含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器

1.本发明涉及直流配电系统的技术领域，具体地，涉及一种含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器。


背景技术：

2.近年来，随着电力电子技术快速发展与直流设备接入率提高，为满足日益增长的直流负荷需求，直流输配电系统成为研究热点并得到广泛关注。相较于交流系统，直流输配电系统有效简化了功率变换过程与控制系统结构。现有对直流输配电系统中换流器单元的研究多限于两端口变换器，存在设备利用率低、故障转移时间长、供电可靠性差等缺陷。典型直流系统包括对称单极直流与双极直流，为提升系统可靠性，需要实现不同极性直流系统互联，实现不同直流系统间能量支撑。
3.与此同时，在直流输配电系统中，直流短路故障作为常见的故障类型，成为影响直流输配电系统安全稳定运行的不可忽视的因素。面向直流输配电系统的直流短路故障，故障阻断型多端口变换器应运而生，为直流输配电系统中不同类型直流设备接入方案提供一种新型解决思路。故障阻断型多端口变换器能够实现正常运行模式下，由供电电源经双输出型变流器向双极直流母线传输功率。在故障运行模式下，实现故障极隔离，同时保证非故障极功率传输。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器。
5.根据本发明提供的一种含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，包括：对称单极侧和双极系统侧，所述对称单极侧包括一个输入端口，所述双极系统侧包括第一输出端口和第二输出端口，通过调节输出端口变换器移相角，控制传输功率。
6.优选地，所述输入端口传输功率p
in
为：
[0007][0008]
其中，n表示变压器匝数比；fs表示开关频率；表示第一输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角，表示第二输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角；d1表
示输入端口变换器、第一输出端口变换器和第二输出端口变换器驱动脉冲占空比；输入端口直流电压v
in
，第一输出端口折算到输入侧的直流电压v
o1
，第二输出端口折算到输入侧的直流电压v
o2
表示满足：
[0009]vin
＝2v
o1
＝2v
o2
＝v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]
l表示变压器1漏感和变压器2漏感折算到输入端口与输入端口漏感之和，总漏感l表示为：
[0011]
l＝l
k_in
+n2l
k_o1
+n2l
k_o2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0012]
其中l
k_in
表示输入侧变压器漏感之和，l
k_o1
,l
k_o2
分别表示变压器1在输出侧的漏感和变压器2在输出侧的漏感。
[0013]
所述第一输出端口的传输功率p
o1
为：
[0014][0015]
所述第二输出端口的传输功率p
o2
为：
[0016][0017]
当输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器两个上桥臂开关管封锁、两个下桥臂开关管导通，构成故障极回路；同时，将输入端口变换器一个桥臂上连接直流侧正负极的上、下开关管封锁，将输入端口变换器连接变压器的中间两个开关管导通，将变压器一端电压钳位于直流侧中点电位，等效降低输入电压幅值，扩大实现软开关技术的工作范围。
[0018]
当所述第二输出端口发生直流短路故障时，第二输出端口的电压v
o2
＝0，在单极运行状态下，第一输出端口传输功率p
o1
'为：
[0019][0020]
通过在故障发生后调节波形移相角，保持第一输出端口在故障发生前后的输出功率不变，单极运行状态下第一输出端口移相角与双极运行状态下第一输出端口移相角关系式如式(10)所示：
[0021][0022]
当变换器处于双极运行模式时，输入端口和两个输出端口漏感参数设计值满足式(11)：
[0023][0024]
其中，i
l_in
表示双极运行状态下输入侧变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o1
表示双
