CN107546844B - 一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法 - Google Patents

一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法，适用于级联H桥型电力电子变压器。当级联功率模块发生故障时，在满足容错运行条件的情况下，将故障功率模块旁路，并将故障功率模块的开关器件触发信号重新分配给一个冗余模块，使电力电子变压器平滑冗余切换，实现冗余切换的无间隙性和准确性。

Description

一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子变压器级联功率模块的冗余容错控制方法。
背景技术
电力电子变压器除了具有传统变压器的电压等级变换和电气隔离功能之外，还具有潮流双向控制、电能质量控制、装置自保护与自诊断、通讯与信息交换等多种功能，并且具有不同电压等级的交流和直流端口，适用于多种类型的分布式能源、储能和负荷的灵活接入，以及交/直流电网的互联。它在智能电网、能源互联网及未来交直流互联电网中发挥不可替代的重要作用，是其实现电能变换和处理的核心装置。
作为一种应用于配电***的柔性电力设备，电力电子变压器设备自身的可靠性对于配电网的安全可靠运行尤为重要。利用冗余和容错技术可以有效改善提高电力电子变压器的可靠性。针对电力电子变压器的冗余容错控制方法，通常需要重新计算电压矢量或者载波移相角度，或者改变调制比。例如中国专利CN103916041A、中国专利CN103560689A等。
这些已有方案的缺点是功率模块故障后需要复杂的控制方法，并且重新计算各功率模块的调制信号，因而动态切换过渡过程较长，而且无法避免在冗余切换时产生电流冲击。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电力电子变压器级联功率模块冗余容错运行控制复杂的缺点，提出一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法。本发明无需调整功率模块的载波移相角度，也无需重新计算调制信号，即可实现故障单元的退出与冗余模块的投入，各功率模块状态的动态切换过程快速平滑。
应用本发明的电力电子变压器每相电路均由N+m个功率模块级联构成，且单相电路可独立运行。其中，N和m均为正整数，N为电力电子变压器单相电路中不含冗余模块在内的级联功率模块数量，m为冗余功率模块数量。各功率模块均由H桥单元和双有源桥串联谐振型DC-DC变换器组成。本发明对其中各串联谐振型DC-DC变换器采用开环的方波电压输出控制方法，在次级侧直流储能电容并联连接的方式下，各DC-DC变换器初级侧直流储能电容电压可实现自动均衡。
本发明电力电子变压器级联功率模块的冗余控制方法在功率模块电压可自动均衡的前提下，一旦发生功率模块故障，只要满足容错运行条件，即故障功率模块数量小于或等于冗余功率模块数量m，可将故障功率模块旁路，并将故障功率模块中H桥单元的脉宽调制信号重新分配给一个冗余功率模块中的H桥单元，使电力电子变压器平滑冗余切换，具体步骤如下：
(1)电力电子变压器的控制器计算N路载波移相脉宽调制信号，其中N为电力电子变压器单相电路中不含冗余模块在内的级联功率模块数量，相邻的两路载波移相脉宽调制信号的移相角相同；
(2)电力电子变压器的控制器将N路载波移相脉宽调制信号分配给不含冗余模块与故障功率模块在内的N个投入状态的串联功率模块；
(3)电力电子变压器的控制器实时监测各功率模块的工作状态；
(4)功率模块故障时，电力电子变压器的控制器根据各功率模块实时状态辨识故障功率模块；
(5)电力电子变压器的控制器判断电力电子变压器级联功率电路是否满足冗余容错运行条件，即故障功率模块数量是否不大于冗余模块数量m。如果满足冗余容错运行条件，则电力电子变压器的控制器给故障功率模块下发闭锁及旁路动作指令，给冗余模块下发投入指令，将冗余模块由备用状态切换为投入状态，并将故障功率模块中的H桥脉宽调制信号发送至冗余模块；如果故障功率模块数量大于冗余模块数量m，不满足冗余容错运行条件，则电力电子变压器的控制器下发跳闸命令，电力电子变压器级联功率电路停机并退出运行。
