固态变压器的容错控制的制作方法

本发明涉及一种固态变压器(solid state transformer，sst)。本发明涉及提高sst的容错性。为此，本发明提供了一种操作sst的方法、包括sst和控制器的sst设备以及用于使控制器执行该方法的计算机程序。

背景技术：

1、sst是一种多电平转换器，通常用于高/中压(hvdc/mvdc)高功率电子应用，例如hvdc/mvdc电网、灵活交流输电系统(flexible ac transmission system，facts)电网、数据中心电力系统、高/中压驱动器、可再生能源或微电网。

2、sst是一种电力电子变压器，用于将高/中ac电压转换为低dc电压。sst通常由ac/dc功率级和dc/dc功率级组成。ac/dc功率级可以是三相级联多电平转换器。在这种拓扑中，三个相位支路中的每一个都有几个单元，每个单元连接到负载，每个相位支路连接到电网。

3、这种拓扑的问题在于，每个相位支路的任何单元在sst操作期间可能经历开路故障或短路故障。这种故障的发生可能会严重影响sst的正常运行。

4、特别是，当相位支路的单元在sst运行期间经历这种开路故障或短路故障时，sst必须停止，并在更换故障单元后重新启动才能正常运行。这将影响负载的正常供电，并可能造成经济损失。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提高sst的容错性。特别是，当在sst正常运行期间，相位支路的任何单元发生开路故障或短路故障时。目标是在检测到这种开路故障或短路故障时，保持sst的正常运行，而不立即停止sst的运行。另一个目标是最大限度降低故障单元的切换损耗，并在故障条件下保持故障单元中的dc电容器电压平衡。

2、这些和其它目的通过本发明的方案实现，如所附独立权利要求中所述。有利的实现方式在从属权利要求中进一步定义。

3、本发明的第一方面提供了一种操作sst的方法，其中，所述sst具有三个并联的相位支路，每个相位支路包括多个单元，并且每个相位支路通过至少一个开关连接到电网，其中，所述方法包括：在第一控制模式下操作所述sst，其中，所述三个相位支路中的每一个被单独控制；当所述sst的特定相位支路的至少一个单元发生开路故障或短路故障时，所述方法还包括：断开将所述特定相位支路连接到所述电网的所述至少一个开关；在第二控制模式下操作所述sst，其中，除所述特定相位支路之外的两个相位支路作为单个相位支路联合控制。

4、由于该方法能够在第二控制模式(可以称为容错控制模式)下操作sst，当发生开路故障或短路故障并被检测到时，不需要停止和重新启动sst。sst的正常运行可以通过断开包括故障单元的相位支路，并通过从第一控制模式(可以称为稳态控制模式或正常控制模式)切换到第二控制模式来保持。切换损耗较低。总体而言，通过第一方面的方法，可以显著提高sst的容错性。

5、在第一方面的一种实现方式中，在所述第一控制模式下，所述三个相位支路中的每一个基于以下中的至少一项控制：每个相位支路的单独电网电压；每个相位支路的单独电网电流。

6、因此，每个相位支路都是单独控制的。

7、在第一方面的一种实现方式中，在所述第二控制模式下，所述两个相位支路基于以下中的至少一项控制：所述两个相位支路中的两个的单个电网电压；所述两个相位支路中的两个的单个电网电流。

8、因此，除了特定相位支路之外的两个相位支路被联合控制。

9、在第一方面的一种实现方式中，在所述第二控制模式下，所述两个相位支路的所述单元以串联连接操作。

10、因此，这两个相位支路作为单个相位支路联合操作，其具有与两个单独相位支路一起相同数量的单元。例如，如果每个相位支路具有相同数量的n个单元，则单个相位支路具有2n个单元。

11、在第一方面的一种实现方式中，所述方法还包括在所述第二控制模式下：基于不连续脉冲宽度调制(discontinuous pulse width modulation，dpwm)电压，调整所述两个相位支路的所述单元的参考电压。

