阅读说明：本技术 基于双有源桥结构的固态变压器故障电流限流拓扑及限流方法 (Double-active-bridge-structure-based fault current limiting topology and current limiting method for solid-state transformer ) 是由 卓超然 杨旭 张笑天 张�雄 马鑫 黄燕飞 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双有源桥结构的固态变压器故障电流限流拓扑及限流方法,包括变压器T和全桥电路,所述全桥包括连接在电压器T原边的全桥逆变电路和副边的全桥整流电路,所述全桥逆变电路和全桥整流电路分别连接有一支路,所述支路由一电力电子开关和一支撑电容连接组成,本发明相比于其它外加专用直流限流器设备型的方案,本发明具有造价低廉,电路简单且控制方法容易等优点；因为本发明具有对称的电路拓扑,因此本发明不受电网潮流方向的影响。通过调节H桥间移相角以及输入侧半桥的移相角,可以实现直流电力电子变压器输出电流的宽范围连续控制,因此具有宽范围的适应性,满足直流回路发生短路故障时不同程度的短路状况。(The invention discloses a fault current limiting topology and a current limiting method of a solid-state transformer based on a double-active-bridge structure, which comprises a transformer T and a full-bridge circuit, wherein the full-bridge circuit comprises a full-bridge inverter circuit connected to the primary side of the transformer T and a full-bridge rectifier circuit connected to the secondary side of the transformer T, the full-bridge inverter circuit and the full-bridge rectifier circuit are respectively connected with a branch circuit, and the branch circuit is formed by connecting a power electronic switch and a supporting capacitor; because the invention has a symmetrical circuit topology, the invention is not influenced by the power flow direction of the power grid. By adjusting the phase shift angle between the H bridges and the phase shift angle of the half bridge at the input side, the wide-range continuous control of the output current of the direct current power electronic transformer can be realized, so that the wide-range adaptability is realized, and the short circuit conditions of different degrees when the direct current loop has short circuit faults are met.)

基于双有源桥结构的固态变压器故障电流限流拓扑及限流 方法

技术领域

本发明属于故障电流穿越控制技术领域，具体涉及一种基于双有源桥结构的固态变压器故 障电流限流拓扑及限流方法。

背景技术

直流输电以及配电系统起始于上世纪20年代，因为以当时技术储备有限，不足以实现直 流电压变换，潮流控制以及故障断路限流等功能。这在很大程度上制约着直流输电电网的发展。 如今，伴随着电力电子半导体器件与其相关控制等技术的蓬勃发展，直流系统因具有相对于交 流系统独特的优势，又一次的被提及并越来越多的运用在新的输电以及配电系统的建设项目当 中。然而，随着直流输电系统规模的增加，不同电压等级的直流线路将由直流电力电子变压器 连接，故障穿越是无法回避的问题，现有的中高压直流故障限流的各种解决方案，大多通过限 流设备的使用进行解决。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于双有源桥结构的固态变压 器故障电流限流拓扑及限流方法，本发明不需要额外增加限流设备，通过对直流变压器施加相 应控制方法，实现无论高压侧还是低压侧的直流短路故障电流的限流以及低电压故障电流的穿 越。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案是：一种基于双有源桥结构的电力电子变压器 故障短路电流限流拓扑，包括变压器T和全桥电路，所述全桥包括连接在电压器T原边的全 桥逆变电路和副边的全桥整流电路，所述全桥逆变电路和全桥整流电路分别连接有一支路，所 述支路由一电力电子开关和一支撑电容连接组成，其中，电力电子开关的集电极与支撑电容的 正极相连，支撑电容的负极连接至全桥电路负端，电力电子开关的发射极连接至全桥电路的正 端。

进一步的，所述全桥逆变电路由四个电力电子开关组成。

进一步的，所述全桥电路中，其中一个全桥电路的两端用于连接输入端，另一个全桥电路 的两端用于连接输出端。

进一步的，所述电力电子开关由IGBT与反并联二极管构成。

进一步的，还包括连接在全桥逆变电路与变压器T原边之间的电感L，所述电感L为变压 器漏感以及线路及电力电子开关等效电感之和。

基于双有源桥结构的固态变压器故障电流限流方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，当直流电网处于正常运行状态时，变压器部分处于桥间移相控制方法，d₁为占空 比，定义为中频变压器两侧H桥的相位差比于0.5个工作周期，在控制器上选择输出电压闭环 控制或电压电流双闭环控制系统，输出为两个H桥间的移相角，占空比d₁关于平均输出有功 功率P的函数为式(1)所示：

