倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种电力电子技术领域，特别是关于一种倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法及系统。


背景技术：

2.串联谐振变换器具有软开关、高效率、小体积等诸多优良特点，获得了研究人员的长期关注，并在直流电源以及新能源直流变压领域中得到了广泛应用。串联谐振变换器与多倍压整流电路相结合，构成的倍压式串联谐振变换器可作为直流变压器，用于新能源直流汇集。相比于传统的双有源桥式变换器，倍压式谐振变换器升压比高、可以实现全范围软开关、能减小损耗，有利于高频化和轻量化。这使得其应用场景易于扩展，适用于深远海或偏远内陆的新能源电能的直流汇集。
3.但是目前倍压式串联谐振变换器在新能源直流汇集应用中面临一个瓶颈问题，即稳态工作时，谐振变换器工作在谐振频率附近，故谐振网络阻抗接近于0，因此当发生短路故障后，短路电流短时间内将达到一个极大的峰值，且电路电流不可控，严重威胁变换器工作。对于深远海或偏远内陆的应用场景，维修不便且人工成本高昂，短路故障不但威胁变换器本身的安全，还会影响整个新能源输电系统的故障穿越能力。
4.此外，对于新能源直流汇集，各个汇集直流变压器常采用输入并联输出并联结构。当系统中某线路发生短路故障后，各变换器不能立即闭锁，反而要持续运行一段时间，以保证控保系统能够识别和定位故障发生位置。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法及系统，其提升了倍压式串联谐振变换器的运行安全性，还可以维持故障特性，用于故障定位。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法，其包括：获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与所述输出电流的第一差值，根据所述第一差值判定发生短路故障；发生短路故障时，通过所述第一差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整所述正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与所述短路电流平均值的第二差值，由所述第二差值获取变换器的工作频率，控制所述工作频率实现对短路电流平均值的调控；调控后的所述正负工作脉宽和所述工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
7.进一步，所述获取变换器的输出电流的方法包括：在谐振电容并联钳位二极管，所述钳位二极管的阴极与所述谐振电容的正极连接，所述钳位二极管的阳极与所述谐振电容的负极连接；正常工作时，电流经所述谐振电容后输出，作为所述输出电流；
短路时，所述谐振电容电压为零，短路电流流过所述钳位二极管后输出，作为所述输出电流。
8.进一步，所述根据所述第一差值判定发生短路故障，包括：所述第一差值为负值时，判定发生短路故障。
9.进一步，所述通过所述第一差值获取变压器输入电压的正负工作脉宽，包括：将所述第一差值经pi控制器后生成所述正负工作脉宽。
10.进一步，所述通过调整所述正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控，所述调控规律为：式中，i
p
为所述短路电流峰值，n
t
为变换器中变压器的升压比，u
l
为变压器低压侧直流电压，lr为谐振电感，t
p
为所述正负工作脉宽。
11.进一步，所述由所述第二差值获取变换器的工作频率，包括：所述第二差值经pi控制器后输出所述工作频率。
12.进一步，所述控制所述工作频率实现对短路电流平均值的调控中，通过调整零电平时间的大小调整所述工作频率的大小，所述调控规律为：式中，为所述短路电流平均值，fs为变换器开关频率，if是短路电流瞬时值，i
p
为所述短路电流峰值，td是所述零电平时间，t
p
为所述正负工作脉宽，t0为起始时间。
13.一种倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制系统，其包括：故障判定模块，获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与所述输出电流的第一差值，根据所述第一差值判定发生短路故障；第一调控模块，发生短路故障时，通过所述第一差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整所述正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；第二调控模块，检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与所述短路电流平均值的第二差值，由所述第二差值获取变换器的工作频率，控制所述工作频率实现对短路电流平均值的调控；输出模块，调控后的所述正负工作脉宽和所述工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
14.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
15.一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
16.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明借助二极管钳位谐振电容的方法实现倍压式串联谐振变换器的短路电流抑制，提升了倍压式串联谐振变换器的运行安全性，还可以维持故障特性，用于故障定位。
17.2、本发明当倍压式串联谐振变换器发生短路故障时，能够对短路电流实现抑制。当结合输入并联输出并联结构时，还具备准确的短路故障定位的能力。
附图说明
18.图1是本发明一实施例中倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法流程图；图2是本发明一实施例中的三倍压串联谐振变换器拓扑结构示意图；图3是本发明一实施例中控制方法的原理示意图；图4是本发明一实施例中短路电流抑制回路示意图；图5是本发明一实施例中短路电流示意图；图6是本发明一实施例中n倍压串联谐振变换器示意图；图7是本发明一实施例中任意n倍压串联谐振变换器短路电流路径示意图；图8a是本发明一实施例中采用四倍压串联谐振变换器时，变压器原边电流i
