一种DAB及其双极短路故障限流方法与流程

一种dab及其双极短路故障限流方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统自动化继电保护技术领域，特别是涉及一种dab及针对dab低压直流侧发生双极短路时的故障限流方法。


背景技术：

2.当今的学术界和工业界越来越关注可再生能源和分布式发电等清洁能源的发展，其不仅仅是未来能源发展转型的重要基石，更是未来具有智能电网管理能力的能源互联网的重要组成部分。而在能源互联网的组成架构中，支持储能、光伏、直流负荷和分布式发电等设备的即插即用，对电能进行合理高效的管理调度以及故障穿越的电力电子接口技术是实现能源互联网的关键技术。具备以上能量管理调度的设备被称为能量路由器。能量路由器的核心设备是具备“电气隔离、控制自由度高、故障隔离”等优点的电力电子变压器，其中双有源桥直流变换器(dual-active-bridge,dab)具有模块化程度高、零电压开关能力、功率双向传输能力以及简单的移相控制等优点，在其被提出之时就得到了广泛的关注，是目前最适用于电力电子变压器的核心设备。
3.近年来，国内外有关dab的研究主要集中在dab的建模、控制策略改进、零电压技术和故障穿越技术上。目前针对含dab的低压直流配电网在双极短路故障发生后的故障限流技术研究，绝大部分采用闭锁dab及其相连换流站或是初步限制故障电流再配合断路器动作切除故障电流。这样的方法会导致非故障线路停运，给故障后的电网恢复带来很大困难。
4.因此，本领域亟需一种在不闭锁dab本体igbt元件的前提下，迅速、经济、可靠的完成故障穿越的技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种dab及及其双极短路故障限流方法，通过在dab高频变压器副边电容支路串联igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)元件并在故障后关断，结合原边桥igbt的开关频率和移相比，实现在不闭锁dab本体igbt元件的前提下，迅速、经济、可靠的完成故障穿越的技术方案。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种dab电路，包括高频变压器；
8.所述高频变压器连接两个全桥子模块；所述两个全桥子模块包括：原边桥和副边桥；
9.所述高频变压器原边配有电感，所述高频变压器副边配有限流电感；所述限流电感两端并联有igbt元件；
10.所述高频变压器的原边桥和副边桥均由四个igbt反并联二极管构成，原边和副边均配有电容以支撑电压和滤波，副边电容支路串联igbt元件。
11.在一些实施例中，
12.所述副边电容串联的igbt元件包括反向并联的两个igbt开关管；
13.所述两个igbt开关管反向并联后与所述副边电容串联。
14.本发明还提供了一种针对dab双极短路的故障限流方法，所述方法包括：
15.获取dab低压直流侧出口的稳态电流；
16.监测所述低压直流侧出口的实时电流值，当所述实时电流值达到所述稳态电流的预设倍数时，启动限流模式；
17.关断副边电容支路串联的igbt元件；
18.将dab高频变压器副边的限流电感接入；
19.提高原边桥igbt的开关频率，将原边桥igbt的移相比设置为固定值。
20.在一些实施例中，所述稳态电流为正常运行情况下的dab低压直流侧出口电流。
21.在一些实施例中，所述监测所述dab低压直流侧出口的实时电流值，当所述实时电流值达到所述稳态电流的预设倍数时，启动限流模式，具体包括：
22.监测所述dab低压直流侧出口的实时电流值，当所述实时电流值达到所述稳态电流的1.85倍时，启动限流模式。
23.在一些实施例中，所述将dab高频变压器副边的限流电感接入，具体包括：
24.关断高频变压器副边限流电感两端的igbt元件。
25.在一些实施例中，所述提高原边桥igbt的开关频率，具体包括：
26.将原边桥igbt开关频率调整为20khz。
27.在一些实施例中，所述将原边桥igbt设置为固定移相比，具体包括：
28.将所述原边桥igbt内移相比设置为0.8。
29.在一些实施例中，设置内移相比为d后，低压直流侧出口的故障电流的峰值能够变为原来的(1-d)倍。
30.在一些实施例中，在所述提高原边桥igbt的开关频率，将原边桥igbt的移相比设置为固定值之后，还包括：
31.控制保护元件正常动作清除故障；
32.将所述dab的运行模式切换为正常工作模式。
33.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
34.当含有dab的直流配电网在发生双极短路故障之后，不必闭锁dab本体电力电子器件，可为保护装置提供稳定的故障信息，有助于保护的可靠动作。本发明原理简单，并且对dab拓扑的改进未使得dab模块的体积显著增大；利用dab本身的拓扑结构和控制策略即可控制故障电流的大小，经济型好；适用于含有dab的直流配电网络，如中压交流源，储能装置，光伏等经dab接入直流配网的场景。因此，该方法能够显著地提高低压直流配电网络对双极短路故障的承受能力。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本发明的主旨。