其中，d₁的取值范围为[-1,1]；P(d₁)是为关于点(0,0)的奇函数，且在占空比d₁为0.5时拥 有最大值，-0.5时拥有最小值；

步骤二，当直流变压器两端点中任一点发生短路故障时，变压器对控制方法进行更改，当 变压器正常运行时，按照SPS(single phase shift)的方式启动与正常运行，在正常运行时刻， 检测输出侧是否出现短路故障，如没有则继续正常运行，当检测到线路短路故障首先尝试继续 SPS方法调试，强行使逆变桥H桥内移角置零，此时再次判断故障电流是否得到限制，如得 到限制，则按照上述方法进行限流控制；如未得到限制，则强行控制H桥间移相角置零，单 独调制逆变H桥内移相角，减小逆变侧输出电压；

当直流电网中有短路故障发生，首先将故障侧的支撑电容断路，开启输入侧H桥内的移 相角，通过限制中频变压器的输入电压限制短路时刻的输出电流，同时依据式(2)，强迫桥间 相位差为0；

此时电力电子变压器的对应占空比d₂关于平均输出有功功率P的函数为式(2)所示；

其中，d₂的取值范围为[-1,1]，其特性与d₁相同。

进一步的，步骤一中，所述控制器使用电压、电流双闭环的形式；

整个闭环控制输入为参考电压Uout*，参考电压与实际测量电压Uout的差Uerr为控制器 PI1的输入，PI1的输出连接边界控制器(hard limiter)得出参考电流输出Iout_ref，参考电流输 出Iout_ref与实际电流输出值Iout的差是输出电流误差值Iout_err，也为调节器PI2的输入； PI2输出是传递函数1的输入，为参考输出功率Power_ref；传递函数1的输出为控制角δ；控 制角δ为传递函数2的输入，传递函数2的输出为输出电压Uout，输出电压Uout连接传递函 数3的输入，传递函数3的输出为输出电流值Iout。

进一步的，所述步骤二中，在短路故障时刻，系统给出故障电流限流参考值I_{limit_ref}.故障 电流限流参考值与实际值相减，为电流误差I_err，电流误差通过PI调节器，得到控制角δ，将 控制角作为传递函数的输入，传递函数为输出电流与控制角之间的关系，传递函数的输出为输 出电流实际值I_out。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，相比于其它外加专用直流限流器设备型 的方案，本发明具有造价低廉，电路简单且控制方法容易等优点；因为本发明具有对称的电路 拓扑，因此本发明不受电网潮流方向的影响。通过调节H桥间移相角以及输入侧半桥的移相 角，可以实现直流电力电子变压器输出电流的宽范围连续控制，因此具有宽范围的适应性，满 足直流回路发生短路故障时不同程度的短路状况；另外，本发明基于现有的中高压直流故障限 流的各种解决方案，在不需要额外增加限流设备的条件下，通过对直流变压器施加相应控制方 法，实现无论高压侧还是低压侧的直流短路故障电流的限流以及低电压故障电流的穿越；除了 可以完成这些直流回路的能量输送外，本发明对于变压器两端直流线路可能发生的短路故障电 流也能起到保护的作用，有限制直流两端短路故障电流以及维持低电压短路电路故障穿越功能。

本发明的直流变压器拓扑应用电力电子控制技术，具有对故障电流进行快速反应的特点以 及良好的故障电流控制性能，本发明在未来直流输电网中具有非常好的运用前景。

附图说明

图1为本发明的具有限流功能直流变压器拓扑。

图2为具有限流功能直流变压器典型应用实例。

图3为变压器正常运行时刻波形图。

图4为变压器正常运行时刻控制框图。

图5为变压器短路故障逻辑判断框图。

图6为电力电子变压器在短路时刻输入侧H桥桥内移相的工作波形图。

图7为电力电子变压器短路故障运行时刻快速控制框图。

图8为不具有限流功能的电力电子变压器短路故障前后仿真波形图。

图9为本发明中带有限流功能的电力电子变压器短路故障前后仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行说明。

如图1所示，为本发明的具有限流功能直流变压器拓扑，其中，ABCD为输出或输入端口。 该拓扑主要包括电力电子开关Q1-Q8，Q_cpri以及Q_csec,支撑电容C_pri和C_sec，和中频变压器T。 变压器T的同名端均在同一侧。为演示方便起见，图1中L主要为变压器漏感以及线路及电 力电子开关等效电感之和。电力电子开关由IGBT以及反并联二极管构成，因此具有单向断路 的功能。

Q_cpri的集电极与支撑电容C_pri的正极相连，发射极与点N相连。与Q_cpri发射极相连的还 有Q1和Q3的集电极。Q1和Q3的发射极，分别连接Q2和Q4的集电极于点P与点Q。支 撑电容C_pri负极与Q2和Q4的发射极相连于点S。P点与变压器正极相连，并串入电感L，变 压器负极于点Q相连。图1中拓扑关于电压器原副边对称，因此关于变压器副边连接方法与 上述一致，在此不做详细说明。