所述的电力电子变压器高压交流侧的级联H桥单元采用载波移相式脉宽调制方法，并且始终有N个功率模块处于投入状态，m个冗余功率模块处于备用状态。处于投入状态的N个功率模块中H桥单元采用载波移相式脉宽调制方法；处于备用状态的m个冗余功率模块的H桥单元处于输出零电压的开关状态。一旦N个功率模块中有功率模块出现故障，须执行闭锁旁路指令将故障功率模块旁路，同时冗余功率模块由备用状态切换为投入状态，并由输出零电压的开关状态切换为载波移相式正弦脉宽调制状态，使得高压交流侧始终有N个H桥单元参与脉宽调制。
本发明电力电子变压器的冗余控制方法具有以下特点和优势：
1.输入级采用固定移相角的载波移相调制方法，功率模块旁路后无需变化移相角，简化了控制算法。
2.各功率模块直流侧电压自动均衡，且故障功率模块与冗余功率模块之间仅通过交换触发指令即可实现冗余切换，切换过程平滑快速。
附图说明
图1为单相电力电子变压器的电路原理图；
图1中：1、旁路开关、2、H桥单元、3、双有源桥串联谐振型DC-DC变换器、4、分断开关；
图2为功率模块电路原理图；
图2中：1、Kp旁路开关、2、Ch初级侧直流储能电容、3、Cr串联谐振电容、4、Thf高频变压器、5、Cl初级侧直流储能电容、6、Kf分断开关；
图3为本发明实施电力电子变压器级联功率模块冗余控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，以电力电子变压器单相电路为例进行说明。该电力电子变压器单相电路由N+m个功率模块级联构成，单相电路可独立运行。其中，N和m均为正整数，N为无冗余模块时电力电子变压器所需串联功率模块数量，m为冗余功率模块数量。每个功率模块中均包含H桥单元、双有源桥串联谐振型DC-DC变换器、旁路开关与分断开关。双有源桥串联谐振型DC-DC变换器采用开环的方波电压输出控制。在次级侧直流储能电容并联连接的方式下，各DC-DC变换器初级侧直流储能电容电压可实现自动均衡。
如图2所示，所述功率模块的连接方式为：旁路开关Kp连接于H桥单元的交流输出a端子和b端子上。H桥单元的直流输出端子为x、y，双有源桥串联谐振型DC-DC变换器的初级侧直流储能电容Ch连接于直流输出x端子和y端子，次级侧直流储能电容Cl的正极端子j通过与分断开关Kf串联后连接到直流母线的正极端子h上。
本发明电力电子变压器级联功率模块的冗余控制方法为：在功率模块电压可自动均衡的前提下，一旦发生功率模块故障，只要满足容错运行条件，即故障功率模块数量小于或等于冗余功率模块数量m，可将故障功率模块旁路，并将故障功率模块中H桥单元的脉宽调制信号重新分配给一个冗余功率模块中的H桥单元，使电力电子变压器平滑冗余切换。如图3所示，本发明冗余控制方法具体包括以下步骤：
(1)电力电子变压器的控制器计算N路载波移相脉宽调制信号，其中N为电力电子变压器单相电路中不含冗余模块在内的级联功率模块数量，相邻的两路载波移相脉宽调制信号的移相角相同；
(2)电力电子变压器的控制器将步骤(1)中生成的N路载波移相脉宽调制信号分配给不含冗余模块与故障功率模块在内的N个投入状态的串联功率模块；
(3)电力电子变压器的控制器对电路中N+m个功率模块的工作状态进行实时监测；
(4)电力电子变压器的控制器判断第i个功率模块是否发生故障，0<i≤N+m；如果没有故障，则继续查询下一个功率模块的故障状态，直至查询到有功率模块发生了故障，则继续执行下一步骤；
(5)电力电子变压器的控制器判断此时电力电子变压器级联功率电路是否满足冗余容错运行条件，即故障功率模块数量是否不大于冗余模块数量m，如果不满足冗余容错运行条件，则控制器下发跳闸命令，电力电子变压器级联功率电路***停机并退出运行。如果满足冗余容错运行条件，则执行功率模块冗余切换操作，该操作步骤具体包括：
(5.1)电力电子变压器的控制器给故障功率模块下发旁路指令，并将其运行状态由投入状态切换为备用状态；
(5.2)电力电子变压器的控制器给冗余模块下发投入指令，将冗余模块由备用状态切换为投入状态；
(5.3)故障功率模块的旁路开关Kp闭合，分断开关Kf断开，执行旁路指令；
(5.4)故障功率模块的H桥单元和双有源桥串联谐振型DC-DC变换器均闭锁，即所有可控型开关器件均执行断开指令；
(5.5)电力电子变压器的控制器将原发送至故障功率模块的H桥脉宽调制信号发送至冗余模块，冗余模块的H桥单元按照该脉宽调制信号参与调制。
以上方法可以推广应用到三相电力电子变压器。

