一种基于矩阵拓扑的HVDC供电系统及其选择性保护方法与流程

本发明涉及供电，具体涉及一种基于矩阵拓扑的hvdc供电系统及其选择性保护方法及系统。

背景技术：

1、在智算中心（aidc）领域，随着算力芯片功耗的持续攀升，单机柜功率已从传统的几十千瓦跃升至100kw甚至130kw以上，对供电系统的效率和可靠性提出了更高要求。在数据中心供电领域，hvdc（high-voltage direct current，高压直流）特指输出电压在240v及以上的直流供电系统，其作为替代传统交流ups的新一代供电方案，通过减少交直流转换环节显著提升了能效，已成为ai数据中心的主流选择。目前主流的hvdc电压等级包括240v/336v（国内数据中心广泛部署）以及±400v/800v（支撑ai大算力的第三代方案），其中，800v系统因其高效率和低铜耗优势，被视为未来的必然趋势。

2、在现有的hvdc供电系统中，多个ac/dc功率单元通常通过并联或串联方式统一连接至一条公共直流母线，再从母线分为若干支路，每个支路通过断路器或熔断器对负载进行独立保护。以华为技术有限公司的发明专利us10177561b2为例，该方案提供了一种用于hvdc供电系统的选择性保护电路，该方案代表了目前hvdc系统中单母线和支路保护的技术内容，因此，仍存在以下缺陷：

3、（一）直流系统的固有缺陷。直流系统的电流为平直恒定值，不像交流系统那样每半个周期自然过零。当断路器触点断开时，电弧持续拉长、不易熄灭，导致灭弧困难，对断口耐压和灭弧室的要求远高于交流开关。这给直流系统的故障保护带来了天然的技术障碍。

4、（二）保护器件存在性能瓶颈或成本过高的问题。目前主要有以下几种实现方式：

5、直流断路器方案：触头断开时间通常为30~40

ms，需要上级电源具备更强的断路电流耐受能力，导致电源部分成本急剧增加。

6、快速熔断器方案：切断速度可小于10

ms，但熔断器为一次性消耗品，需在断电状态下更换，且无法实现远程控制及自复位。

7、固态断路器方案：采用igbt等元件可将响应时间缩短至微秒级，有效避免弧闪，但导通电阻大、需风扇散热、体积大、无可靠的机械断路隔离、成本居高不下。

8、固态断路器、并联开关、串行开关组合方案：虽可解决导通电阻和电气隔离问题，但体积大、成本高、结构复杂、可靠性差。

9、（三）在串联拓扑下故障处理困难。如图1所示的串联连接方式中，多个sst功率单元串联后接入中压交流侧，如10kv。当其中一个功率单元发生故障时，需要通过隔离开关将该故障单元旁路短路。此时，由于串联数量减少，剩余每个单元需承受更高的电压，例如10个单元串联时各分担1kv，1个单元被短路后剩余9个单元需各分担约1.111kv，单元长期在超压状态下运行，加速器件老化。如需更换故障单元，必须将整个系统全部断电后才能操作，严重影响供电连续性。

10、（四）保护逻辑存在缺陷。现有方案的保护逻辑是下游检测、下游切断，即由故障所在分支回路内的断路器或熔断器来断开与电源的连接。然而，当短路故障发生时，故障电流会以接近光速的物理速度向整个回路传导，在几毫秒内即可上升到可能损坏电源和设备的峰值。常规直流断路器分闸时间通常在十几至几十毫秒之间，无法在电流达到破坏性水平之前将其切断，故障电流往往需要由上级电源部分的保护元件动作来切断，导致停电范围扩大。

11、即使采用固态断路器将分断时间缩短至5~50微秒，每个分支回路均配置固态断路器的成本极高，且其发热和散热问题进一步降低了系统可靠性。

12、（五）单母线架构导致故障影响范围大。在传统的单主母线架构下，所有功率单元并联至一条公共母线。当某一支路发生故障时，若该支路保护器件未能及时动作，故障电流将直接影响整条母线电压，导致连接在同一母线上的其他负载支路也遭受电压跌落甚至停电，故障隔离粒度粗，无法实现精准的网格化隔离。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于矩阵拓扑的hvdc供电系统及其选择性保护方法。

2、技术方案：根据本发明的第一方面，提供基于矩阵拓扑的hvdc供电系统，该系统包括：

3、m个功率单元，其用于将外部中压交流母线提供的中压交流电转换为直流电，m个功率单元的输入端并联连接至外部中压交流母线上；

4、n条直流子母线，每条所述直流母线的一端与对应的负载电气连接；

5、m个单刀多掷开关，每个所述单刀多掷开关包括一个动触头和n个负载静触头，所述功率单元的输出端与所述动触头连接，所述直流母线的另一端分别连接至每个所述单刀多掷开关的n组负载静触头上，使得m个功率单元中任意一个功率单元均通过其对应的单刀多掷开关，选择性地连接至n路负载中的任意一路，从而构成m×n的矩阵拓扑结构，其中，；

6、控制器，与各所述单刀多掷开关的控制端连接，用于控制各所述单刀多掷开关的动触头选择性地与对应的一组负载静触头闭合，以建立或断开相应功率单元与负载之间的供电路径。

7、进一步的，包括：

8、所述单刀多掷开关还包括设置于开关底座上的预充静触头、放电静触头和接地静触头；

9、各条所述直流子母线的正极端分别串联预充电阻后，共同连接至所述预充静触头，当所述动触头旋转至预充位置时，所述功率单元的直流输出端经由所述动触头、所述预充静触头及各所述预充电阻，分别与各条所述分布式直流子母线形成并联的预充电回路；