图2为两种直流电压等级间连接直流变压器的直流输电网络示例。变压器ABCD四点与 图1中四个点相对应。DC1与DC2分别代表不同电压，均为上正下负，功率流向可由端口AB 至CD或相反。数字1-4代表可能发生短路的地点，其中1与2等效，3与4等效。本发明可 适用于1-4中任一地点发生短路的情况。

具体实施步骤可分为以下几个部分。

步骤一，当直流电网处于正常运行状态时，变压器部分处于桥间移相控制方法，其波形如 图3所示(为电力电子变压器功率从左至右传输时刻，本文如若无特殊说明，则均按照功率从 左至右传输说明)。d₁为占空比，定义为中频变压器两侧H桥的相位差比于0.5个工作周期。 在控制器上选择输出电压闭环控制或电压电流双闭环控制系统。控制器框图如图4所示，输出 为两个H桥间的移相角。占空比d₁关于平均输出有功功率P的函数为式1所示。d₁的取值范 围为[-1,1]。由公式1可以看出函数P(d₁)是为关于点(0,0)的奇函数，且在占空比d₁为0.5时拥 有最大值，-0.5时拥有最小值。

步骤二，当直流变压器两端点1-4中任一点发生短路故障时，变压器会对控制方法进行更 改，其逻辑框图如图5所示。如判断直流电网中有短路故障发生，首先将故障侧的支撑电容断 路，目的一是为了阻断电容放电，进而减小短路瞬间所释放的电流，二是为了保存电容电压， 以便在后期故障恢复时刻可以快速接入电网。原本步骤一中的桥间移相控制方法，由于短路侧 电压强迫为零，因此也不再适用。解决方法是，开启输入侧H桥内的移相角(即图1中Q1,4 或Q5,8之间的移相角)，通过限制图1中中频变压器的输入电压来进一步限制短路时刻的输出 电流，同时依据公式9，强迫桥间相位差为0。此时电力电子变压器的工作波形如图6所示， 对应占空比d₂关于平均输出有功功率P的函数为2所示。

同样，d₂的取值范围为[-1,1]。其特性与d₁相同。在控制方法上，公式2是沿用公式1的推导 方法而得，但在此时刻因为输出电压为零变得并不适用，因此本发明便沿用图4中的输出电压 闭环的设计思路，使用更加快捷的控制方法，其控制框图如图7所示：图7中，输入量为故障 限流电流参考值Ilimit_ref,与实际电流值Iout的差为电流误差值Ierr，也是PI调节器的输入量。 调节器输出量为控制角δ，是传递函数的输入。传递函数为控制角与输出电流的关系，因此整 个控制框图的输出量为Iout，即为实际电流值；图4中，传递函数1为power_ref与控制角的 关系；传递函数2为控制角δ与输出电压之间的关系；传递函数3为输出电压与输出电流之间 的关系。

图8为基于以上发明实施方式搭建了仿真平台予以验证。仿真采用PSCAD软件，使用单 组DAB模块进行原理性仿真，高压侧直流电压1kV，变压器变比2:1，变压器漏抗10uH，输 出侧电压0.5kV，输出侧负载1Ω，开关工作频率2kHz。图8为不具有限流功能的DAB电力电子变压器故障前后仿真波形图，从上至下依次为输出电流，输出电压，输出功率以及短路侧 支撑电容电压，单位为kV,kA以及kW。可以看出，短路故障发生时刻，由于大量能量从支撑 电容放出，导致短路瞬间电流达到了很高的数值，在短路后期，由于传统控制方法不能够对短 路电流进行有效限流，因此短路电流稳态依然维持在相当高的水平。相比于图8，当电力电子 变压器应用本发明提供的改进型拓扑以及控制方法时，不但电流在短路瞬间的尖峰得到了极大 幅度的减小，并且后期稳态短路电流也维持在很小的可控范围之内，同时输出侧支撑电容电压 没有因为短路而泄放。

通过仿真表明，此种具有限流功能的电力电子变压器拓扑及控制方法有着良好且可控的短 路电流故障抑制能力。

如图9所示，图9为使用具有限流功能的直流变压器拓扑后，当线路发生短路故障时，输 出电流、输出电压、输出功率以及变压器输出侧电容的电压波形相比于图8均得到了较好的改 善。输出电流在短路瞬间由原本7kA左右峰值被抑制到1kA左右，输出功率在短路瞬间被抑 制到很低，输出电容电压因得到及时切除而没有泄放。