含DAB型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路的制作方法

含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路
技术领域
1.本发明涉及电网配电的技术领域，尤其是涉及一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路。


背景技术：

2.近年来，随着能源互联网建设的加快推进及电力电子技术的快速发展，柔性直流配电网逐渐成为国内外学者研究重点。相较传统交流配电网，柔性直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无功偿，以及适于各类电源和负载接入等优点，可以有效地提高供电容量与电能质量，快速独立地控制有功、无功功率，降低电能损耗和运行成本，协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益。
3.直流电力电子变压器是直流配电网的核心设备，能够实现中高压直流配网和低压直流微网的电压变换、能量交换和电气隔离等。隔离型双有源桥(dual active bridge,dab)直流变换器具有电气隔离、动态响应快、功率密度高等优点，是构建直流变压器的首选电路之一。
4.直流系统故障类型主要分为极间短路故障、单极接地故障和断线故障，其中直流极间短路故障是危害最为严重的故障类型，对直流配电系统具有严重危害。由于dab高低压侧均存在集中电容，当发生外部故障时，电容迅速放电，电容电压大幅下跌，故障清除后，电容须重新充电才能完成重启，目前国内外大多研究通常采用故障后闭锁dab内部电力电子模块，故障恢复后重新启动的方法，故障期间低压侧电压跌落较大，故障恢复时间较长。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路，以缓解现有技术中故障期间低压侧电压跌落较大，故障恢复时间较长的技术问题。
6.本发明提供了一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路，包括：dab中压侧电流阻断装置、第二三极管组、第三三极管组以及变压器；
7.所述dab中压侧电流阻断装置包括第一三极管组、所述第一三极管组包括n个串联而成的三极管、电感lc、电容rc，第一三极管组两端反并联二极管；
8.所述第一三极管组、电感lc以及电容rc串联；
9.所述第二三极管组包括第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管 q3以及第四三极管q4；
10.所述第三三极管组包括第五三极管q5、第六三极管q6、第七三极管 q7以及第八三极管q8；
11.所述第一三极管q1的集电极以及第二三极管q2的射极相连；
12.所述第三三极管q3的集电极以及第四三极管q4的射极相连；
13.所述模块电容ch并联于所述第一三极管q1、所述第二三极管q2的两端；
14.所述变压器过高压侧分别与第二三极管q2的集电极以及第四三极管 q4的集电极相连；
15.所述变压器过高压侧分别与第六三极管q6的集电极以及第八三极管 q8的集电极相连。
16.优选的，还包括电容补偿支路投入支路；
17.所述电容补偿支路投入支路包括三极管qs以及电容cs；
18.所述三极管qs的射极与所述电容cs相连；
19.所述三极管qs的集电极与所述第一三极管q1的集电极相连；
20.所述电容cs与所述第一三极管q1的集电极相连；
21.所述三极管qs的射极与集电极两端反并联有二极管。
22.本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供了一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路，包括：dab中压侧电流阻断装置、第二三极管组、第三三极管组以及变压器；dab中压侧电流阻断装置包括第一三极管组、第一三极管组包括n个串联而成的三极管、电感lc、电容 rc；第一三极管组、电感lc以及电容rc串联，第一三极管组两端反并联二极管；第二三极管组包括第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3以及第四三极管q4；第三三极管组包括第五三极管q5、第六三极管q6、第七三极管q7以及第八三极管q8；第一三极管q1的集电极以及第二三极管 q2的射极相连；第三三极管q3的集电极以及第四三极管q4的射极相连；模块电容ch并联于第一三极管q1、第二三极管q2的两端；变压器过高压侧分别与第二三极管q2的集电极以及第四三极管q4的集电极相连；变压器过高压侧分别与第六三极管q6的集电极以及第八三极管q8的集电极相连。通过本发明提供的电路能够在故障后迅速识别并切断故障电流通路，且故障期间dab内部电力电子模块无需闭锁，同时依靠中压侧模块电容剩余电量以及补偿支路电容电量向负荷进行短期供电，减少低压侧电压跌落，最大程度上降低故障对于负荷的影响；同时，由于故障后迅速切断电容短路放电回路，使得电容电量损失较小，故障清除后能够快速充电至正常运行状态，故障恢复特性较好。因此本发明对维持直流配电网稳定运行、提高负荷供电可靠性具有重要意义。
