双开关电容串联式直流变压器拓扑结构及涌流抑制方法

技术领域

本申请涉及变压器技术领域，尤其涉及一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构及涌流抑制方法。

背景技术

随着电动汽车充换电站、大型数据中心等直流负荷的日益增长，以及光伏、风机等直流型可再生能源发电设备的高比例接入，当前配电网的源荷储直流特征愈发明显。相比于交流配电网，多端互联柔性直流配电方式具有能量传输效率高、线路损耗小、分布式电源大规模消纳和储能设备的接入、全网协调控制更简单灵活等特点，因此直流配电网被普遍认为是未来电力系统的重要发展方向。

直流变压器是多端柔性直流配电网与直流负荷、直流微电网的重要接口。现有实际工程中和学术研究中，比较成熟的是全桥+DAB模块或者半桥++DAB结构的直流变压器拓扑结构。半桥+DAB结构的直流变压器具有故障自清除能力、涌流抑制能力，但是半桥结构模块一般工作于开关模式，效率较低；全桥+DAB结构的直流变压器具有故障自清除能力、涌流抑制能力，但是全桥结构模块一般工作于开关模式，效率较低，此外全桥结构所含有的管子数量最多，成本最高。而仅含有DAB模块的直流变压器的拓扑结构不具有故障自清除能力和涌流抑制能力。

发明内容

本申请的目的在于提供一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构及涌流抑制方法，用于解决现有技术在具有故障自清除能力和涌流抑制能力的基础上，无法同时兼顾高效率和低成本的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构，包括：n个双开关电容串联式模块、n个DAB模块，n为正整数；所述双开关电容串联式模块与所述DAB模块的高压侧串联连接，构成第一单元；

其中，所述双开关电容串联式模块包括：第一IGBT开关、第二IGBT开关、第一电容；所述第一IGBT开关的发射极与所述第一电容的第一端相连，所述第二IGBT开关的集电极与所述第一电容的第二端相连；

每个所述第一单元的高压侧依次串联连接，每个所述第一单元的低压侧并联连接。

可选地，所述DAB模块由第一全桥模块、高频变压器、第二全桥模块串联构成。

可选地，所述第一全桥模块和所述第二全桥模块均由四个结构相同的IGBT开关构成。

可选地，所述每个所述第一单元的高压侧依次串联连接，具体包括：

所述双开关电容串联式模块的第二IGBT开关与相邻的所述双开关电容串联式模块的第一IGBT开关相连。

可选地，所述每个所述第一单元的低压侧并联连接，具体包括：

所述DAB模块的正极与相邻的所述DAB模块的正极相连，所述DAB模块的负极与相邻的所述DAB模块的负极相连。

可选地，还包括：第二电容；所述第二电容连接于所述DAB模块的低压侧正负极之间。

本申请第二方面还提供了一种双开关电容串联式直流变压器的涌流抑制方法，其特征在于，应用于上述第一方面所述的双开关电容串联式直流变压器拓扑结构，方法包括：

S1、对直流变压器高压侧连续进行监测，当所述直流变压器的高压侧发生过流故障时，对双开关电容串联式模块进行闭锁，并保持DAB模块为运行状态；

S2、判断在预设时间范围内是否再次发生过流故障，若是，执行步骤S3，否则执行步骤S4；

S3、对所述直流变压器进行停机处理；

S4、对所述双开关电容串联式模块进行重启。

可选地，所述预设时间范围内为2ms。

与现有技术相比，本申请实施例的优点在于：

本申请提供了一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构，包括：n个双开关电容串联式模块、n个DAB模块，n为正整数；双开关电容串联式模块与DAB模块的高压侧串联连接，构成第一单元；其中，双开关电容串联式模块包括：第一IGBT开关、第二IGBT开关、第一电容；第一IGBT开关的发射极与第一电容的第一端相连，第二IGBT开关的集电极与第一电容的第二端相连；每个第一单元的高压侧依次串联连接，每个第一单元的低压侧并联连接。

本申请的直流变压器拓扑结构，在正常模式下，双开关电容串联式模块的两个IGBT开关工作于常导通状态，电容可充放电，维持高压侧电压稳定。当柔性直流配电网直流侧发生双极短路时，双开关电容串联式模块的两个IGBT开关工作于闭锁状态，从而阻断电容对外放电，且外部电流不会涌入直流变压器的电容。由于正常工作时开关电容模块仅工作于充电状态，没有大电流流过，因为其工作效率非常高；本申请的直流变压器具有故障自清除能力、涌流抑制能力、高效率且结构简单经济成本低；从而解决了现有技术在具有故障自清除能力和涌流抑制能力的基础上，无法同时兼顾高效率和低成本的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器的涌流抑制方法；

