一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统及方法与流程

本发明属于配电网交直流接口类固态变压器技术领域，尤其是一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统及方法。

背景技术：

近年来电力电子装置在电力系统各个环节的应用愈加广泛，电力电子化的电力系统已经成为未来电网发展的一个可以预见的趋势。能源需求的持续增长、环境污染等问题的日益严峻推进了以电为中心、清洁化为特征的能源结构调整，对清洁能源的开发利用成为世界主要国家的共同选择。在电力电子化的城市配电网进程中，交直流接口类电力电子设备占据着很大的比重，其基于电力电子变换器为输配网互联、交直流配网互联以及分布式能源和各种形式负荷接入等，提供标准化接口，是智能配网系统的能量变换枢纽。

其中，固态变压器，又名为电力电子变压器，是交直流接口类设备的重要组成部分。它在完成常规变压器变压、隔离、能量传递等功能的同时，也可以完成波形控制、电能质量调节、潮流控制和系统稳定控制等功能。作为一种新型的功率变压器，固态变压器将在未来的智能电网中逐渐占据优势，成为主流发展趋势。

在固态变压器的实际应用中，可靠性是一个主要的考虑因素，当设备内部发生故障时，快速提供无缝供电具有非常重要的意义。针对此种问题，冗余控制是一种有效的提升设备运行可靠性的解决方案。

传统的冗余控制技术分为冷、热冗余控制。正常工况下，热冗余控制中冗余功率模块和其他功率模块共同工作。当发生故障时，故障功率模块将被切除，而其他功率模块自适应的调整直至新的工作平衡点。冷冗余控制中，冗余功率模块是在故障功率模块被切除后在进行充电以进行工作，进而延长了过渡时间。由此可能产生一定的浪涌电流，影响设备和系统的安全性。此外，对于三相固态变压器，此种冷热冗余控制需要三个冗余功率模块，由此提高了装备的冗余成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、动态响应速度快且可靠性高的应用于三相固态变压器的冗余控制系统及方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统，包括：a、b、c三相中多个功率模块和一个冗余功率模块，多个功率模块之间采用输入级串联级联，输出级并联级联的连接方式；a、b、c三相共享一个冗余功率模块，该冗余功率模块分为输入级、隔离级和输出级三个部分，其输入级连接三个高压半控旁路开关sr_1-sr_3，输出级连接三个低压全控开关sr_4-sr_6；输入级为6个开关管组成的整流单元，输出级为4个开关管构成的逆变单元。

一种应用于三相固态变压器的冗余控制方法，包括以下步骤：

步骤1、启动固态变压器，对冗余功率模块低压直流侧进行不可控整流，进而将交流电变换为隔离级所需直流电；

步骤2、固态变压器完成启动后，对冗余功率模块低压直流侧进行充电和维持，使冗余功率模块低压侧直流电压维持在参考值；

步骤3、对冗余功率模块高压直流侧的充电与维持，使冗余功率模块高压侧直流电压维持在参考值；当冗余功率模块的高压和低压直流环节电压维持在基准值处时，冗余功率模块准备替换有故障的功率模块；

步骤4、当有一正常的功率模块发生故障时，进行故障模块的切除；

步骤5、关断输入级内的开关管t1和t4，开关管t2、t3和t5、t6均进入pwm模式，进入h桥整流；

步骤6、此时接通sr_1以连接输入级中的三相虚拟中性点，sr_4和sr_5维持关断状态，sr_6导通，使冗余功率模块输出级并联接入c相；

步骤7、冗余功率模块继承故障功率模块的运行参数，完成故障功率模块的替换过程。

而且，所述步骤2的对冗余功率模块低压直流侧进行充电和维持的具体步骤包括：

(1)通过控制控制角α和调制比m两个目标，实现平衡直流电压的同时消除逆变器无功环流；

(2)由恒流充电控制器对冗余功率模块的低压直流环节进行充电，当冗余功率模块的低压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块由单相低压直流环节平衡控制器进行控制；

