CN110110486A - 一种dab型直流变换器高频阻抗等值建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性直流配电系统故障定位技术领域，尤其涉及一种DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法，包括：对DAB型直流变换器中的单个DAB模块进行分析，将开关器件等效为电阻元件，并忽略开关过程的影响；利用系统故障时所产生的阶跃信号作为高频源，分析故障后直流变换器的高频阻抗回路，推导得出其高频阻抗表达式。具体包括：首先将回路中高频变压器进行等效，并将参数都折算到高压侧，建立变压器两耦合线圈之间的电压与电流的关系式；再根据高频变压器的结构和参数，推导出变压器T型等效电路中的各电路参数，并折算到高压侧，得到其等效电路。本发明解决了电力电子器件给系统带来的非线性特征，获得的模型具有很高的精度。

Description

一种DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法

技术领域

本发明属于柔性直流配电系统故障定位技术领域，尤其涉及一种DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法。

背景技术

近年来，规模化的分布式电源、电动汽车等柔性负荷通过电力电子换流设备并入配电网已成为发展趋势，直流配电系统以其换流环节少、结构简单、转换效率高、供电半径及容量大、经济性好等优势，成为国内外研究和发展的热点课题。在柔性直流配电系统中，直流环节呈现出强电力电子化特征，网络的不同拓扑结构、不同控制策略都会对故障特征产生影响，其故障电流衰减分量丰富，没有恒定的故障分量，进而导致直流环节故障后的特征不明确，故障暂态过程相对复杂且非线性特征较强，难以准确提取并分析故障特征。

目前国内外关于直流变换器故障特性的研究分析较少，有学者针对电力电子变压器直流端口极间短路进行了故障特性分析，给出了故障后端口电压和短路电流的表达式，但并未对直流变换器进行模型等效。大多数直流系统的故障定位方法也都是通过对故障后的电气量进行解析来进行的，并未真正解决直流变换器给系统带来的非线性问题。因此，有必要对直流变压器的故障回路进行研究，分析开关器件所带来的影响，解决系统中出现的非线性问题，提出一种不受开关器件状态影响的直流变换器线性等值模型。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法，包括：

步骤1：对DAB型直流变换器中的单个DAB模块进行分析，将开关器件等效为电阻元件，并忽略开关过程的影响；

步骤2：利用系统故障时所产生的阶跃信号作为高频源，分析故障后直流变换器的高频阻抗回路，推导得出其高频阻抗表达式。

所述步骤2具体包括：

首先将回路中高频变压器进行等效，并将参数都折算到高压侧，建立变压器两耦合线圈之间的电压与电流的关系式；再根据高频变压器的结构和参数，推导出变压器T型等效电路中的各电路参数，并折算到高压侧，得到其等效电路。

所述步骤2还包括：利用系统故障后所产生的高频电气量作为源，分析故障后系统中的高频信号通路，将通路中的开关器件部分等效成恒定的电阻，并将回路中的变压器用化简出来的T型电路代替，得到单个DAB模块的高频等效模型，获得从高压侧看进去的高频阻抗表达式。

所述步骤2还包括：忽略变压器T型等效电路中的阻抗参数L₁₂后对单个DAB模块的高频等值阻抗进一步简化，最终得到多个DAB模块等效电路串联连接后的整个直流变换器高频等值阻抗。

所述等效电路为桥臂电阻、变压器阻抗以及低压侧支撑电容串联起来之后再和高压侧电容并联。

本发明的有益效果：

(1)分析得到等值模型不受系统发生双极短路故障时桥臂的开关状态的影响；

(2)解决了电力电子器件给系统带来的非线性特征，将系统线性化，获得的模型具有很高的精度，有利于柔性直流系统故障特性及故障定位技术的分析。

附图说明

图1为本发明的DAB型直流变换器高频阻抗建模方法流程图；

图2为单个DAB模块拓扑结构示意图；

图3为高频变压器结构图以及其T型等效电路示意图；

图4为DAB模块直流端口发生双极短路故障后的高频电流回路图；

图5为单个DAB模块高频阻抗等值模型；

图6为DAB型直流变换器拓扑结构图；

图7为直流变换器高频阻抗计算值与理论值仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1为本发明的DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法流程图，本发明提出了一种DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法，包括以下步骤：

