[发明专利]一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法

说明书

本发明公开一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法。该直流固态变压器包括一个滤波电感、一个全桥子模块、N‑1个半桥子模块以及N个DC‑DC隔离型变换器。桥式子模块互相级联后与滤波电感串联接入中压直流电网，每个桥式子模块的输出端与每个DC‑DC隔离型变换器的直流输入端连接，所有DC‑DC隔离型变换器的直流输出端并联后与低压直流电网连接。当中压直流电网发生短路故障时，若故障后的中压直流电网电压高于预设阈值，本发明直流固态变压器通过调节全部桥式子模块占空比实现故障穿越；若直流电压低于或等于预设阈值，本发明直流固态变压器通过关停半桥子模块及其所连接DC‑DC隔离型变换器，仅全桥子模块及其所连接的DC‑DC隔离型变换器工作实现故障穿越。

技术领域

本发明属于电力电子应用的技术领域，涉及直流电网短路故障及固态变压器，尤其涉及一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法。

背景技术

直流电网的短路故障处理是一个难题。在直流电网中，由于短路电流不存在自然过零点，直流断路器需要在数毫秒内开断很大的故障电流，这对直流断路器是一个很大的挑战，目前尚没有直流断路器应用的工程实例。因此，有相关文献提出了一种无直流断路器的直流故障清除策略，通过结合电力电子变换器的电流控制能力和不能开断大电流但结构简单、价格低廉、技术比较成熟的直流开关装置(如直流接触器，直流分段器)实现故障隔离，其关键在于控制功率输出的电力电子变换器在输出端短路后仍能维持输出电流控制，即拥有故障穿越能力，这为直流故障清除策略提供了一种全新的思路。

传统的电力变压器作为电力系统的基本设备，无法实现直流电压变换。近年来，随着电力电子技术的快速发展，直流固态变压器作为一种新型的变压器受到了广泛关注。在直流电网中，直流固态变压器不仅承担着变压的任务，为低电压等级的负载或新能源提供端口，也承担着直流潮流控制的功能，是未来直流电网的关键配网设备之一，直流固态变压器是否拥有故障穿越能力是实现直流配网无直流断路器保护的关键，因此有必要提出一种具有故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有短路故障穿越能力的直流固态变压器及其控制方法，该新型拓扑及其控制方法可满足短路故障穿越的技术需求。

本发明采用的技术方案是：

一种具有故障穿越能力的直流固态变压器，包括一个滤波电感、N个桥式子模块(含一个全桥子模块、N-1个半桥子模块)以及N个DC-DC隔离型变换器，所述N个桥式子模块级联后的直流输入端正极串联所述滤波电感后与中压直流电网的正极连接，所述N个桥式子模块级联后的直流输入端负极与中压直流电网的负极连接，所述N个DC-DC隔离型变换器的直流输出侧并联后形成直流输出端口，直流输出端口与低压直流电网连接，所述每个DC-DC隔离型变换器的直流输入侧形成直流输入端口，每个直流输入端口各与一个桥式子模块的直流输出端连接。

所述DC-DC隔离型变换器包括逆变器、LC串联谐振环节、中频变压器、整流器和第一电容，所述逆变器的直流侧与桥式子模块的直流输出端连接，所述逆变器的交流侧串联所述LC串联谐振环节后连接所述中频变压器的原边，所述整流器的交流侧连接所述中频变压器的副边，所述整流器的直流侧并联所述第一电容，所述整流器的直流侧连接低压直流电网；

所述逆变器和所述整流器均包括四个含反并联二极管的全控型开关，四个含反并联二极管的全控型开关连接成全桥结构；LC串联谐振环节包括谐振电感和谐振电容，成串联形式连接。

所述全桥子模块包括两个半桥桥臂和一个第二电容，所述半桥桥臂由上下两个含反并联二极管的全控型开关串联组成，所述两个半桥桥臂的上管的集电极均与第二电容的正极相连，下管的发射极均与第二电容的负极连接，所述两个半桥桥臂的中点作为全桥子模块的直流输入端，所述第二电容的正负极作为全桥子模块的直流输出端。