(3)通过单相低压直流环节平衡控制器调整并联逆变器的单独输出有功功率，以平衡低压直流环节；

而且，所述步骤3的对冗余功率模块高压直流侧的充电与维持的具体步骤包括：

(1)由恒定峰值电流充电控制器对冗余功率模块的高压直流母线环节进行充电，通过下述公式可知，恒峰值电流充电控制器可以通过定义不同的itl_r_peak参考值实现不同的充电速度；当冗余功率模块的高压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块将由单独的高压直流母线平衡控制器控制；

dr和itl_r的峰值电流itl_r_peak的关系为：

式中，dr为低压侧h桥逆变器工作的占空比；itl_r是冗余功率模块高压侧中频变压器的电流；itl_r_peak为itl_r的峰值电流；l’s是高压侧中频变压器的漏感；v’dcl_1、….n，r是等效的低压直流环节电压；v’dcl_1、….n，r是高压直流环节电压；

(2)通过调节隔离级双有源h桥的单相移相角来平衡高压直流环节；

而且，所述步骤7的具体步骤包括：

(1)对于短路故障，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

(2)对于开路故障，

当开路故障发生在输入级级联h桥，诊断时间少于一个基本周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

当开路故障发生在隔离级单个h桥时，其诊断时间少于一个开关周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

当开路故障发生在输出级并联h桥时，其诊断时间处于几毫秒到1.5个基本周期之间，单个直流环节平衡控制器的结果被一个基本周期之前保存的数据覆盖。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明基于三相级联h桥型固态变压器，研究了一种新颖的冗余控制方法，其采用三相固态变压器共享一个冗余功率模块的系统和方法，有效节约了设计及制作成本。此外，本发明还通过相应的控制器调节，使冗余功率模块的高、低压直流环节能够进行预充电操作并保持在一定的参考值，由此减少了替换故障功率模块的过渡时间，有效提高了系统的运行可靠性。

2、本发明基于中压电网采用的三相固态变压器，提出了一种应用于固态变压器的高可靠性的冗余控制方法，此控制方法中三相固态变压器共用一个冗余功率模块，当任何一个原有功率模块发生故障时，故障模块将被冗余功率模块替换，这有效节约了冗余成本。此外，凭借控制器，冗余功率模块的高、低压直流环节能够实现预充电操作并能维持在合理的参考数值，减小了暂态过渡时间，实现了快速的动态响应。

3、本发明实现了几乎没有过渡的故障功率模块的替换过程，与冷热冗余方案相比，故障功率模块更换过程中没有长时间的充电过程，没有浪涌输入电流，没有直流电压增量，也没有复杂的控制算法。

4、本发明只需要一个冗余功率模块和一组开关就可以实现三相冗余控制，大大降低了冗余成本。

5、本发明可以控制冗余功率模块的充电速度，将此充电方法应用在冷冗余方案中时，在不同条件下的充电速度可以实现灵活调节。当固态变压器处于满载状态时，充电速度可以设置在一个相对低的值，以抑制政策正常功率模块的电流。当固态变压器处于空载或轻载状态时，充电速度可设置为高值，以尽快替换故障功率模块。

附图说明

图1为本发明的新型冗余控制系统结构图；

图2(a)为本发明的冗余功率模块的预充电处理流程图；

图2(b)为本发明的故障功率模块的替换处理流程图；

图3(a)为本发明的输出级相位相位控制的输出电压控制器电路图；

图3(b)为本发明的输出级相位相位控制的输出电压控制器的工作原理图；

图3(c)为本发明的输出级相位相位控制的输出无功电流平衡控制器的工作原理图；

图3(d)为本发明的输出级相位相位控制的包括充电过程的单个低压直流电压平衡控制器的工作原理图；

图3(e)为本发明的输出级相位相位控制的独立输出参考电压合成和pwm发生器的工作原理图；

图4(a)为本发明的隔离级相位相位控制的隔离级的等效电路图；

图4(b)为本发明的隔离级相位相位控制的包括充电过程的单个低压直流电压平衡控制器的工作原理图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统，其特征在于：包括：其拓扑结构包含a、b、c三相中多个功率模块和一个冗余功率模块，多个功率模块之间采用输入级串联级联，输出级并联级联的连接方式；此外，a、b、c三相共享一个冗余功率模块，该冗余功率模块分为输入级、隔离级和输出级三个部分，其输入级连接三个高压半控旁路开关sr_1-sr_3，输出级连接三个低压全控开关sr_4-sr_6；输入级为6个开关管组成的整流单元，输出级为4个开关管构成的逆变单元。