图3为本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构闭锁状态模式示意图；

图4为本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构涌流潜在流通路径示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构，包括：

n个双开关电容串联式模块、n个DAB模块，n为正整数；双开关电容串联式模块与DAB模块的高压侧串联连接，构成第一单元。

如图1所示，左边虚线框图所示为双开关电容串联式模块，右边虚线框图所示为DAB模块，为方便描述，二者串联连接构成第一单元。本申请的直流变压器中由多个DAB模块和多个双开关电容串联式模块构成。

其中，双开关电容串联式模块包括：第一IGBT开关(T

每个第一单元的高压侧依次串联连接，每个第一单元的低压侧并联连接。

需要说明的是，如图1所示，每个第一单元的高压侧依次串联连接，具体为：双开关电容串联式模块的第二IGBT开关与相邻的双开关电容串联式模块的第一IGBT开关(T

每个第一单元的低压侧并联连接，具体为：DAB模块的正极与相邻的DAB模块的正极相连，DAB模块的负极与相邻的DAB模块的负极相连。

进一步地，在一个具体的实施方式中，DAB模块由第一全桥模块、高频变压器、第二全桥模块串联构成。

可以理解的是，本申请的直流变压器拓扑结构由高压侧串联、低压侧并联的多个第一单元组成。如图1所示一个第一单元由双开关电容串联式模块和DAB模块组成，双开关电容串联式模块由两个IGBT开关T

本申请的直流变压器拓扑结构，在正常模式下，双开关电容串联式模块的两个IGBT开关工作于常导通状态，电容可充放电，维持高压侧电压稳定。当柔性直流配电网直流侧发生双极短路时，双开关电容串联式模块的两个IGBT开关工作于闭锁状态，从而阻断电容对外放电，且外部电流不会涌入直流变压器的电容。该工作状态如图3所示。由于正常工作时开关电容模块仅工作于充电状态，没有大电流流过，因为其工作效率非常高。

以下是本申请的直流变压器拓扑结构与现有各种类型的直流变压器的拓扑结构的特点对比：

以上为本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器拓扑结构的实施例，以下为本申请实施例提供的一种双开关电容串联式直流变压器的涌流抑制方法的实施例。

需要说明的是，发明人针对交流扰动导致换流站闭锁，瞬间造成剩余各端口功率潮流的阶跃式大幅度波动而重新分配功率时，为便于分析，考虑单端换流站对直流变压器注入能量的涌流影响。如图4所示工程实际运行中基于全桥+DAB模块的直流变压器出现涌流的潜在路径。由图4可知，当换流站I单站闭锁时，换流II站的潮流在瞬间必须找到流通路径，而直流变压器的H桥结构为潮流的转移提供了回路，瞬间的潮流通过直流变压器的H桥反并联二极管形成回路，是直流变压器涌流的机理。

同时发明人通过研究发现，多端互联系统瞬间潮流重新分配导致的涌流现象，并不是一种直流系统故障工况。

因此，本实施例提出了基于本申请的直流变压器拓扑结构的一种双开关电容串联式直流变压器的涌流抑制方法(一种涌流暂时性闭锁抑制策略)。可以理解的是，直流变压器闭锁后过电流将被抑制并快速恢复正常值，此时不执行分断高低压侧断路器命令。由于过流保护门限为短路故障留有充足裕度，对于功率阶跃工况造成的暂时性过流故障，可在原保护基础上增加暂时性闭锁抑制策略，暂时性闭锁功能只闭锁双开关电容串联式模块，DAB模块始终处于运行状态。

请参阅图2，本申请实施例中提供的一种双开关电容串联式直流变压器的涌流抑制方法，包括：

步骤101、对直流变压器高压侧连续进行监测，当直流变压器的高压侧发生过流故障时，对双开关电容串联式模块进行闭锁，并保持DAB模块为运行状态。

步骤102、判断在预设时间范围内是否再次发生过流故障，若是，执行步骤103，否则执行步骤104。

步骤103、对直流变压器进行停机处理。

步骤104、对双开关电容串联式模块进行重启。

在具体应用中，当直流变压器高压侧发生过流故障时，控制器发送双开关电容串联式模块暂时性闭锁+DAB运行命令到模块控制板。此时，模块由正常运行状态转为双开关电容串联式模块闭锁+DAB运行状态。由于此过流过程时间较短，控制器执行暂时性闭锁控制逻辑，在2ms内再次检测系统是否有新增过流故障后，如果没有则执行闭锁后重启逻辑和重启命令，系统正常运行控制为低压侧电压模式。在暂时性闭锁恢复启动的过程中，如果再次发生±10kV侧过流，直流变压器按照停机处理，避免并网失败等因素导致直流变反复并网。

本实施例提供的一种双开关电容串联式模块暂时性闭锁+DAB不闭锁的抑制策略，通过DAB模块的电抗串入增强了涌流抑制能力，暂时性闭锁恢复提升系统设备的运行可靠性。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。