10、各条所述直流子母线的正极端分别串联放电电阻后，共同连接至所述放电静触头；当所述动触头旋转至放电位置时，各条所述直流子母线分别经由对应的放电电阻、所述放电静触头及所述动触头，与所述功率单元的直流输出端形成并联的放电回路；

11、各条所述直流子母线的正极端共同连接至所述接地静触头，所述接地静触头连接至保护地；当所述动触头旋转至接地位置时，所述功率单元的直流输出端经由所述动触头和所述接地静触头接地。

12、进一步的，包括：

13、各条所述直流子母线的正极端还分别连接至位于开关的接通位置内的n个独立的负载静触头，用于在所述动触头旋转至接通位置时形成对应负载的主供电回路。

14、进一步的，包括：

15、所述功率单元的数量m大于或等于直流子母线数n。

16、第二方面，本发明还提供一种基于矩阵拓扑的hvdc供电系统实现的选择性保护方法，该方法包括以下步骤：

17、 s1：实时检测各功率单元的输出电流；

18、s2：当检测到目标功率单元的输出电流超过预设阈值时，控制所述目标功率单元内部的电力电子开关器件执行关断动作，以在微秒级时间内切断故障电流；

19、s3：待所述故障电流归零后，控制与所述目标功率单元对应的单刀多掷开关的动触头从接通位置切换至放电位置或接地位置，使所述目标功率单元与负载之间形成物理隔离断口。

20、进一步的，该方法还包括：步骤s3中，所述动触头切换至放电位置后，各条直流子母线分别经由对应的放电电阻、放电静触头及所述动触头形成放电回路，以泄放所述目标功率单元及对应直流子母线中的残余电荷。

21、进一步的，包括：

22、在步骤s3之后，还包括：

23、s4：当判定需由另一功率单元接替已关断的所述目标功率单元向负载供电时，控制另一功率单元对应的单刀多掷开关的动触头依序执行以下操作：

24、先切换至预充位置，经由预充电阻对对应的直流子母线进行缓冲充电，待电压匹配后切换至接通位置，并切换至与该目标负载电气连接的负载静触头位置，从而完成供电路径的动态接替。

25、进一步的，包括：

26、所述步骤s4之后，还包括：

27、s5：当任意一路负载的功率需求超过单个功率单元的额定输出功率时，控制两个或两个以上的功率单元对应的单刀多掷开关的动触头，同时切换至接通位置，并锁定至与该路负载电气连接的同一负载静触头，从而实现多个功率单元并联向该路负载供电。

28、进一步的，包括：

29、所述步骤s5中，在控制两个或两个以上的功率单元对应的单刀多掷开关的动触头，同时切换至接通位置之前，还包括：

30、控制各所述动触头先切换至预充位置，经由预充电阻对同一条分布式直流子母线进行缓冲充电；

31、检测各所述动触头所在回路的电压，待电压与所述分布式直流子母线的电压匹配后，再控制各动触头同时切换至接通位置，并锁定至与所述分布式直流子母线电气连接的同一组负载静触头。

32、进一步的，该方法还包括：

33、s6：当所述目标负载的功率需求下降至单个功率单元的额定输出功率以下时，控制并联的功率单元中至少一个功率单元对应的单刀多掷开关的动触头退出所述同一组负载静触头，并切换至与其他负载电气连接的负载静触头或切换至放电位置，实现并联供电向独立供电的转换。

34、第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如第二方面所述方法的步骤。

35、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行第二方面所述方法的步骤。

36、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

37、本发明通过将功率单元的输出端拆分为多个分支，每个分支均设有独立的切换开关，负载侧对应设置多条独立的分布式直流子母线，使功率单元与负载之间形成m×n的矩阵拓扑结构；利用单刀多掷开关实现功率单元向任意一路负载的灵活投切，即任一功率单元均可通过其对应的单刀多掷开关选择性地连接至任一负载，从而可根据负载需求实现功率单元与负载之间对应关系的动态重组，达到路径最优、负载均衡的效果，并可实现多个功率单元并联向同一负载供电以满足高功率需求，或在某一功率单元故障时由其他健康单元自动接替。

38、同时，本发明改变了传统的下游保护逻辑，当某一分支回路发生故障时，直接由对应的功率单元内部的电力电子元件在微秒级切断故障电流，待电流归零后，再通过开关切换至放电位置或接地位置实现物理隔离，这种先电子切断、再机械隔离的两级协同保护机制，既实现了微秒级的故障响应速度，又避免了下游支路配置昂贵固态断路器的需要。

39、相比于现有技术，本发明将保护责任从下游分散的支路保护器件上移至上游功率单元自身的电子开关，在系统架构层面从根本上解决了直流系统保护速度与选择性之间的矛盾，实现了故障区域的精准隔离和最小化，显著提升了hvdc供电系统的可靠性，同时降低了下游保护器件的成本和系统复杂度，尤其适用于智算中心等对供电连续性和功率密度要求极高的场景。

40、综上所述，本发明通过分布式直流子母线、矩阵拓扑、单刀多掷开关、功率单元自切断的技术组合，在hvdc供电系统的保护速度、隔离精度、成本控制、运维便利性和场景适应性等方面均带来了实质性的技术提升，且本技术的各层次效果之间并非简单叠加，矩阵拓扑为精准隔离提供了物理基础，功率单元自切断为快速保护提供了执行手段，单刀多掷开关为动态重组和在线维护提供了实现路径，三者协同，共同构成了一个兼具速度、精度、经济性和灵活性的完整技术方案。