本发明的应用于三相固态变压器的冗余控制系统的工作原理是：

一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统，包括分别设在a、b、c三相中每一相都包含n个功率模块。其采用输入级串联级联，输出级并联级联的方式。此外三相共享一个冗余功率模块，此冗余功率模块分为输入级、隔离级和输出级三个部分。其输入级连接三个高压半控旁路开关sr_1和sr_3，输出级连接三个低压全控开关sr_4-sr_6。当a相中有一功率模块发生故障时，关断t3和t6，t1、t2和t4、t5均进入pwm模式，完成整流工作。导通sr_2，关断sr_1-sr_3以连接输入级中的三相虚拟中性点。导通sr_4，关断sr_5-sr_6以连接冗余功率模块到输出级。b、c两相功率模块发生故障时，开关管的动作与a相发生故障开关管的动作类似，不在赘述。

本发明的一种应用于固态变压器的冗余控制方法，分为两个阶段。一是冗余功率模块的预充电过程，二是故障功率模块的更换过程。其中，预充电过程的流程图如图2(a)所示(假定预充电过程在c相进行)；故障功率模块替换过程如图2(b)所示(假设c相有一功率模块出现故障)。

一种应用于固态变压器的冗余控制方法，以c相有一功率模块发生故障为例进行说明，包括以下步骤：

步骤1、启动固态变压器，对冗余功率模块低压直流侧进行不可控整流，进而将交流电变换为隔离级所需直流电；

在本实施例中，在所述步骤1之前，sr_1-sr_5处于关断状态，sr_6处于导通状态，冗余功率模块输出级与c相并联连接；此时，t1-t3处于导通状态，t4-t18处于截止状态，完成固态变压器的启动及冗余功率模块低压直流侧的不可控整流过程，将交流电变换为隔离级所需直流电。步骤1之后，在输出级通过反并联二极管将冗余功率模块的低压直流电压维持在输出电压的峰值。

步骤2、固态变压器完成启动后，对冗余功率模块低压直流侧进行充电和维持，使冗余功率模块低压侧直流电压维持在参考值；

在本实施例中，固态变压器完成启动后，进入步骤2，进行冗余功率模块低压直流侧的充电与维持过程，详细控制过程如图3(a)-图3(e)所示。此后，冗余功率模块低压侧直流电压维持在参考值。

所述对冗余功率模块低压直流侧进行充电和维持的具体步骤包括：

(1)通过控制控制角α和调制比m两个目标，实现平衡直流电压的同时消除逆变器无功环流；

(2)由恒流充电控制器对冗余功率模块的低压直流环节进行充电，当冗余功率模块的低压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块由单相低压直流环节平衡控制器进行控制；

(3)通过单相低压直流环节平衡控制器调整并联逆变器的单独输出有功功率，以平衡低压直流环节；

步骤3、对冗余功率模块高压直流侧的充电与维持，使冗余功率模块高压侧直流电压维持在参考值；当冗余功率模块的高压和低压直流环节电压维持在基准值处时，冗余功率模块准备替换有故障的功率模块；

在本实施例中，完成冗余功率模块低压直流侧的充电与维持过程后，进入步骤3，进行冗余功率模块高压直流侧的充电与维持过程，详细控制过程如图4(a)-图4(b)所示。步骤3之后，t7-t18处于脉宽调制(pwm)模式，并且冗余功率模块的高压和低压直流环节电压维持在基准值处，这表示冗余功率模块准备替换有故障的功率模块。

