一种自阻断型真双极电力电子变压器系统及控制方法技术方案

一种自阻断型真双极电力电子变压器系统及控制方法，该系统拓扑为正负真双极系统，由三级构成；第一级为开关管T1、T2、T3、T4构成的高压侧阻断直流短路故障模块，当发生直流短路故障时封锁脉冲，阻断短路电流；第二级为开关管Q1～Q8和高频变压器构成了以高频链为核心的双向对称LLC谐振电路；第三级为开关管T5～T12构成了四个串联Buck‑Boost电路，以实现电压源或电流源模式下的潮流控制，当发生直流短路故障时，和高压侧T1、T2、T3、T4开关管同时封锁脉冲，阻断短路电流。

【技术实现步骤摘要】
一种自阻断型真双极电力电子变压器系统及控制方法
本专利技术属于直流微电网、直流配电网、新能源并网等电压变换及能量的双向传输领域，具体涉及一种自阻断型真双极电力电子变压器系统及控制方法。
技术介绍
直流配电网作为光伏和风电等新能源汇集的重要手段，近些年受到广泛关注。电力电子变压器作为直流配电网电压变换、能量传输及阻断直流侧故障电流的关键设备也获得了快速发展。有文献提出了“半桥+Buck”结构，半桥采用开环控制，使半桥变换器的占空比为0.5，通过调节Buck变换器的占空比来控制输出电压，但是能量只能单向流动，无法满足能量双向流动要求；另有文献提出了一种“Boost+LLC”级联结构，这种结构的缺点是Boost电路是一个非最小相位系统，在对其进行调节器设计时会比较困难，同样无法实现能量双向流动；有文献提出了对单一可控管Buck进行级联或对单一可控管Boost进行级联，无法实现电气隔离与能量的双向流动。另外还存在其他问题，如：无法满足高电压应用场合、端口数量及工作模式有限、故障阻断及故障恢复能力不完善等。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种适用于直流配电网的可阻断直流故障电流的四端口电力电子变压器拓扑；其次，基于该新型拓扑，提出了工作于不同端口的电压源或电流源模式的闭环控制和模块均压控制方法，而且可实现能量的双向流动；最后，在上述控制方法的基础上提出了直流故障阻断、隔离及故障恢复方法。本专利技术采用如下的技术方案实现：本专利技术的第一方面提供了一种自阻断型真双极电力电子变压器系统，包括拓扑结构对称的正极子系统和负极子系统；所述变压器系统包括三级拓扑结构；第一级包括开关管T1、T2、T3、T4构成的高压侧阻断直流短路故障模块，当发生直流短路故障时封锁脉冲，阻断短路电流；第二级包括开关管Q1～Q8和高频变压器，构成以高频链为核心的双向对称LLC谐振电路；第三级包括由开关管T5～T12构成的四个串联Buck-Boost电路，形成低压侧阻断直流短路故障模块，以实现电压源或电流源模式下的潮流控制，当发生直流短路故障时，和高压侧T1、T2、T3、T4开关管同时封锁脉冲，阻断短路电流。进一步的，高压侧和低压侧的电压额定值分别为±800V和±400V。进一步的，当系统的电压等级更高时，可按照电压等级扩展到N个串联模块。进一步的，所述变压器系统为四端口电力电子变压器系统，分别为高压侧正极、负极端口和低压侧正极、负极端口；每个端口包括启动回路，所述启动回路包括并联连接的主接触器和软启动回路；所述软启动回路由软启接触器和软启电阻串联连接形成。进一步的，Lr1和Cr1构成高频变压器原边LC谐振网络，Lr2和Cr2组成高频变压器副边LC谐振网络，Lm为高频变压器的励磁电感，高频变压器变比为4:3。进一步的，PT1/PT2、PT3/PT4分别为高压侧和低压侧电压互感器，用作端口电压采样；CT1/CT2、CT3/CT4分别为高压侧和低压侧电流霍尔传感器，用作支路电流采样；CT1的电流正方向为流向高压侧正极侧，CT3的电流正方向为流向低压侧正极侧；CT2的电流正方向为流入高压侧负极侧，CT4的电流正方向为流入低压侧负极侧。本专利技术的第二方面提供了一种自阻断型真双极电力电子变压器系统的控制方法，用于控制如前所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，包括如下步骤：高/低压侧软启动：闭合高/低压侧软启接触器，对高/低压侧母线电容进行充电，然后闭合高/低压侧主接触器，断开软启接触器；双向对称LLC谐振电路高压侧开关管Q1～Q4和低压侧开关管Q5～Q8同时进行移相启动，使得开关管占空比逐渐变大至目标占空比(电压源模式)/直接设为目标占空比(电流源模式)；启动由T5～T8和/或T9～T12构成的串联Buck-Boost电路，Buck开关管的占空比Dbuck从0逐渐增加至目标占空比Dobject(电压源模式)/Buck开关管的占空比Dbuck直接为目标占空比Dobject(电流源模式)；同时Boost开关管的占空比Dboost从1逐渐减小至目标占空比Dobject(电压源模式)/Boost开关管的占空比Dboost直接为(1-Dobject)，(电流源模式)；若是工作在电压源模式，则切换到电压电流双闭环控制；若是工作在电流源模式，则切换到电流闭环控制。进一步的，电压源和电流源模式控制策略通过电压闭环、电流闭环实现，开关管T5～T12输出脉冲按三角载波移相方式进行调制。进一步的，高压侧串联Buck-Boost模块的均压控制通过将两个串联Buck-Boost的电压作差比较，然后经PI调节器进行计算得到模块均压控制量，将均压控制量分别加、减到电流环PI调节器的输出上得到两组调制波，两组调制波分别与三角载波、反相三角载波进行比较得到低压侧两个串联Buck-Boost的控制脉冲，通过控制两个串联Buck-Boost的母线电压均衡以实现高压侧串联模块的均压。进一步的，故障自阻断与恢复控制策略通过判断故障电流的大小封锁±400V与±800V侧各自Buck-Booost模块脉冲实现，故障清除后，再判断故障电流的大小对脉冲进行解锁，重新恢复系统故障前的工作状态，且在故障阻断过程中，主接触器不跳闸。进一步的，包括如下步骤：运行状态下判断低压侧或高压侧电流大于故障电流触发值I_max，认为短路故障发生，则自阻断控制命令字置1、同时给低压与高压侧Buck-Booost模块发送脉冲封锁字，封锁各自模块脉冲，中间级双向对称LLC谐振电路DC-DC模块脉冲不封锁；自阻断控制命令字置1且低压侧和高压侧短路电流均小于I_min时，则短路故障计数器启动，延时Tdelay秒；计时Tdelay结束且低压侧与高压侧电流小于均小于I_min时，则认为短路故障已经恢复；自阻断控制命令字清0，重新计算低压侧Buck-Boost初始占空比，且向低压侧与高压侧Buck-Booost模块发送脉冲解锁字；封锁脉冲期间不执行跳闸操作。综上所述，本专利技术提供了一种自阻断型真双极电力电子变压器系统及控制方法，该系统拓扑为正负真双极系统，由三级构成；第一级为开关管T1、T2、T3、T4构成的高压侧阻断直流短路故障模块，当发生直流短路故障时封锁脉冲，阻断短路电流；第二级为开关管Q1～Q8和高频变压器构成了以高频链为核心的双向对称LLC谐振电路；第三级为开关管T5～T12构成了四个串联Buck-Boost电路，以实现电压源或电流源模式下的潮流控制，当发生直流短路故障时，和高压侧T1、T2、T3、T4开关管同时封锁脉冲，阻断短路电流。本专利技术的有益效果是：1、提出了一种适用于直流配电网的可阻断直流故障电流的四端口电力电子变压器拓扑；2、基于该新型拓扑，提出了工作于电压源或电流源模式的闭环控制和模块均压控制策略，而且可实现能量的双向流动；3、在上述控制策略的基础上提出了直流故障阻断、隔离及故障恢复策略。...