Claims (2)

1.一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法，所述的电力电子变压器的单相电路由N+m个级联功率模块连接构成，N和m均为正整数，其中N为无冗余功率模块时电力电子变压器所需级联功率模块数量，m为冗余功率模块数量；每个功率模块由H桥单元和双有源桥串联谐振型DC-DC变换器组成，各DC-DC变换器的变压器次级直流输出侧并联连接，使得不同DC-DC变换器的变压器初级直流侧储能电容电压能够实现自动均衡；所述功率模块中，旁路开关Kp连接于H桥单元的交流输出a端子和b端子；H桥单元的直流输出端子为x、y，双有源桥串联谐振型DC-DC变换器的初级侧直流储能电容Ch连接于直流输出x端子和y端子，次级侧直流储能电容Cl的正极端子j通过与分断开关Kf串联后连接到直流母线的正极端子h上，
其特征在于：所述冗余容错控制方法在满足容错运行条件的情况下，即单相电路中故障功率模块数量小于或等于m，将故障功率模块旁路，并将故障功率模块的开关器件触发信号重新分配给一个冗余功率模块中的H桥单元，使电力电子变压器平滑冗余切换，具体步骤包括：
(1)电力电子变压器的控制器计算N路载波移相脉宽调制信号，其中N为电力电子变压器单相电路中不含冗余功率模块在内的级联功率模块数量，相邻的两路载波移相脉宽调制信号的移相角相同；
(2)电力电子变压器的控制器将N路载波移相脉宽调制信号分配给不含冗余功率模块与故障功率模块在内的N个投入状态的串联功率模块；
(3)电力电子变压器的控制器实时监测各功率模块的工作状态；
(4)功率模块故障时，电力电子变压器的控制器根据各功率模块实时状态辨识故障功率模块；
(5)电力电子变压器的控制器判断电力电子变压器是否满足冗余容错运行条件，即故障功率模块数量是否不大于冗余功率模块数量m，如果满足冗余容错运行条件，则电力电子变压器的控制器给故障功率模块下发闭锁及旁路动作指令，给冗余功率模块下发投入指令，将冗余功率模块由备用状态切换为投入状态，并将故障功率模块中的H桥脉宽调制信号发送至冗余功率模块；如果故障功率模块数量大于冗余功率模块数量m，不满足冗余容错运行条件，则电力电子变压器的控制器下发跳闸命令，电力电子变压器停机并退出运行；
当所述的电力电子变压器的控制器判断电力电子变压器满足冗余容错运行条件，执行的功率模块冗余切换操作的步骤具体包括：
(5.1)电力电子变压器的控制器给故障功率模块下发旁路指令，并将其运行状态由投入状态切换为备用状态；
(5.2)电力电子变压器的控制器给冗余功率模块下发投入指令，将冗余功率模块由备用状态切换为投入状态；
(5.3)故障功率模块的旁路开关Kp闭合，分断开关Kf断开，执行旁路指令；
(5.4)故障功率模块的H桥单元和双有源桥串联谐振型DC-DC变换器均闭锁，即所有可控型开关器件均执行断开指令；
(5.5)电力电子变压器的控制器将原发送至故障功率模块的H桥脉宽调制信号发送至冗余功率模块的H桥单元，冗余功率模块的H桥单元按照该脉宽调制信号参与调制。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法，其特征在于：所述的电力电子变压器高压交流侧的级联H桥单元采用载波移相式脉宽调制方法，并且始终有N个功率模块处于投入状态，m个冗余功率模块处于备用状态；处于投入状态的N个功率模块中H桥单元采用载波移相式脉宽调制方法；处于备用状态的m个冗余功率模块的H桥单元处于输出零电压的开关状态；一旦N个功率模块中有功率模块出现故障，须执行闭锁旁路指令将故障功率模块旁路，同时冗余功率模块由备用状态切换为投入状态，并由输出零电压的开关状态切换为载波移相式正弦脉宽调制状态，使得高压交流侧始终有N个H桥单元参与脉宽调制。
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