极运行状态下第一输出端口的变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o2
表示双极运行状态下第二输出端口的变换器开关管开通瞬间电流值；c
p_in
表示输入侧变换器开关管寄生电容值，c
p_o1
表示第一输端口的变换器开关管寄生电容值，c
p_o2
表示第二输出端口的变换器开关管寄生电容值。
[0025]
当变换器处于单极运行模式时，输入端口和两个输出端口漏感参数设计值满足式(12)：
[0026][0027]
其中，i
l_in_fault
表示单极运行状态下输入侧变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o1_fault
表示单极运行状态下第一输出端口的变换器开关管开通瞬间电流值。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0029]
1、本发明基于所提出变换器，实现了双极与对称单极两种不同极性直流配电系统互联。
[0030]
2、本发明基于所提出变换器，实现了双极母线间功率灵活分配与双极直流系统内部功率支撑。
[0031]
3、本发明基于多端口变流器，实现了双极系统侧故障极灵活切除，保证非故障极正常运行，降低故障保护动作影响时间，提升直流配电系统运行可靠性。
[0032]
4、本发明基于变流器内部开关重构，降低与之相连直流断路器动作速度与故障电流开断要求，进一步降低直流配电系统总体积。
附图说明
[0033]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0034]
图1为对称单极-双极直流系统互联直流变压器示意图；
[0035]
图2为本发明变换电路拓扑图；
[0036]
图3为本本发明双极运行变换器驱动脉冲、交流端口电压和电感电压波形图；
[0037]
图4为本发明正常运行模式下输入侧电容均压算法图；
[0038]
图5为本发明故障重构策略1下变换电路运行示意图；
[0039]
图6为本发明故障重构策略1下单极运行变换器驱动脉冲、交流端口电压和电感电压波形图；
[0040]
图7为本发明故障运行模式下输入侧电容均压算法示意图；
[0041]
图8为故障重构策略2下所提出变换器单极运行示意图；
[0042]
图9为故障重构策略2下单极运行变换器驱动脉冲、交流端口电压和电感电压波形图；
[0043]
图10为应用场景1和应用场景2(故障重构策略1)输出端口1输出功率图；
[0044]
图11为应用场景3和应用场景4(故障重构策略2)输出端口1输出功率图。
具体实施方式
[0045]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0046]
本发明公开了一种对称单极-双极系统互联直流变换电路，针对对称单极与双极直流配电系统互联需求，创新地提出一种新的具备端口短路故障清除能力的双极供电dc-dc变换器拓扑以及故障重构方法。
[0047]
针对图1所示的典型应用场景，本专利对该运行方案进行原理阐述，并通过仿真模拟下的实施案例证实其有效性。旨在实现单极短路故障下双极直流配电系统非故障极连续供电。
[0048]
传输功率计算方法
[0049]
如图2所示，为本发明提供的变换电路拓扑结构，其等效电路与dab等效电路相同。变换电路的拓扑在正常工作状态下，变换器驱动脉冲波形、交流端口电压波形和电感电压波形如图3所示。
[0050]
变换电路拓扑的传输功率计算如下：
[0051]
为简化分析与计算，设定输入侧变换器与两个输出侧变换器的占空比均相同，变压器原边电压波形的中电平占整个周期比例与变压器副边电压叠加波形的中电平占整个周期比例相等。另外，为确保所提出变换器在正常工作模式下正常工作，应调节输入侧中点钳位型三电平变换器开关器件占空比di(i＝1,
…
8)，满足变换器输入侧两个串联电容的两端电压相同，均压算法如图4所示。
[0052]
在正常工作状态下，所提出变换器拓扑与dab具有相似的控制方法和性能参数。通过调节输出端口变换器移相角，可以控制传输功率。由于通过电压基波和三次谐波计算得到功率参数对实际功率参数的误差可以忽略不计，因此以下使用变压器输入侧方波电压和输出侧方波电压的基波与三次谐波分量计算功率特性。输入端口传输功率p
in
如式(1)所示：
[0053][0054]