p
的限流效果仿真图；图8b是本发明一实施例中采用四倍压串联谐振变换器时，变换器工作频率为9khz，变压器输入电压正负工作脉宽t
p
为50us时的短路电流情况效果仿真图；图8c是本发明一实施例中采用四倍压串联谐振变换器时，变换器工作频率为9khz，变压器输入电压正负工作脉宽t
p
为45 us时的短路电流情况效果仿真图；图8d是本发明一实施例中采用四倍压串联谐振变换器时，变换器工作频率为9khz，变压器输入电压正负工作脉宽t
p
为40 us时的短路电流情况效果仿真图；图8e是本发明一实施例中采用四倍压串联谐振变换器时，变换器工作频率为7khz，变压器输入电压正负工作脉宽t
p
为50us时的短路电流情况效果仿真图。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.本发明提供的倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法及系统，其包括：获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与输出电流的第一差值，根据第一差值判定发生短路故障；发生短路故障时，通过差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值，由第二差值获取变换器的工作频率，控制工作频率实现对短路电流平均值的调控；调控后的正负工作脉宽和工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。本发明提升了倍压式串联谐振变换器的运行安
全性，还可以维持故障特性，用于故障定位。
22.在本发明的一个实施例中，提供一种倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制方法。本实施例中，如图1所示，该方法包括以下步骤：1）获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与输出电流的第一差值，根据第一差值判定发生短路故障；2）发生短路故障时，通过第一差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；3）检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值，由第二差值获取变换器的工作频率，控制工作频率实现对短路电流平均值的调控；4）调控后的正负工作脉宽和工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
23.上述步骤1）中，获取变换器的输出电流的方法为：在谐振电容并联钳位二极管，钳位二极管的阴极与谐振电容的正极连接，钳位二极管的阳极与谐振电容的负极连接。当正常工作时，电流经谐振电容后输出，作为输出电流；短路时，谐振电容电压为零，短路电流流过钳位二极管后输出，作为输出电流。
24.使用时，通过钳位二极管避免谐振电容参与谐振，增大阻抗，自动限制短路电流。
25.上述步骤1）中，根据第一差值判定发生短路故障，具体为：由于正常运行时输出电流低于短路电流阈值，故第一差值为负值时，判定发生短路故障。
26.其中，第一差值δi为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，io为输出电流，i
f_ref
为短路电流给定阈值。
27.上述步骤2）中，通过第一差值获取变压器输入电压的正负工作脉宽，具体为：将第一差值经pi控制器后生成正负工作脉宽。
28.通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控，调控规律为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，i
p
为短路电流峰值，n
t
为变换器中变压器的升压比，u
l
为变压器低压侧直流电压，lr为谐振电感，t
p
为正负工作脉宽。峰值调控完成后，t
p
为固定值。
29.上述步骤3）中，计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，为短路电流平均值给定阈值，为短路电流平均值。
30.由第二差值获取变换器的工作频率具体为：第二差值经pi控制器后输出工作频率fs。
31.上述步骤3）中，通过控制工作频率实现对短路电流平均值的调控中，通过调整零电平时间的大小调整工作频率的大小，调控规律为：
ꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，为短路电流平均值，fs为变换器开关频率，if是短路电流瞬时值，i
p
为短路电流峰值，td是零电平时间，t
p
为正负工作脉宽，t0为起始时间。
32.上述步骤4）中，具体为，将变压器输入电压的正负工作脉宽t
p
和变换器的工作频率fs送入pwm调制器，经过pwm调制，得到各igbt的驱动信号。
33.实施例：以多倍压串联谐振变换器为例，如图2所示，为三倍压串联谐振变换器拓扑结构。本实施例的具体实施步骤包括：1）给谐振电容c
r1
和c
r2
分别并联钳位二极管d
c1
和d
c2
，钳位二极管d
c1
阴极与谐振电容c
r1
正极连接，钳位二极管d
c1
阳极与谐振电容c
r1
负极连接，钳位二极管d
c2
阴极与谐振电容c
r2
正极连接，钳位二极管d
c2
阳极与谐振电容c
r2
负极连接。短路时，谐振电容电压降为0，短路电流流过钳位二极管，避免谐振电容参与谐振，增大阻抗，自动限制短路电流；2）在此基础上，检测变换器输出电流io，并计算短路电流给定阈值i
f_ref
和输出电流io的第一差值δi；3）如图3所示，短路电流峰值调控通过脉宽控制实现。将第一差值δi送入pi控制器，pi控制器生成变压器输入电压的正负工作脉宽t
p
；图4给出了短路电流路径，图5给出了短路电流示意图。通过调整变压器输入电压的正负工作脉宽t