步骤1：对DAB型直流变换器中的单个DAB模块进行分析，将开关器件等效为电阻元件，并忽略开关过程的影响；

步骤2：利用系统故障时所产生的阶跃信号作为高频源，分析故障后直流变换器的高频阻抗回路，推导得出其高频阻抗表达式。

所述步骤1中，DAB型直流变换器是由多个DAB模块在低压侧并联，高压侧串联连接构成的，可以先对单个DAB模块进行分析；在DAB模块工作过程中，两侧H桥的开关频率相同，对角开关管同时导通；基于此，由于DAB模块中的电流存在两种方向，根据开关的控制特性可得到两种电流回路，分析这两种回路可知，不管电流流向和开关状态如何，在高频变压器的原副边电路中都会两次经过IGBT或反并联二极管，开关器件的导通电阻大小相同，且开关过程中所产生的高频信号能量远小于故障暂态冲击电流高频，因此可将开关器件等效为电阻元件，并忽略开关过程的影响。

所述步骤2中当直流系统发生双极短路故障时，故障点电压会在几毫秒内降为零，产生一个阶跃信号，将该阶跃信号进行频谱分析，可以得到其全频域信息，而且信号频率越高，频谱密度越大；同时由于柔性直流电网对保护快速性的要求导致可供故障定位分析的数据窗长最多为数毫秒，低频信息难以准确提取，高频信号识别效果较好，因此利用系统故障时所产生的阶跃信号作为高频源，分析故障后直流变换器的高频阻抗回路，首先将回路中高频变压器进行等效，根据高频变压器的结构和参数，推导出变压器T型等效电路中的各电路参数L₁、L₂和L₁₂，并折算到高压侧，得到其等效电路。

利用系统故障后所产生的高频电气量作为源，分析故障后系统中的高频信号通路，由于DAB模块采用对角开关管同时导通的控制方式，系统故障后会存在两种高频电流故障回路，根据步骤1中的分析可得，可忽略开关器件的开关过程，且这两种回路在DAB的原边和副边都会两次经过开关器件，电流通路的等效回路可以看成是相同的；将通路中的开关器件部分等效成恒定的电阻，并将回路中的变压器用化简出来的T型电路代替，得到单个DAB模块的高频等效模型，从高压侧看进去的高频阻抗为：

式中，C₀为高压直流侧出口电容，C₁为低压直流侧电容，R_l和L_l分别为线路电阻和电抗，r为桥臂开关器件的导通电阻，L₁、L₂和L₁₂为变压器T型等效电路中的阻抗参数；

根据步骤2中得到的变压器T型等效电路参数可知，L₁₂的计算值大约为L₁和L₂的500倍，为了使电路更加简便，在进行等效时可将L₁₂所在支路忽略，那么单个DAB模块的高频等值阻抗就可以进一步简化为：

该等效电路相当于桥臂电阻、变压器阻抗以及低压侧支撑电容串联起来之后再和高压侧电容并联，所有参数均折算到高压侧；

DAB型直流变换器是由多个DAB模块在低压侧并联、高压侧串联所构成的，将单个DAB模块的高频等效电路求解出来以后，从直流线路端口看进去，整个直流变换器相当于多个DAB模块等效电路串联连接，因此，直流变换器的高频等值阻抗可以表示为：

Z_S＝N·Z_{S_DAB}

式中，Z_{S_DAB}表示单个DAB模块的高频阻抗，N表示直流变压器中DAB的模块数。

图2为单个DAB模块拓扑结构示意图。DAB模块是由两侧H桥以及高频变压器共同组成，H桥的桥臂是由IGBT和反并联二极管构成。同时在变换器的低压侧和高压侧还有两个电容，起到滤波以及电压支撑的作用。在DAB模块工作过程中，两侧H桥的开关频率相同，对角开关管同时导通。根据开关的控制特性可得到两种电流回路，通过分析可将这两种回路用同一个等效电路来代替，从而忽略开关状态以及开关过程的影响。