所述步骤3的对冗余功率模块高压直流侧的充电与维持的具体步骤包括：

(1)由恒定峰值电流充电控制器对冗余功率模块的高压直流母线环节进行充电，通过下述公式可知，恒峰值电流充电控制器可以通过定义不同的itl_r_peak参考值实现不同的充电速度；当冗余功率模块的高压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块将由单独的高压直流母线平衡控制器控制；

dr和itl_r_peak的关系为：

式中，dr为低压侧h桥逆变器工作的占空比；itl_r是冗余功率模块高压侧中频变压器的电流；itl_r_peak为itl_r的峰值电流；l’s是高压侧中频变压器的漏感；v’dcl_1、….n，r是等效的低压直流环节电压；v’dcl_1、….n，r是高压直流环节电压。

(2)通过调节隔离级双有源h桥的单相移相角来平衡高压直流环节；

步骤4、当有一正常的功率模块发生故障时，进行故障模块的切除；

步骤5、关断输入级内的开关管t1和t4，开关管t2、t3和t5、t6均进入pwm模式，进入h桥整流；

步骤6、此时接通sr_1以连接输入级中的三相虚拟中性点，sr_4和sr_5维持关断状态，sr_6导通，使冗余功率模块输出级并联接入c相；

步骤7、冗余功率模块继承故障功率模块的运行参数，完成故障功率模块的替换过程。

所述步骤7的具体步骤包括：

(1)对于短路故障，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

(2)对于开路故障，

当开路故障发生在输入级级联h桥，诊断时间少于一个基本周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

当开路故障发生在隔离级单个h桥时，其诊断时间少于一个开关周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

当开路故障发生在输出级并联h桥时，其诊断时间处于几毫秒到1.5个基本周期之间，单个直流环节平衡控制器的结果被一个基本周期之前保存的数据覆盖。

在本实施例中，详解讲述冗余功率模块低压直流母线环节的充电与维持、冗余功率模块高压直流母线环节的充电与维持以及继承故障功率模块的控制参数三个部分。主要对应于图2中的步骤2，步骤3及步骤7。

1、冗余功率模块低压直流母线环节的充电与维持

冗余功率模块的充电过程可以在三相ept的任何阶段进行。图3(a)显示了包含冗余功率模块的输出端的相位。图3(b)输出电压控制器。图3(c)表示单个输出无功电流平衡控制器，图3(d)表示单个低压直流环节平衡控制器。vdcl_1、….n，r是等效的低压直流环节电压，io1、….n，r是输出端的输出电流，von为输出电压。α1、….n，r为控制角，m1、….n，r为调制比。通过控制控制角α和调制比m两个目标，实现了平衡直流电压的同时消除逆变器无功环流。

步骤1之后，冗余功率模块的低压直流环节保持在输出电压的峰值，而其他功率模块的低压直流环节通过单相低压直流环节平衡控制器保持在参考值。步骤2开始后，冗余功率模块的低压直流环节由恒流充电控制器进行充电(i^*or-_d是充电电流的基准值)以抑制浪涌电流。当冗余功率模块的低压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块由单相低压直流环节平衡控制器进行控制。

在图3(c)中，平衡控制器调整并联逆变器的单独输出有功功率，以平衡低压直流环节。接下来，以vdcl_1为例说明控制器的调节过程。当vdcl_1的值小于其他逆变器的值时，该逆变器传递的有功功率将小于其他逆变器，进而提升vdcl_1，该过程将持续到vdcl_1恢复到平均值。vdcl_avg1和vdcl_avg2是低压直流电压的平均值，其中vdcl_avg2包含冗余功率模块的低压直流环节的电压值，而vdcl_avg1不包括。当冗余功率模块的恒流充电过程结束时，低压直流环节的平均值将从vdcl_avg1切换到vdcl_avg2。

2、冗余功率模块高压直流母线环节的充电与维持

图4(a)显示了该相位的隔离级的等效电路，其包括以高压侧为参考的冗余功率模块。v’dcl_1、….n，r是等效的低压直流环节电压，v’dch_1、….n，r是高压直流环节电压，itl_1、….n，r是高压侧中频变压器的电流，l’s是指高压侧中频变压器的漏感。