36.图1为本发明实施例提供的dab电路示意图。
37.图2为本发明实施例提供的针对dab双极短路的故障限流方法流程图。
38.图3为本发明实施例提供的dab限流模式开启时故障电流回路示意图。
39.图4为本发明实施例提供的内移相比为0.8时，开关管s1和s3的导通关断示意图。
40.图5为本发明实施例提供的故障发生后未启动故障限流模式的dab低压直流侧出口电流示意图。
41.图6为本发明实施例提供的故障发生后启动故障限流模式的dab低压直流侧出口电流示意图。
42.图7为本发明实施例提供的故障发生后启动故障限流模式的dab低压直流侧出口电流的放大示意图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。
44.如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
45.本发明中使用了流程图用来说明根据本发明的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
46.国内外研究现状表明，目前针对含dab的低压直流配电网在双极短路故障发生后的故障限流技术研究，绝大部分采用闭锁dab及其相连换流站或是初步限制故障电流再配合断路器动作切除故障电流。这样的方法会导致非故障线路停运，给故障后的电网恢复带来很大困难。
47.因此，亟需发明针对含有dab的低压直流配电网发生双极短路故障之后的故障限流方法，充分利用dab的拓扑特点和控制方式，在不闭锁dab本体igbt元件的前提下，迅速、经济、可靠的完成故障穿越。同时，此发明能够在不显著增加dab体积的前提下，对故障电流实现快速且稳定的控制，能够适用于中压交流源、储能装置、光伏等通过dab接入电网的场景。
48.本发明给出一种针对dab低压直流侧发生双极短路故障后的限流方法，该方法利用dab的拓扑结构和控制方式，通过在双有源桥高频变压器副边增加限流电感，在副边电容支路增加igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)元件阻塞电容放电，同时配合原边桥合理的移相比和开关频率，可以将dab的出口电流控制在稳态电流的2倍以下，实现含dab的直流配电网在发生双极短路故障之后，不必闭锁dab本体电力电子器件，可为保护装置提供稳定的故障信息，有助于保护的可靠动作。该方法原理简单，并且
对dab拓扑的改进未使得dab模块的体积显著增大；利用dab本身的拓扑结构和控制策略即可控制故障电流的大小，经济型好；适用于含有dab的直流配电网络，如中压交流源，储能装置，光伏等经dab接入直流配网的场景。因此，该方法能够显著地提高低压直流配电网络对双极短路故障的承受能力。
49.本发明的目的是提供一种dab及及其双极短路故障限流方法，通过在dab高频变压器副边电容支路串联igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)元件并在故障后关断，结合原边桥igbt的开关频率和移相比，实现在不闭锁dab本体igbt元件的前提下，迅速、经济、可靠的完成故障穿越的技术方案。
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.实施例一：
52.如图1所示，本发明提供了一种dab电路，该电路包括高频变压器；
53.所述高频变压器连接两个全桥子模块；所述两个全桥子模块包括：原边桥和副边桥；
54.所述高频变压器原边配有电感l
t1
，所述高频变压器副边配有限流电感l
t2
；所述限流电感l
t2
两端并联有igbt元件；
55.所述高频变压器的原边桥和副边桥均由四个igbt反并联二极管构成，原边和副边均配有电容以支撑电压和滤波，副边电容支路串联igbt元件。
56.其中，所述副边电容串联的igbt元件包括反向并联的两个igbt开关管；
57.所述两个igbt开关管反向并联后与所述副边电容串联。
58.正常工作时，副边电容支路串联的igbt元件始终处于导通状态。在故障后dab低压直流侧出口电流达到1.85倍稳态电流时启动限流模式，关断副边电容支路的igbt元件，以阻断电容放电；关断高频变压器副边限流电感l
t2
两端并联的igbt元件来接入副边限流电感l
t2
。同时调整dab原边桥的移相比和开关频率，在短时间内将低压直流侧出口电流限制在2倍稳态电流以下，防止与dab低压直流侧并联的各换流器闭锁。
59.故障后在dab高频变压器副边接入了限流电感，对于降压变压器，同样数值的电感接入副边的限流效果要优于接入原边，故障后在dab副边电容支路串联接入了igbt元件，可以在故障后关断以阻塞电容放电，对于故障限流和故障清除后电压的恢复有显著作用，故障后给定了dab原边桥移相比，给定原边桥移相比将很大程度上降低故障电流，进而实现dab副边低压直流侧出口电流的控制。
