一种用于三相三电平VIENNA整流器的主从备份方法与流程

本发明属于电能变换装置中的控制技术领域，特别涉及了三相三电平vienna整流器的控制方法。

背景技术：

近年来，为了减小系统的体积重量，提高运行效率，电力电子设备代替机械设备，被广泛应用于电动汽车、电气化铁路、多电/全电飞机等大型电气化交通领域。而三相整流器作为其中的电能变换装置，能将变频交流电转化为直流电，满足了大部分设备的用电需求。因此，三相整流器是交流供电系统的重要组成部分，研究高效率、高功率密度和高可靠性的三相整流器是交流供电系统安全稳定运行的保障，也是大型电气化交通领域持续发展的动力。

相比于传统的三相整流器，三相三电平vienna整流器具有以下优势：

(1)功率开关器件个数少，结构简单；同时由于三电平原因，功率器件所需承受的反向压降减半，开关损耗降低，从而提高了效率，并扩大器件采购的选择性，大大降低应用成本；

(2)三相vienna整流器可高频工作，有利于减小电感的体积重量，提高系统功率密度；

(3)三相vienna整流器结构的功率因数高，输入电流谐波成分少，不会对三相供电系统造成大量的谐波污染，有利于提高系统的稳定性和可靠性。因此，三相三电平vienna整流器是整流环节最好的拓扑选择，对其进行深入研究顺应交流供电系统的发展方向。

交流供电系统必须稳定可靠，即使在突发故障情况下仍要求不间断供电，而常用的冗余备份有主从备份、民主均流、对等控制等方法，但它们都需要软、硬件结合，实现相对复杂。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提出了一种用于三相三电平vienna整流器的主从备份方法，在主机发生故障时，保证对后级系统的不间断供电，提高了系统的故障应对能力，增强其灵活性和可靠性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种用于三相三电平vienna整流器的主从备份方法，两台三相三电平vienna整流器分别作为主机和从机，同时接入电网，且主机和从机各自设有对应的控制电路和驱动电路；主机的输出端设置第一二极管和第二二极管，从机的输出端设置第三二极管和第四二极管，第一二极管的阳极连接主机的正输出端，第二二极管的阴极连接主机的负输出端，第三二极管的阳极连接从机的正输出端，第四二极管的阴极连接从机的负输出端，第一二极管的阴极第三二极管的阴极，第二二极管的阳极连接第四二极管的阳极；设系统母线电压的额定值为uo，设置主机的输出直流电压uo1＝uo+δu，其中δu为主机的输出电压设定值与系统母线电压额定值的差值，从机的输出直流电压uo1＝uo-δu；通过第一～第四二极管的导通和反向截止以及控制电路通过驱动电路对主、从机的控制，实现两台三相三电平vienna整流器主从备份功能。

基于上述技术方案的优选方案，两台三相三电平vienna整流器主从备份的实现方式包括以下两种：

方式1：在正常工作时，设置主机闭环运行，从机仅控制电路正常工作，从机的驱动关闭，从机以三相不控整流方式运行，即仅主机给负载供电，从机冷备份运行；

方式2：在正常工作时，设置主、从机均闭环运行，此时仅主机给负载供电，从机热备份运行；

定义从机控制电路正常工作而驱动关闭为冷备份，而从机闭环运行为热备份。

基于上述技术方案的优选方案，方式1的具体过程如下：

当主、从机都正常工作时，主机闭环运行，其输出直流电压为uo1，从机关闭驱动电路以三相不控整流方式运行，因此第一二极管和第二二极管导通，第三二极管和第四二极管反向截止，即系统母线电压等于uo1，此时主机给负载供电，从机冷备份运行；当主机异常退出时，其输出直流电压uo1快速下降，即系统母线电压下降，待系统母线电压降至从机冷备份输出直流电压值时，从机开启驱动闭环运行，此时其输出直流电压为uo2，因此第一二极管和第二二极管反向截止，第三二极管和第四二极管导通，即系统母线电压等于uo2，从机给负载供电；当主机修复完成并重新接入系统时，由于其输出直流电压uo1>uo2，第一二极管和第二二极管再次导通，第三二极管和第四二极管反向截止，此时系统母线电压等于uo1，从机检测到系统母线电压由uo2转换至uo1这一变化过程，关闭从机驱动电路以三相不控整流方式运行，此时主机重新给负载供电，从机冷备份运行，进入常规运行状态。

基于上述技术方案的优选方案，方式2的具体过程如下：

当主、从机都正常工作时，主、从机均闭环运行，其输出直流电压分别为uo1和uo2，由于uo1＝uo2+2δu，故第一二极管和第二二极管导通，第三二极管和第四二极管反向截止，此时系统母线电压等于uo1，主机给负载供电，从机热备份运行；当主机异常退出时，其输出直流电压uo1快速下降，当降到低于uo2时，第一二极管和第二二极管反向截止，第三二极管和第四二极管导通，此时系统母线电压等于uo2，从机自动给负载供电；当主机修复完成并重新接入系统，其输出直流电压uo1>uo2，第一二极管和第二二极管再次导通，第三二极管和第四二极管反向截止，此时系统母线电压由uo2升高到uo1，主机重新给负载供电，从机热备份运行，进入常规运行状态。