12、这可以减少甚至最大限度降低切换损耗。此外，这可以在sst故障条件下保持电容器电压平衡。

13、在第一方面的一种实现方式中，所述方法还包括在所述第二控制模式下：将dpwm电压分别添加到所述两个相位支路的每个单元的参考电压或从所述两个相位支路的每个单元的参考电压减去dpwm电压，其中，从所述两个相位支路的一个单元的所述参考电压减去所述dpwm电压，以在箝位模式下操作所述单元，并且将所述dpwm电压添加到所述两个相位支路的其它单元的所述参考电压中的每一个，以在非箝位模式下操作这些其它单元。

14、这使得总参考电压保持不变。

15、在第一方面的一种实现方式中，所述两个相位支路的所述单元在所述箝位模式和所述非箝位模式下交替操作。

16、这可以使两个相位支路的所有单元的dc电压保持平衡。

17、在第一方面的一种实现方式中，在所述箝位模式下操作的单元的dc电压增大。

18、在第一方面的一种实现方式中，所述方法还包括：将所述两个相位支路中的所有单元的dc电压排序一次或多次，以确定具有最低dc电压的单元；在所述箝位模式下操作确定具有所述最低dc电压的所述单元。

19、本发明的第二方面提供了一种sst设备，包括：sst，具有三个并联的相位支路，每个相位支路包括多个单元，每个相位支路可通过至少一个开关连接到电网；控制器，用于：在第一控制模式下操作所述sst，其中，所述三个相位支路中的每一个被单独控制；当特定相位支路的至少一个单元发生开路故障或短路故障时，所述控制器还用于：断开将所述特定相位支路连接到所述电网的所述至少一个开关；在第二控制模式下操作所述sst，其中，除所述特定相位支路之外的两个相位支路作为单个相位支路联合控制。

20、由于控制器和可以由控制器实现以操作sst的第二控制模式，第二方面的sst设备实现了与第一方面的方法所描述的相同的优点。即，实现了对sst的容错性更高的控制。

21、在第二方面的一种实现方式中，在所述第二控制模式下，所述控制器还用于：基于不连续脉冲宽度调制(discontinuous pulse width modulation，dpwm)电压，调整所述两个相位支路的所述单元的参考电压。

22、在第二方面的一种实现方式中，所述控制器包括dpwm单元和dc电压控制单元，其中，在所述第二控制模式下，所述dpwm单元用于提供所述dpwm电压，其中，从所述两个相位支路的一个单元的所述参考电压减去所述dpwm电压，以在箝位模式下操作所述单元，并且将所述dpwm电压添加到所述两个相位支路的其它单元的所述参考电压，以在非箝位模式下操作这些其它单元；所述dc电压控制单元用于对所述两个相位支路中的所有单元的dc电压进行一次或多次排序，确定具有最低dc电压的单元，并在所述箝位模式下操作确定具有所述最低直流电压的所述单元。

23、在第二方面的一种实现方式中，所述控制器用于：在所述第一控制模式下，基于每个相位支路的单独电网电压和/或每个相位支路的单独电网电流，控制所述三个相位支路中的每一个；和/或在所述第二控制模式下，基于所述两个相位支路中的两个的单个电网电压和/或所述两个相位支路中的两个的单个电网电流来控制所述两个相位支路。

24、在第二方面的一种实现方式中，所述sst的每个相位支路包括：单元阵列，包括串联连接的所述相位支路的多个单元；所述至少一个开关，串联连接在所述单元阵列与用于将所述sst的所述相位支路连接到所述电网的连接端口之间。

25、在第二方面的一种实现方式中，所述至少一个开关通过电感器和/或电阻器连接到所述单元阵列。

26、在第二方面的一种实现方式中，每个单元包括连接到电容器的可切换电力电子器件；电容器连接到负载，以便向所述负载供电。

27、本发明的第三方面提供了一种计算机程序，包括指令，当所述程序由计算机或控制器执行时，所述指令使所述计算机或控制器执行根据第一方面或其任何实现方式所述的方法。

28、控制器特别可以是sst设备的控制器，用于控制该sst设备的sst。例如，它可以是第二方面或其任何实现方式的sst设备的控制器。

29、需要说明的是，本技术中所述的所有设备、元件、单元和模块都可以在软件或硬件元件或其任何种类的组合中实现。本技术中描述的各种实体执行的所有步骤以及所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明相应的实体适于或用于执行相应的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行该特定步骤或功能的该实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚，这些方法和功能可以在相应的硬件或软件元件或其任何组合中实现。