其中，n表示变压器匝数比；fs表示开关频率；表示输出端口1变换器相对输入端口变换器的移相角，表示输出端口2变换器相对输入端口变换器的移相角；d1表示输入端口变换器、输出端口1变换器和输出端口2变换器驱动脉冲占空比；在本专利中，输入端口直流电压v
in
，输出端口1折算到输入侧的直流电压v
o1
，输出端口2折算到输入侧的直流电压v
o2
表示满足
[0055]vin
＝2v
o1
＝2v
o2
＝v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0056]
l表示变压器1漏感和变压器2漏感折算到输入端口与输入端口漏感之和，总漏感l表示为式(3)
[0057]
l＝l
k_in
+n2l
k_o1
+n2l
k_o2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0058]
其中l
k_in
表示输入侧变压器漏感之和，l
k_o1
,l
k_o2
分别表示变压器1在输出侧的漏感和变压器2在输出侧的漏感。输出端口1传输功率p
o1
如式(4)所示：
[0059][0060]
输出端口2传输功率p
o2
如式(5)所示：
[0061][0062]
故障阻断控制方法
[0063]
针对某个输出端口发生直流短路故障的工况，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出端口变换器两个上桥臂开关管封锁、两个下桥臂开关管导通，构成故障极回路，等效地将故障极变压器原边绕组短路，从而避免对非故障极正常工作造成影响。所提出变换器单极运行示意图如图5所示。单极运行状态下，变换器驱动脉冲波形、交流端口电压波形和电感电压波形如图6所示。同理，为确保所提出变换器在故障工作模式下正常工作，应调节输入侧中点钳位型三电平变换器开关器件占空比di(i＝1,
…
8)，满足变换器输入侧两个串联电容的两端电压相同，均压算法如图7所示。
[0064]
设端口2发生直流短路故障，即为v
o2
＝0。在单极运行状态下，输出端口1传输功率p
o1
'如(6)所示：
[0065][0066]
其中，表示单极故障发生后两个变压器副边电压叠加波形相对输入侧变换器的交流电压波形移相角，d0表示输入端口变换器交流测电压波形的中电平持续时间占一个周期的比例，与双极运行状态下输出端口1变换器相对输入端口变换器的移相角以及输出端口2变换器相对输入端口变换器的移相角关系式为
[0067][0068]
为保证输出端口1的工作状态不受输出端口2故障影响，通过在故障发生后调节波
形移相角，可以保持输出端口1在故障发生前后的输出功率不变。单极运行状态下输出端口1移相角与双极运行状态下输出端口1移相角关系式如式(8)所示：
[0069][0070]
然而，上述单极运行故障重构策略在单极运行工况下的软开关工作范围较小，因此提出针对输出端口单极运行的新型故障重构策略：同上，采用脉冲封锁保护方式，将故障极变换器两个上桥臂开关管封锁、两个下桥臂开关管导通，构成故障极回路，等效地将故障极变压器副边绕组短路，从而避免对非故障极正常工作造成影响。同时，将输入端口变换器一个桥臂上连接直流侧正负极的上、下开关管封锁，将输入端口变换器连接变压器的中间两个开关管导通，将变压器一端电压钳位于直流侧中点电位，等效降低输入电压幅值，从而扩大实现软开关技术的工作范围。
[0071]
为区分两种故障重构运行策略，将前者成为故障重构方案1，将后者称为故障重构方案2。基于故障重构方案2的所提出变换器单极运行示意图如图8所示。单极运行状态下，基于故障重构方案2的变换器驱动脉冲波形、交流端口电压波形和电感电压波形如图9所示，输入侧电容均压算法如图7所示。
[0072]
设端口2发生直流短路故障，即为v
o2
＝0。采用故障重构方案2，在单极运行状态下，输出端口1传输功率p
o1
'如(9)所示：
[0073][0074]
为保证输出端口1的工作状态不受输出端口2故障影响，通过在故障发生后调节波形移相角，可以保持输出端口1在故障发生前后的输出功率不变。单极运行状态下输出端口1移相角与双极运行状态下输出端口1移相角关系式如式(10)所示：
[0075][0076]
总参数设计
[0077]
正常状态下变换器运行控制应以降低电路运行损耗为考量，软开关技术的实现对两个输出端口移相角控制范围提出新的要求。软开关技术之零电压导通的基本原理为，开关管的驱动脉冲到来之前，开关管的反并联二极管有电流流过，开关管两端电压降为零。因此，电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0078]