基于上述技术方案的优选方案，所述三相三电平vienna整流器为三相三开关三电平vienna整流器或者三相六开关三电平vienna整流器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明中两台vienna整流器并联运行，外接四个二极管，通过二极管四个二极管的导通和反向截止以及控制电路对驱动的控制来实现三相vienna整流器的主从备份功能，在主机发生故障时，由从机为后级系统不间断供电，且可在不切断三相供电电源情况下对主、从机随时进行更换，提高了系统的故障应对能力，增强其灵活性和可靠性；

(2)本发明不仅可以使用常规的软、硬件结合方法，还可使用单硬件结构方式实现主从备份功能，使得本发明适用场合更加广泛。

附图说明

图1是三相三电平vienna整流器示意图；

图2是本发明两台三相三电平vienna整流器并联运行示意图；

图3-4是本发明实现主从备份功能的流程图；

图5-8是实施例中的vienna整流器主机异常退出时，主机三相输入电流波形i1、从机三相输入电流波形i2、冷备份时的系统母线电压uo仿真波形和热备份时的系统母线电压uo仿真波形图；

图9-11是实施例中的vienna整流器主机重新接入系统后，主机三相输入电流波形i1、备份机三相输入电流波形i2以及系统母线电压uo的仿真波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示为本发明适用的三相三电平vienna整流器示意图，其中ua、ub、uc为三相交流输入电压，la、lb、lc为三相输入滤波电感，cf1、cf2为直流侧上、下母线电容，uo为母线电压，rl为负载电阻。dap、dbp、dcp、dan、dbn、dcn分别为各相桥臂正、负向续流二极管。sa、sb、sc分别为a、b、c三相桥臂开关管，如图1右侧所示，三相三电平vienna整流器可以是三相三开关三电平vienna整流器，也可以是三相六开关三电平vienna整流器。

图2所示为本发明适用的两台三相三电平vienna整流器并联运行示意图，两台三相vienna整流器(主机、从机各一台)同时接入电网，假设系统母线电压额定值为uo，则设置主机的输出直流电压为uo1＝uo+△u(△u为主机的输出电压设定值与系统母线电压额定值的差值，如△u＝5v)，从机的输出直流电压为uo2＝uo-△u，主、从机的直流输出端分别通过二极管d1、d2和d3、d4并联。

两台三相三电平vienna整流器主从备份的实现方式包括以下两种：

方式1：采用软、硬件结合的控制方式实现主从备份，在正常工作时，设置主机闭环运行，从机仅控制电路正常工作，从机的驱动关闭，从机以三相不控整流方式运行，即仅主机给负载供电，从机冷备份运行。

方式2：采用单硬件结构控制方式，在正常工作时，设置主、从机均闭环运行，此时仅主机给负载供电，从机热备份运行。

图3是主从备份功能实现方式1的流程图，过程如下：

当主、从机都正常时，主机闭环运行，其输出直流电压为uo1，从机关驱动以三相不控整流方式运行，因此二极管d1、d2导通，d3、d4反向截止，即系统母线电压等于uo1，此时主机给负载供电，从机冷备份运行；当主机异常退出时，其输出直流电压uo1快速下降，即系统母线电压下降，待系统母线电压降至从机冷备份输出直流电压值时，从机开驱动闭环运行，此时其输出直流电压为uo2，因此二极管d1、d2反向截止，d3、d4导通，即系统母线电压等于uo2，从机给负载供电；当主机修复完成并重新接入系统时，由于其输出直流电压uo1>uo2，二极管d1、d2再次导通，d3、d4反向截止，此时系统母线电压为uo1，从机检测到系统母线电压由uo2->uo1这一变化过程，关闭驱动以三相不控整流方式运行，此时主机重新给负载供电，从机冷备份运行，进入常规运行状态。

图4是主从备份功能实现途径二的流程图，过程如下：

当主、从机都正常时，主、从机均开驱动闭环运行，其输出直流电压分别为uo1和uo2，由于uo1＝uo2+2△u，故二极管d1、d2导通，d3、d4反向截止，此时系统母线电压uo＝uo1，主机给负载供电，从机热备份运行；当主机异常退出时，其输出直流电压uo1快速下降，降到低于uo2时，二极管d1、d2反向截止，d3、d4导通，此时系统母线电压uo＝uo2，从机自动给负载供电；当主机修复完成并重新接入系统，其输出直流电压uo1>uo2，二极管d1、d2再次导通，d3、d4反向截止，此时系统母线电压由uo2升高到uo1，主机重新给负载供电，从机热备份运行，进入常规运行状态。

在matlab/simulink软件环境下，本发明搭建了两台三相三电平vienna整流器并联运行的仿真模型并对波形进行了分析。采用的仿真参数如下：三相输入相电压为220v，基波频率为50hz，系统母线电压额定值为640v，主机输出直流电压为645v，备份机输出直流电压为635v，输出功率为1kw，开关频率为54khz。

图5-8依次为本实施例中的vienna整流器主机异常退出时，主机三相输入电流波形i1、从机三相输入电流波形i2、冷备份时的系统母线电压uo仿真波形和热备份时的系统母线电压uo仿真波形。从图中可以看出：主机和从机都正常时，主机给负载供电，系统母线电压uo为645v。当主机异常退出时，从机给负载供电，系统母线电压uo为635v。

图9-11依次为本实施例中的vienna整流器主机重新接入系统后，主机三相输入电流波形i1、备份机三相输入电流波形i2以及系统母线电压uo的仿真波形。从图中可以看出：当主机修复完成并重新接入系统后，主机重新给负载供电，进入常规运行状态，系统母线电压uo为645v。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。