60.实施例二：
61.如图2所示，本发明实施例提供了一种针对dab双极短路的故障限流方法，该方法利用dab的拓扑结构和控制方式，通过在双有源桥高频变压器副边增加限流电感，在副边电容支路增加igbt元件阻塞电容放电，同时配合原边桥合理的移相比和开关频率，可以将dab的出口电流控制在稳态电流的2倍以下，从而保证了dab在低压直流侧发生双极短路故障之后，dab本体igbt元件不会闭锁。实现含dab的直流配电网在发生双极短路故障之后，不必闭锁dab本体电力电子器件，可为保护装置提供稳定的故障信息，有助于保护的可靠动作。
62.该故障限流方法包括：
63.s1、获取dab低压直流侧出口的稳态电流1pu；
64.所述稳态电流为正常运行情况下的dab低压直流侧出口电流。
65.s2、请参阅图2，监测所述低压直流侧出口的实时电流值i2，当所述实时电流值达到所述稳态电流1pu的预设倍数时，启动限流模式；
66.本实施例中预设倍数设置为1.85，即当所述实时电流值i2达到所述稳态电流1pu的1.85倍时，启动限流模式。
67.s3、关断副边电容支路串联的igbt元件，即图1所示的开关管q3和q4，阻塞副边电容c2的不可控放电，减小故障电流；
68.s4、将dab高频变压器副边的限流电感l
t2
接入，即关断高频变压器副边限流电感l
t2
两端的igbt元件(如图1所示的开关管q1和q2)。
69.s5、提高原边桥igbt的开关频率，将原边桥igbt的移相比设置为固定值。
70.通过控制器提高原边桥igbt(图1中s1-s4)的开关频率，同时给定原边桥igbt移相比，即图1中s1与s3的导通时间相差一定数值，s1与s4互补导通，s2与s3互补导通。防止原边桥短路。s1和s3的导通时间相差越大，原边桥的导通时间越短，等效为同一周期内占空比下降，对故障电流也会产生限制作用。以原边桥igbt内移相比为0.8，原边桥igbt开关频率为5khz为例，原边桥igbt的信号导通示意图如图4所示。
71.5khz对应的周期为200μs，内移相比为0.8，s3滞后于s1开关80μs导通，此时电流没有通路，等效于原边桥闭锁。在一个周期200μs内，将有160μs故障电流无通路，因此设置内移相比为d后，故障电流峰值可变为原来的(1-d)倍。
72.在阻断副边电容c2放电，接入限流电感l
t2
，同时改变原边桥igbts1-s4的内移相比和开关频率后，可以将dab低压直流侧出口电流i2限制在2倍稳态电流以下，因此dab本体igbt元件不会闭锁。
73.之后，控制保护元件正常动作清除故障；成功隔离故障线路后，可将dab的运行模式切换至正常工作模式，整个系统恢复正常运行。
74.作为一个具体的实施例：
75.图1所示的dab电路在正常工作模式时，副边电容支路的igbt元件q3和q4处于导通状态，副边电容c2可以正常充放电，dab高频变压器副边电感串联的限流电感lt2尚未接入，其并联的igbt元件q1和q2处于导通状态，原边桥igbts1-s4的开关频率为5khz，原边桥移相比为0。在故障发生后，dab低压直流侧出口电流i2很快上升至稳态电流的1.85倍，限流模式启动。此时关断副边电容支路的igbt元件q3和q4阻塞电容放电；关断高频变压器副边电感两端的igbt元件q1和q2,同时将原边桥igbts1-s4的开关频率调整为20khz，给定原边移相比为0.8。
76.对比图5，从图6和图7中可知，故障电流达到1.85倍稳态电流时，限流模式启动，在短时间内即可将dab低压直流侧出口电流控制在2倍额定电流以下。实现了含dab的直流配电网在发生双极短路故障之后，不必闭锁dab本体电力电子器件，可为保护装置提供稳定的故障信息，有助于保护的可靠动作。该方法原理简单，并且对dab拓扑的改进未使得dab模块的体积显著增大；利用dab本身的拓扑结构和控制策略即可控制故障电流的大小，经济型好；适用于含有dab的直流配电网络，如中压交流源，储能装置，光伏等经dab接入直流配网的场景。因此，该方法能够显著地提高低压直流配电网络对双极短路故障的承受能力。
77.从上述仿真结果可以看出，本发明所提出的一种基于dab低压直流侧发生双极短
路时的故障限流方法，能够在dab低压直流侧出口发生双极短路后将故障电流控制在稳态电流的2倍以下，因此dab本体不会闭锁，为保护的可靠动作提供了保障。
78.本发明使用了特定词语来描述本发明的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本发明至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本发明的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
79.除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
80.上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。