针对本专利提出之技术方案的不同应用场景，可以确定直流配电系统在正常工作状态下的额定输入功率，进而通过式(1)计算得到总漏感l，作为该应用场景下的漏感参数设计值。
[0079]
双极运行模式参数设计：
[0080]
对于软开关实现条件，由于开关管存在寄生电容等固有特性，为设计满足软开关实现条件的漏感参数，降低开关管开通损耗和关断损耗，应考虑寄生电容参数。在一个周期
内，电感存储的能量应大于一个变换器的寄生电容存储的能量。即为，在正常工作状态下输入端口和2个输出端口漏感参数设计值须满足式(11)：
[0081][0082]
其中，i
l_in
表示双极运行状态下输入侧变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o1
表示双极运行状态下输出侧端口1变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o2
表示双极运行状态下输出侧端口2变换器开关管开通瞬间电流值。c
p_in
表示输入侧变换器开关管寄生电容值，c
p_o1
表示输出侧端口1变换器开关管寄生电容值，c
p_o2
表示输出侧端口2变换器开关管寄生电容值。
[0083]
单极运行模式参数设计：
[0084]
同双极运行模式的参数设计，在输出端口或输入端口单极运行状态下，输入端口和2个输出端口漏感参数设计值须满足式(12)：
[0085][0086]
其中，i
l_in_fault
表示单极运行状态下输入侧变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o1_fault
表示单极运行状态下输出侧端口1变换器开关管开通瞬间电流值。
[0087]
经计算验证，若通过式(1)计算得到总漏感l参数设计值与l
k_in
，l
k_o1
，l
k_o2
，同时满足式(11)和式(12)，则该漏感参数设计值可以使本专利所设计的直流配电系统在该应用场景下实现额定功率输送，并满足实现软开关条件；若漏感值不满足上述两个条件，应调节额定输入功率设计值，重新迭代计算实现额定传输功率的漏感参数设计值，直至满足额定功率传输要求和实现软开关条件。
[0088]
实施例1：
[0089]
应用场景1：双极直流配电系统单极故障工况1
[0090]
应用场景1对应双极运行模式下，输出端口1变换器相对输入端口变换器的移相角小于输出端口2变换器相对输入端口变换器的移相角同时采用故障重构策略1的应用场景。电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0091]
针对输出端口1移相角小于输出端口2移相角的应用场景，取输出端口1移相角输出端口2移相角占空比d0＝0.1，占空比d1＝0.3时，输入端口传输功率为额定功率，即为p
n_in
＝160.7921w，通过式(1)计算得到总漏感lk＝6.8μh。同时，考虑在输出端口单极运行情况下，故障极连接变压器的原边电压应接近零，以减小对正常极和输入端口的影响。因此，选取l
k_in
＝6.5μh,l
k_o1
＝0.6μh,l
k_o2
＝0.6μh。系统参数如表1所示。
[0092]
取输入端口和2个输出端口寄生电容值分别为c
p_in
＝1000pf，c
p_o1
＝c
p_o2
＝200pf。验证得到输入端口、输出端口1和输出端口2漏感参数设计值均满足式(11)和(12)。
[0093]
综上，该应用场景下系统参数如表1所示。
[0094]
表1低压直流配电系统单极故障工况1系统参数
[0095][0096][0097]
实施例2：
[0098]
应用场景2：双极直流配电系统单极故障工况2
[0099]
应用场景2对应双极运行模式下，输出端口1变换器相对输入端口变换器的移相角大于输出端口2变换器相对输入端口变换器的移相角同时采用故障重构策略1的应用场景。电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0100]
电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0101]
针对输出端口1移相角大于输出端口2移相角的应用场景，对于输出端口1移相角输出端口2移相角占空比d1＝0.3时，输入端口传输功率为额定功率，即为p
n_in
＝236.0122w，通过式(1)计算得到总漏感lk＝6.8μh。同时，考虑在输出端口单极运行情况下，故障极连接变压器的原边电压应接近零，以减小对正常极和输入端口的影响。因此，选取l