【技术保护点】
1.一种自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，包括拓扑结构对称的正极子系统和负极子系统；所述变压器系统包括三级拓扑结构；/n第一级包括开关管T1、T2、T3、T4构成的高压侧阻断直流短路故障模块，当发生直流短路故障时封锁脉冲，阻断短路电流；/n第二级包括开关管Q1～Q8和高频变压器，构成以高频链为核心的双向对称LLC谐振电路；/n第三级包括由开关管T5～T12构成的四个串联Buck-Boost电路，形成低压侧阻断直流短路故障模块，以实现电压源或电流源模式下的潮流控制，当发生直流短路故障时，和高压侧T1、T2、T3、T4开关管同时封锁脉冲，阻断短路电流。/n

【技术特征摘要】
1.一种自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，包括拓扑结构对称的正极子系统和负极子系统；所述变压器系统包括三级拓扑结构；
第一级包括开关管T1、T2、T3、T4构成的高压侧阻断直流短路故障模块，当发生直流短路故障时封锁脉冲，阻断短路电流；
第二级包括开关管Q1～Q8和高频变压器，构成以高频链为核心的双向对称LLC谐振电路；
第三级包括由开关管T5～T12构成的四个串联Buck-Boost电路，形成低压侧阻断直流短路故障模块，以实现电压源或电流源模式下的潮流控制，当发生直流短路故障时，和高压侧T1、T2、T3、T4开关管同时封锁脉冲，阻断短路电流。


2.如权利要求1所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，高压侧和低压侧的电压额定值分别为±800V和±400V。


3.如权利要求1或2所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，当系统的电压等级更高时，可按照电压等级扩展到N个串联模块。


4.如权利要求1或2所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，所述变压器系统为四端口电力电子变压器系统，分别为高压侧正极、负极端口和低压侧正极、负极端口；
每个端口包括启动回路，所述启动回路包括并联连接的主接触器和软启动回路；所述软启动回路由软启接触器和软启电阻串联连接形成。


5.如权利要求1所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，Lr1和Cr1构成高频变压器原边LC谐振网络，Lr2和Cr2组成高频变压器副边LC谐振网络，Lm为高频变压器的励磁电感，高频变压器变比为4:3。


6.如权利要求1所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，PT1/PT2、PT3/PT4分别为高压侧和低压侧电压互感器，用作端口电压采样；
CT1/CT2、CT3/CT4分别为高压侧和低压侧电流霍尔传感器，用作支路电流采样；CT1的电流正方向为流向高压侧正极侧，CT3的电流正方向为流向低压侧正极侧；CT2的电流正方向为流入高压侧负极侧，CT4的电流正方向为流入低压侧负极侧。


7.一种自阻断型真双极电力电子变压器系统的控制方法，用于控制如权利要求1-6任一项所述的自阻断型真双极电力电子变压器系统，其特征在于，包括如下步骤：
高/低压侧软启动：闭合高/低压侧软启接触器，对高/低压侧母线电容进行充电，然后闭合高/低压侧主接触器，断开软启接触器；
双向对称LLC谐振电路高压侧开关管Q1～Q4和低压侧开关管Q5～Q8同时进行移相启动，使得开关管占空比逐渐变大至目...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹建博，黄辉，陈雪，龚培娇，刘增哲，石松，辛德锋，李宪鹏，王林，吴金龙，张军军，
申请(专利权)人：许继电气股份有限公司，许继集团有限公司，西安许继电力电子技术有限公司，中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41