路构成升压电路，维持超级电容器组电压稳定，并判断超级电容器组的电压Udc是否小于额定值，若小于额定值转入第十三模块，否则转入第十五模块。
第十三模块，用于利用第四IGBT器件Q4对第十模块得到的正常运行情况下的大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成升压电路，并判断含有超级电容器组的直流母线电压Udc是否等于额定值，若是则转入第十五模块，否则进入第十四模块。
第十四模块，用于利用第三IGBT器件Q3对大功率DC-DC变换电路进行PWM控制，使后级升降压电路构成降压电路，含有超级电容器组的直流母线电压Udc等于额定值，然后转入第十五模块。
第十五模块，用于断开第一接触器，过程结束。
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