k_in
＝6.5μh,l
k_o1
＝0.6μh,l
k_o2
＝0.6μh。系统参数如表2所示。
[0102]
取输入端口和2个输出端口寄生电容值分别为c
p_in
＝1000pf，c
p_o1
＝c
p_o2
＝200pf。验证得到输入端口、输出端口1和输出端口2漏感参数设计值均满足式(11)和(12)。
[0103]
综上，该应用场景下系统参数如表2所示。
[0104]
表2低压直流配电系统单极故障工况2系统参数
[0105][0106][0107]
实施例3：
[0108]
应用场景3：双极直流配电系统单极故障工况3
[0109]
应用场景3对应双极运行模式下，输出端口1变换器相对输入端口变换器的移相角小于输出端口2变换器相对输入端口变换器的移相角同时采用故障重构策略2的应用场景。电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0110]
电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0111]
针对输出端口1移相角小于输出端口2移相角的应用场景，取输出端口1移相角输出端口2移相角占空比d1＝0.3时，输入端口传输功率为额定功率，即为p
n_in
＝160.7921w，通过式(1)计算得到总漏感lk＝6.8μh。同时，考虑在输出端口单极运行情况下，故障极连接变压器的原边电压应接近零，以减小对正常极和输入端口的影响。因此，选取l
k_in
＝6.5μh,l
k_o1
＝0.6μh,l
k_o2
＝0.6μh。系统参数如表3所示。
[0112]
取输入端口和2个输出端口寄生电容值分别为c
p_in
＝1000pf，c
p_o1
＝c
p_o2
＝200pf。验证得到输入端口、输出端口1和输出端口2漏感参数设计值均满足式(11)和(12)，说明按照该电路在正常工作状态下和单极故障状态下均满足软开关实现条件。
[0113]
综上，该应用场景下系统参数如表3所示。
[0114]
表3低压直流配电系统单极故障工况3系统参数
[0115][0116][0117]
实施例4
[0118]
应用场景4：双极直流配电系统单极故障工况4
[0119]
应用场景4对应双极运行模式下，输出端口1变换器相对输入端口变换器的移相角大于输出端口2变换器相对输入端口变换器的移相角同时采用故障重构策略2的应用场景。电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0120]
电感参数的设计应同时满足功率传输需求和软开关实现条件。
[0121]
针对输出端口1移相角大于输出端口2移相角的应用场景，对于输出端口1移相角输出端口2移相角占空比d1＝0.3时，输入端口传输功率为额定功率，即为p
n_in
＝236.0122w，通过式(1)计算得到总漏感lk＝6.8μh。同时，考虑在输出端口单极运行情况下，故障极连接变压器的原边电压应接近零，以减小对正常极和输入端口的影响。因此，选取l
k_in
＝6.5μh,l
k_o1
＝0.6μh,l
k_o2
＝0.6μh。系统参数如表4所示。
[0122]
取输入端口和2个输出端口寄生电容值分别为c
p_in
＝1000pf，c
p_o1
＝c
p_o2
＝200pf。验证得到输入端口、输出端口1和输出端口2漏感参数设计值均满足式(11)和(12)，说明按照该电路在正常工作状态下和单极故障状态下均满足软开关实现条件。
[0123]
综上，该应用场景下系统参数如表4所示。
[0124]
表4低压直流配电系统单极故障工况4系统参数
[0125][0126][0127]
仿真结果：
[0128]
应用场景1：双极直流配电系统输出端口2短路故障工作状态1
[0129]
为验证所提出变换器拓扑设计以及第一种故障重构方法对阻断单极短路故障的可行性，以及针对单极运行状态设计的电路参数的有效性，启动后在0.02s时输出端口2发生单极直流短路故障并采取第一种故障保护措施，在0.03s时输出端口2恢复正常工作并切换至正常工作状态控制模式，分析电路重要参数波形。
[0130]