p
，能够实现对短路电流幅值的调控。
34.峰值调控完成后，t
p
为固定值。此时短路电流平均值调控通过频率控制实现。检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值的给定阈值和短路电流平均值的第二差值。将差值送入pi控制器，pi控制器输出变换器的工作频率fs。
35.将变压器输入电压的正负工作脉宽t
p
和变换器的工作频率fs送入pwm调制器，经过pwm调制，得到各igbt的驱动信号。工作频率fs的调整实际是通过改变图5中所示的零电平时间td来实现，进而实现对短路电流平均值的调控。
36.图6给出了n倍压串联谐振变换器示意图，通过在谐振电容c
r1
和c
r2
上分别并联钳位二极管d
c1
和d
c2
，当任意n倍压串联谐振变换器短路时，钳位二极管都能与谐振电感和变压器构成图7所示的短路电流路径，避免谐振电容参与谐振，增大阻抗，自动限制短路电流，即对于倍压式串联谐振变换器本发明具有一般性。
37.图8a至图8e为采用四倍压串联谐振变换器的限流效果仿真图。如图8a和图8b所示，以变压器原边电流i
p
为例，短路电流峰值（2050a）被限制在约为稳态电流峰值（1250a）的1.6倍。图8b、图8c和图8d分别是变压器输入电压正负工作脉宽t
p
=50us、45 us和40us时的短路电流情况。即调整t
p
可以调控短路电流峰值大小。对比图8b和图8e可知，t
p
固定时短路电流峰值固定，调整零电平时间td的大小即可调整短路电流平均值大小。仿真结果证实了限制短路电流的能力，与公式（2）和公式（4）的分析一致。
38.在本发明的一个实施例中，提供一种倍压式串联谐振变换器的短路电流钳位抑制系统，其包括：
故障判定模块，获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与输出电流的第一差值，根据第一差值判定发生短路故障；第一调控模块，发生短路故障时，通过第一差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；第二调控模块，检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值，由第二差值获取变换器的工作频率，控制工作频率实现对短路电流平均值的调控；输出模块，调控后的正负工作脉宽和工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
39.本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
40.本发明一实施例中提供的计算设备结构示意图，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(communications interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现一种抑制方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、管理商网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与输出电流的第一差值，根据第一差值判定发生短路故障；发生短路故障时，通过差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值，由第二差值获取变换器的工作频率，控制工作频率实现对短路电流平均值的调控；调控后的正负工作脉宽和工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
41.此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
42.本领域技术人员可以理解，上述计算设备的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
43.在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括
存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与输出电流的第一差值，根据第一差值判定发生短路故障；发生短路故障时，通过差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值，由第二差值获取变换器的工作频率，控制工作频率实现对短路电流平均值的调控；调控后的正负工作脉宽和工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
44.在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：获取变换器的输出电流，计算短路电流给定阈值与输出电流的第一差值，根据第一差值判定发生短路故障；发生短路故障时，通过差值获取变换器中变压器输入电压的正负工作脉宽，通过调整正负工作脉宽进而对短路电流峰值进行调控；检测短路电流平均值，并计算短路电流平均值给定阈值与短路电流平均值的第二差值，由第二差值获取变换器的工作频率，控制工作频率实现对短路电流平均值的调控；调控后的正负工作脉宽和工作频率经pwm调制后，得到变换器内各igbt的驱动信号。
45.上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
46.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
47.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
48.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
49.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：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发明各实施例技术方案的精神和范围。