23.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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。
26.图1为本现有技术提供的含dab型直流变压器的直流中低压配电系统；
27.图2为本发明实施例提供的dab中压侧电流阻断装置电路图；
28.图3为本发明实施例提供的一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电
路图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
30.目前，直流极间短路故障是危害最为严重的故障类型，对直流配电系统具有严重危害。由于dab高低压侧均存在集中电容，当发生外部故障时，电容迅速放电，电容电压大幅下跌，故障清除后，电容须重新充电才能完成重启，目前国内外大多研究通常采用故障后闭锁dab内部电力电子模块，故障恢复后重新启动的方法，故障期间低压侧电压跌落较大，故障恢复时间较长，基于此，本发明实施例提供的一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路，可以针对含dab型直流变压器的直流中低压配电系统中压侧极间短路故障，可在故障发生后迅速检测识别故障类型并切断电容放电电流，减小电容电压跌落，同时，故障期间dab无需闭锁，由中压侧模块电容以及补偿支路电容持续向低压侧供能，大大减小了低压负荷侧电压跌落，提高了故障恢复速度，方法简单，实用性强，能有效减小直流配电网中压侧极间短路故障对低压侧负荷的影响，对维持直流配电网稳定运行、提高负荷供电可靠性具有重要意义。
31.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种含 dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路进行详细介绍。
32.实施例一：
33.本发明实施例一提供了一种含dab型直流变压器直流配电网短路故障穿越电路，包括：dab中压侧电流阻断装置、第二三极管组、第三三极管组以及变压器；
34.所述dab中压侧电流阻断装置包括第一三极管组、所述第一三极管组包括n个串联而成的三极管、电感lc、电容rc；
35.所述第一三极管组、电感lc以及电容rc串联，第一三极管组两端反并联二极管；
36.所述第二三极管组包括第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管 q3以及第四三极管q4；
37.所述第三三极管组包括第五三极管q5、第六三极管q6、第七三极管 q7以及第八三极管q8；
38.所述第一三极管q1的集电极以及第二三极管q2的射极相连；
39.所述第三三极管q3的集电极以及第四三极管q4的射极相连；
40.所述模块电容ch并联于所述第一三极管q1、所述第二三极管q2的两端；
41.所述变压器过高压侧分别与第二三极管q2的集电极以及第四三极管 q4的集电极相连；
42.所述变压器过高压侧分别与第六三极管q6的集电极以及第八三极管 q8的集电极相连。
43.优选的，还包括电容补偿支路投入支路；
44.所述电容补偿支路投入支路包括三极管qs以及电容cs；
45.所述三极管qs的射极与所述电容cs相连；
46.所述三极管qs的集电极与所述第一三极管q1的集电极相连；
47.所述电容cs与所述第一三极管q1的集电极相连；
48.所述三极管qs的射极与集电极两端反并联有二极管。
49.实施例二：
50.本发明实施例二对实施例一的工作状态进行了阐述：
51.如图1所示，当前述模块电容ch进行放电时，满足如下方程；
52.当电容电压为正值时，h桥内的反并联二极管两端加负电压，正向无法导通，此时模块电容、回路电感以及过渡电阻构成rlc串联谐振电路，电容中的能量将被电感所吸收，该阶段回路有：