输出端口1输出功率如图10(a)所示。启动时刻，取输出端口1初始移相角为输出端口2初始移相角占空比d0＝0.3、占空比d1＝0.3。正常工作情况下，输入功率为160.7921w，输出端口1输出功率为84.8142w，输出端口2输出功率为75.9779w。输出端口1单极运行状态下，取移相角为输入功率为84.8142w，等于故障前端口1输出功率。因此通过在输出端口2单极故障时刻改变波形移相角，可以保持输出端口1的输出功率在单极故障前后不变，进而保证输出端口1的工作状态不受输出端口2单极故障影响。另外，将低压直流配电系统单极故障工况1系统参数带入式(1)、式(4)、式(6)，验证了理论计算结果的正确性。
[0131]
应用场景2：双极直流配电系统输出端口2短路故障工作状态2
[0132]
为验证所提出变换器拓扑设计以及第一种故障重构方法对阻断单极短路故障的可行性，以及针对单极运行状态设计的电路参数的有效性，启动后在0.02s时输出端口2发生单极直流短路故障并采取第一种故障保护措施，在0.03s时输出端口2恢复正常工作并切换至正常工作状态控制模式，分析电路重要参数波形。
[0133]
输出端口1输出功率如图10(b)所示。启动时刻，取输出端口1初始移相角为输出端口2初始移相角取占空比d0＝0.1，占空比d1＝0.3。正常工作情况下，输入功率为236.0122w，输出端口1输出功率为108.2219w，输出端口1输出功率为
127.7903w。输出端口1单极运行状态下，取移相角为输入功率为108.2219w，近似等于故障前端口1输出功率。因此通过在输出端口2单极故障时刻改变波形移相角，可以保持输出端口1的输出功率在单极故障前后不变，进而保证输出端口1的工作状态不受输出端口2单极故障影响。另外，将低压直流配电系统单极故障工况2系统参数带入式(1)、式(4)、式(6)，验证了理论计算结果的正确性。
[0134]
应用场景3：双极直流配电系统输出端口2短路故障工作状态3
[0135]
为验证所提出变换器拓扑设计以及新型故障重构方法对阻断单极短路故障的可行性，以及针对单极运行状态设计的电路参数的有效性，启动后在0.02s时输出端口2发生单极直流短路故障并采取新型故障保护措施，在0.03s时输出端口2恢复正常工作并切换至正常工作状态控制模式，分析电路重要参数波形。
[0136]
输出端口1输出功率如图11(a)所示。启动时刻，取输出端口1初始移相角为输出端口2初始移相角占空比d1＝0.3。正常工作情况下，输入功率为160.7921w，输出端口1输出功率为84.8142w，输出端口2输出功率为75.9779w。输出端口1单极运行状态下，取移相角为输入功率为84.8142w，等于故障前端口1输出功率。因此通过在输出端口2单极故障时刻改变波形移相角，可以保持输出端口1的输出功率在单极故障前后不变，进而保证输出端口1的工作状态不受输出端口2单极故障影响。另外，将低压直流配电系统单极故障工况1系统参数带入式(1)、式(4)、式(6)，验证了理论计算结果的正确性。
[0137]
应用场景4：双极直流系统输出端口2短路故障工作状态4
[0138]
为验证所提出变换器拓扑设计以及新型故障重构方法对阻断单极短路故障的可行性，以及针对单极运行状态设计的电路参数的有效性，启动后在0.02s时输出端口2发生单极直流短路故障并采取新型故障保护措施，在0.03s时输出端口2恢复正常工作并切换至正常工作状态控制模式，分析电路重要参数波形。
[0139]
输出端口1输出功率如图11(b)所示。启动时刻，取输出端口1初始移相角为输出端口2初始移相角占空比d1＝0.3。正常工作情况下，输入功率为236.0122w，输出端口1输出功率为108.2219w，输出端口2输出功率为127.7903w。输出端口1单极运行状态下，取移相角为输入功率为108.2219w，近似等于故障前端口1输出功率。因此通过在输出端口2单极故障时刻改变波形移相角，可以保持输出端口1的输出功率在单极故障前后不变，进而保证输出端口1的工作状态不受输出端口2单极故障影响。另外，将低压直流配电系统单极故障工况2系统参数带入式(1)、式(4)、式(6)，验证了理论计算结果的正确性。
[0140]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，包括：对称单极侧和双极系统侧，所述对称单极侧包括一个输入端口，所述双极系统侧包括第一输出端口和第二输出端口，通过调节输出端口变换器移相角，控制传输功率。2.根据权利要求1所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，所述输入端口传输功率p
in
为：其中，n表示变压器匝数比；f
s