隔离阶段采用相移策略。步骤2之后，冗余功率模块的高压直流母线电压保持为零，而其他功率模块的高压直流母线通过单独的高压直流环节平衡控制器保持在基准值。步骤3开始后，冗余功率模块的高压直流母线环节由恒定峰值电流充电控制器充电以抑制涌流。当冗余功率模块的高压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块将由单独的高压直流母线平衡控制器控制。

图4(b)为单一的高压直流母线平衡控制器。通过调节隔离级双有源h桥的单相移相角来平衡高压直流环节。vdch_avg1和vdch_avg2是高压直流环节的平均值，其中vdch_avg2包含冗余功率模块高压直流环节的值，而vdch_avg1不包括。当冗余功率模块的恒峰电流充电过程结束时，高压直流环节的平均值从vdch_avg1切换到vdch_avg2。

在充电过程中，高压侧的h桥按不可控整流器工作，而低压侧的h桥充当具有可变脉冲宽度dr的逆变器工作，其中“r”表示冗余功率模块。itl_r表达式如下：

dr的值为：

进而，dr和itl_r_peak的关系为：

式中，dr为低压侧h桥逆变器工作的占空比；itl_r是冗余功率模块高压侧中频变压器的电流；itl_r_peak为itl_r的峰值电流；l’s是高压侧中频变压器的漏感；v’dcl_1、….n，r是等效的低压直流环节电压；v’dcl_1、….n，r是高压直流环节电压。

恒峰值电流充电控制器可以通过定义不同的itl_r_peak参考值实现不同的充电速度。

3、继承故障功率模块的控制参数

当故障功率模块被冗余功率模块替代时，需要由冗余功率模块继承故障功率模块的控制参数，以减少暂态波动。然而，对于不同类型的故障、不同的故障位置和不同的故障诊断时间，冗余功率模块的动作是不同的。

在众多类型的故障中，开关组件(例如，igbt)故障是最常见的类型之一。igbt故障大致可分为开路故障或短路故障。短路硬件保护是大多数igbt驱动器的标准电路。硬件保护(小于10μs)和故障功率替换过程(例如，20μs)的整个时间可能小于控制器的调节时间间隔。因此，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果，以避免瞬态波动。

开路故障可能发生在输入级级联h桥、隔离级单个h桥和输出级并联h桥。冗余功率模块的动作应该随着不同的开路位置和不同的诊断时间而变化，以避免瞬态波动。当开路故障发生在输入级级联h桥，诊断时间少于一个基本周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果。当开路故障发生在隔离级单个h桥时，其诊断时间少于一个开关周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果。当开路故障发生在输出级并联h桥时，其诊断时间处于几毫秒到1.5个基本周期之间，单个直流环节平衡控制器的结果被一个基本周期之前保存的数据(假定故障识别和定位的时间是一个基本周期)覆盖。此时，冗余功率模块和其他正常运行的功率模块将继承新的结果。

本发明的工作原理是：

一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统及方法，三相固态变压器共享一个冗余功率模块；当三相固态变压器中的任意相中有一功率模块发生故障时，可用冗余功率模块及时替换故障功率模块。其工作过程主要包括两个阶段：预充电阶段和故障功率模块替换过程。以c相中有一功率模块发生故障为例，详细工作步骤如下：步骤1、启动固态变压器，对冗余功率模块低压直流侧进行不可控整流；步骤2、使冗余功率模块低压侧进行充电并维持其直流电压在参考值；步骤3、使冗余功率模块高压侧进行充电并维持其直流电压在参考值；步骤4、进行故障模块的切除；步骤5、t1、t4关断，t2、t3和t5、t6均进入pwm工作模式；步骤6、使冗余功率模块输出级并联接入c相；步骤7、冗余功率模块继承故障功率模块的运行参数，完成故障功率模块的替换过程。本发明减少了冗余功率模块的应用数量，减少了替换故障功率模块的过渡时间，有效提高了系统的运行可靠性。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。