图3为高频变压器结构图以及其T型等效电路示意图。左图表示的是高频变压器中相互耦合的两个绕组，L₁₁、L₂₂表示两绕组的自感，L₁₂表示绕组间的互感。根据变压器的原理，可将其简化为右图所示的T型电路，并且将参数都折算到高压侧。

图4为DAB模块直流端口发生双极短路故障后的高频电流回路图。直流侧发生双极短路故障后，故障点阶跃电压所分解出来的高频量可作为一个高频源，分析以其为电源的高频故障回路。由于开关器件的控制信号为互补的方波信号，因此存在两种高频回路。基于上述开关器件对回路影响的分析，可知两个高频回路可等效成同一个电路，开关状态以及开关过程可忽略。

图5为单个DAB模块高频阻抗等值模型。基于高频变压器的等效以及高频故障回路的分析，将电路中的变压器用T型等效电路代替，两侧H桥用导通电阻代替，同时，由于L₁₂的计算值大约为L₁和L₂的500倍，因此可将L₁₂所在支路忽略，低压侧参数折算到高压侧，同类型的参数进行合并，最终得到图5所示的等效电路。

图6为DAB型直流变换器拓扑结构图。该变换器是由多层DAB模块构成的，各模块的低压侧并联，高压侧串联接入中压直流系统，串联结构可有效分压，提高直流变换器的耐压水平。从中压直流线路端口看进去，整个变换器相当于所有DAB模块串联连接，因此，直流变换器从高压侧看进去的高频等值阻抗值即为单个DAB模块等值阻抗与换流器中模块数的乘积。

图7为直流变换器高频阻抗计算值与理论值仿真对比图。在PSCAD中搭建含有DAB型直流变换器的柔性直流系统，各DAB模块的低压侧与光伏电源相连，高压侧串联起来接入中压直流系统。当直流侧发生双极短路故障时，测量换流器直流系统侧出口处的电压和电流，将其进行小波变换，得到电压和电流的各频域值，进而求得各频率下的阻抗，将此计算值与理论值进行对比，得到图中所示的结果。

仿真结果表明，在柔性直流系统发生双极短路故障时，通过分析变换器开关状态对故障回路的影响，利用故障后阶跃电压作为电源，分析高频电流的回路特征，最终得到DAB型直流变换器的高频阻抗等值模型，该模型消除了开关器件在系统中所产生的非线性问题，在800-1600Hz频率范围内，等效模型具有很高的精度。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种DAB型直流变换器高频阻抗等值建模方法，其特征在于，包括：

步骤1：对DAB型直流变换器中的单个DAB模块进行分析，将开关器件等效为电阻元件，并忽略开关过程的影响；

步骤2：利用系统故障时所产生的阶跃信号作为高频源，分析故障后直流变换器的高频阻抗回路，推导得出其高频阻抗表达式。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

首先将回路中高频变压器进行等效，并将参数都折算到高压侧，建立变压器两耦合线圈之间的电压与电流的关系式；再根据高频变压器的结构和参数，推导出变压器T型等效电路中的各电路参数，并折算到高压侧，得到其等效电路。

3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述步骤2还包括：利用系统故障后所产生的高频电气量作为源，分析故障后系统中的高频信号通路，将通路中的开关器件部分等效成恒定的电阻，并将回路中的变压器用化简出来的T型电路代替，得到单个DAB模块的高频等效模型，获得从高压侧看进去的高频阻抗表达式。

4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述步骤2还包括：忽略变压器T型等效电路中的阻抗参数L₁₂后对单个DAB模块的高频等值阻抗进一步简化，最终得到多个DAB模块等效电路串联连接后的整个直流变换器高频等值阻抗。

5.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述等效电路为桥臂电阻、变压器阻抗以及低压侧支撑电容串联起来之后再和高压侧电容并联。