表示开关频率；表示第一输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角，表示第二输出端口变换器相对输入端口变换器的移相角；d1表示输入端口变换器、第一输出端口变换器和第二输出端口变换器驱动脉冲占空比；输入端口直流电压v
in
，第一输出端口折算到输入侧的直流电压v
o1
，第二输出端口折算到输入侧的直流电压v
o2
表示满足：v
in
＝2v
o1
＝2v
o2
＝v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)l表示变压器1漏感和变压器2漏感折算到输入端口与输入端口漏感之和，总漏感l表示为：l＝l
k_in
+n2l
k_o1
+n2l
k_o2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中l
k_in
表示输入侧变压器漏感之和，l
k_o1
,l
k_o2
分别表示变压器1在输出侧的漏感和变压器2在输出侧的漏感。3.根据权利1所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，所述第一输出端口的传输功率p
o1
为：
4.根据权利1所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，所述第二输出端口的传输功率p
o2
为：5.根据权利要求1所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，当正极或负极输出端口发生直流短路故障时，采用脉冲封锁保护方式，将故障输出
端口变换器两个上桥臂开关管封锁、两个下桥臂开关管导通，构成故障极回路；同时，将输入端口变换器连接直流侧正负极的上、下开关管封锁，将输入端口变换器一个桥臂上连接变压器的中间两个开关管导通，将变压器一端电压钳位于直流侧中点电位，等效降低输入电压幅值，扩大实现软开关技术的工作范围。6.根据权利要求5所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，当所述第二输出端口发生直流短路故障时，第二输出端口的电压v
o2
＝0，在单极运行状态下，第一输出端口传输功率p
o1
'为：通过在故障发生后调节波形移相角，保持第一输出端口在故障发生前后的输出功率不变，单极运行状态下第一输出端口移相角与双极运行状态下第一输出端口移相角关系式如式(10)所示：7.根据权利要求1所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，当变换器处于双极运行模式时，输入端口和两个输出端口漏感参数设计值满足式(11)：其中，i
l_in
表示双极运行状态下输入侧变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o1
表示双极运行状态下第一输出端口的变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o2
表示双极运行状态下第二输出端口的变换器开关管开通瞬间电流值；c
p_in
表示输入侧变换器开关管寄生电容值，c
p_o1
表示第一输端口的变换器开关管寄生电容值，c
p_o2
表示第二输出端口的变换器开关管寄生电容值。8.根据要求1所述的含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，其特征在于，当变换器处于单极运行模式时，输入端口和两个输出端口漏感参数设计值满足式(12)：其中，i
l_in_fault
表示单极运行状态下输入侧变换器开关管开通瞬间电流值，i
l_o1_fault
表示单极运行状态下第一输出端口的变换器开关管开通瞬间电流值。

技术总结
本发明提供了一种含短路容错能力的对称单极-双极系统互联直流变换器，包括：对称单极侧和双极系统侧，所述对称单极侧包括一个输入端口，所述双极系统侧包括第一输出端口和第二输出端口，通过调节输出端口变换器移相角，控制传输功率。本发明基于所提出变换器，互联双极与对称单极两种不同极性直流配电系统，实现不同类型直流配电系统电压等级匹配与功率交换；本发明基于多端口变流器，实现了双极系统侧故障极灵活切除，保证非故障极正常运行，降低故障保护动作影响时间，提升直流配电系统运行可靠性。行可靠性。行可靠性。


技术研发人员：马建军 朱淼 滕百川 陈奕嘉 文书礼 叶惠丽
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/20