[0053][0054]
式中，ls为回路电感，rf为过渡电阻。
[0055]
通常，实际系统中，因此电容短路放电过程是一个已知电路初始条件的二阶欠阻尼振荡衰减过程，电容电压和回路电流初始条件可以表示为：
[0056][0057]
因此电容电压以及回路电流可以表示为：
[0058][0059]
其中：
[0060][0061]
由上式可知，电容电压过零点时间，即第一阶段rlc谐振结束时间为：
[0062][0063]
可见，电容放电只经历了较短时间，随后，电容电压过零，二极管导通续流。
[0064]
当模块电容放电完毕，进而电感续流阶段：
[0065]
对电感续流阶段，故障电流可以表示为：
[0066]idc
(t)＝i
dc_1
e-t/τ
；
[0067]
式中，τ＝ls/rf+r
vd
，r
vd
是二极管正向导通电阻，i
dc_1
为t1时刻回路电流。
[0068]
在本发明的实施例中，需要对dab中压输入侧直流电压不平衡保护并判断，其判据为：
[0069][0070]
式中：u
dc
为直流线路极间电压；u
set
为直流电压不平衡保护动作的门槛值；直流线路极间额定电压u
dcbase
＝20kv。考虑保护的可靠性等因素，取动作门槛值为0.5倍的直流极间额定电压。中压侧极间短路故障发生后，中压侧极间电压迅速跌落至0，故障清除后，电压能够重新恢复。而单极接地短路故障后，极间电压不会发生变化，因此该保护只反映直流线路的对称故障，正常运行及不对称故障时，保护不会动作。
[0071]
如图2所示，dab中压侧电流阻断装置中三极管组采用绝缘栅双极型晶体管(igbt)与二极管反并联结构，并在igbt支路设置限流电感和限流电阻，考虑到单个igbt的耐压能力，可使用多个igbt串联均压的形式。正常运行时，始终保持导通状态，当电压不平衡保护识别到中压侧极间短路故障后，将迅速给施加关断信号，中压侧故障清除后，当极间电压高于保护动作门槛值时，再次导通；
[0072]
在igbt支路设置限流电感和限流电阻，能够有效降低闭锁前电容放电速率与峰值，从而给阻断装置的投入留有一定时间裕度。另一方面，由于系统启动初期，电容充放电电流的影响，阻断模块内部容易形成电感续流环流，因此加入限流电阻能够加速续流的衰减，减小续电流对电路的影响。
[0073]
在本发明提供的实施例中，dab中压侧电流阻断装置闭合，以使模块电容ch放电后，电容补偿支路投入工作，与中压侧模块电容共同向低压侧负荷供电，减小负荷电压下降幅度，维持负荷供电稳定性，故障恢复后补偿支路自动断开。
[0074]
由此可知，中压侧极间短路故障期间，dab不闭锁，利用中压侧模块电容以及补偿电容进行持续供能，忽略能量在dab内部电力电子模块以及线路上的损耗，对于故障持续期间有：
[0075][0076]
其中，wc和δw
load
分别表示中压侧电容所储存的能量以及故障期间低压侧负荷所耗电能。假设中压侧极间故障共持续0.4s，负荷在故障期间始终维持在额定功率56kw。代入数值可计算得到故障期间低压侧负荷所耗电能约为：λw
load
＝2.24
×
104j，而中压侧模块电容所储存的能量约为：wc＝2.4
×
106j，可见，电容所储存的能量远大于故障失电期间低压侧负荷用电所需能量，能够维持故障期间负荷用电的能量供应。
[0077]
本发明针对含dab型直流变压器的直流中低压配电系统中压侧极间短路故障，创新性地采用故障电流快速识别阻断以及补偿支路投运的故障穿越方式，可在故障发生后迅速检测识别故障类型并切断电容放电电流，减小电容电压跌落，同时，故障期间dab无需闭锁，由中压侧模块电容以及补偿支路电容持续向低压侧供能，大大减小了低压负荷侧电压跌落，提高了故障恢复速度，方法简单，实用性强，能有效减小直流配电网中压侧极间短路故障对低压侧负荷的影响，对维持直流配电网稳定运行、提高负荷供电可靠性具有重要意义。
[0078]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
[0079]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0080]
另外，在本发明实施例的描述中，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发明中的具体含义。
[0081]
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。
[0082]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。