CN105576642B - 监视功率系统功率变换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供了监视功率系统功率变换器的系统和方法。系统(100)包括多个并联耦合功率变换器(106)，功率变换器(106)包括功率变换器输入和功率变换器输出，功率变换器输出配置成耦合到负载(110)，所述多个并联耦合功率变换器的每个功率变换器包括功率变换器控制器(114)。功率变换器控制器配置成将对应功率变换器的输出电流和预确定的输出电流阈值进行比较，在输出电流低于预确定的输出电流阈值时在预确定的持续时间内监视输出电流，并且当在预确定的持续时间内输出电流低于预确定的输出电流阈值时关闭对应功率变换器。

Description

监视功率系统功率变换器的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是非临时申请并且要求2014年11月3日提交的“监视功率系统整流器的系统和方法”(SYSTEMS AND METHODS OF MONITORING A POWER SYSTEM RECTIFIER)的美国临时专利申请序列号62/074336的优先权，该临时申请据此通过引用全部并入。
背景技术
本发明的领域一般涉及功率系统，并且更具体地说，涉及监视功率系统功率变换器的系统和方法。
电信发电厂设计成最大化可靠性。系统控制器在此类发电厂中用于确保在执行维护任务前在任何时间点在用于负载的安装的整流器容量中的冗余性。系统控制器也均衡在给定系统中在每个整流器上的负载。安装的容量的准确度始终对于实现此类目的极其重要。至少一些已知整流器为此目的设计成检测并且向系统报告多种故障模式。然而，检测每个部分的每个故障模式是不可能或不经济的，特别是在用于开关功率装置的各种栅极驱动电路中的局部故障。例如，整流器中的开关可出故障并且表现在诸如欠电压的非永久性故障中。实际上，这是阻止合理的功率输送到负载的永久性故障。在无永久性故障检测的情况下，系统控制器可对此整流器计数以进行安装的容量计算，这可导致峰值充电和可能的熔断熔丝和/或降低的系统效率或可靠性。
发明内容
在一方面，提供了一种系统，系统包括多个并联耦合功率变换器，功率变换器包括功率变换器输入和功率变换器输出，功率变换器输出配置成耦合到负载，所述多个并联耦合功率变换器的每个功率变换器包括功率变换器控制器。功率变换器控制器配置成将对应功率变换器的输出电流和预确定的输出电流阈值进行比较，在输出电流低于预确定的输出电流阈值时在预确定的持续时间内监视输出电流，并且当在预确定的持续时间内输出电流低于预确定的输出电流阈值时关闭对应功率变换器。
在另一方面，提供了一种监视功率系统的方法。功率系统包括具有功率变换器输入和功率变换器输出的多个并联耦合功率变换器，功率变换器输出配置成耦合到负载。所述多个并联耦合功率变换器的每个功率变换器包括功率变换器控制器。方法包括：由对应功率变换器的功率变换器控制器将对应功率变换器的输出电流和预确定的输出电流阈值进行比较，在输出电流低于预确定的输出电流阈值时在预确定的持续时间内监视输出电流，并且当在预确定的持续时间内输出电流低于预确定的输出电流阈值时关闭对应功率变换器。
附图说明
图1是并联功率变换器DC功率系统的示范实施例的框图。
图2是图1中示出的DC功率系统中使用的两级功率变换器的示范实施例的框图。
图3是图2中示出的初级子系统的示范实施例的框图。
图4是图2中示出的次级子系统的示范实施例的框图。
具体实施方式
图1是并联DC功率变换器系统100的示范实施例的框图。在示范实施例中，系统100接收来自例如商业电力网的电源102的功率。AC配电系统104将功率分配到多个并联耦合的功率变换器106。功率变换器106配置成将功率变换到不同类型或等级。DC配电系统108收集功率变换器106的输出并且将它提供到负载110。
在示范实施例中，系统控制器112通信地耦合到功率变换器106和负载110。系统控制器112配置成监视负载110的负载电流需求。基于负载电流需求，系统控制器112确定每个功率变换器106要支持的负载电流的量，使得负载电流在每个功率变换器106之间均等分配。系统控制器112然后将负载电流指令传送到每个对应功率变换器106。负载电流指令表示每个功率变换器106的负载电流的量。
在示范实施例中，功率变换器106是配置成将来自AC配电系统104的AC功率变换成DC功率的AC-DC整流器。虽然在本文中描述为整流器，但功率变换器106可以是使并联DC功率变换器系统100能够如本文所述运转的任何类型的功率变换器，包括但不限于逆变器。每个功率变换器106包括配置成监视和控制功率变换器106的操作的功率变换器控制器114。例如，功率变换器控制器114接收来自系统控制器112的负载电流指令并且操作功率变换器106以输出该负载电流。功率变换器控制器114监视功率变换器106以确保它输出所述负载电流。如果功率变换器控制器114认识到功率变换器106不输出要求的负载电流或者不满足与要求的负载电流相关联的阈值，并且功率变换器106未认识到故障或失效，则功率变换器控制器114在预确定的时间期内监视输出电流。如果功率变换器106在预确定的时间期内未满足要求的负载电流，则功率变换器控制器114关闭功率变换器106。
系统控制器112配置成在预确定的时间间隔与每个功率变换器控制器114进行通信以执行在功率变换器106上的状态检查。当出故障的功率变换器106传递它已关闭时，系统控制器112使该功率变换器106从负载分担中退出运行，使得它不依赖该功率变换器106以提供一部分负载电流。系统控制器112然后重新计算剩余操作功率变换器106之间的负载电流指令。
图2是图1中示出的DC功率系统100中使用的两级功率变换器200的示范实施例的框图。在示范实施例中，两级功率变换器200包括初级子系统202和次级子系统204。初级子系统202配置成接收AC输入电压和电流，并且将它变换成DC电压。初级子系统202可以是升压电路或PFC电路或使初级子系统202能够如本文所述运转的任何其它电路。初级子系统202将DC电压输出到次级子系统204。次级子系统204将DC电压降压到负载110（图1中示出）需求的DC电压。次级子系统204可以是降压电路或升降压电路、LLC变换器、DC-DC变换器或使次级子系统204能够如本文所述运转的任何其它电路。
图3是初级子系统202（图2中示出）的示范实施例的框图。功率变换器控制器114接收来自系统控制器（图3中未示出）的负载电流需求并且将期望的输出电压和负载电流传递到初级子系统202。因此，初级子系统202知道在该时间点它应携带多少负载电流以及次级子系统204要求的输出电压。初级子系统202内的单点故障可导致与图1的实施例类似的故障模式，其中，在接近正常条件下，输出负载电流满足阈值，但在负载110增大时，初级子系统202将不能跟上负载电流或输出电压。在此情况下，功率变换器106声明故障并且将它自己关闭。当系统控制器112在预确定的时间间隔在每个功率变换器106上执行状态检查时，出故障的功率变换器106传递它已关闭。系统控制器112然后使该功率变换器106从负载分担中退出运行，使得它不依赖该功率变换器106提供一部分负载电流。系统控制器112然后重新计算剩余操作功率变换器106之间的负载电流指令。初级子系统202中的故障可导致峰值充电并且可能熔断熔丝，并且系统控制器112提供用于阻止此类事件。
图4是次级子系统204（图2中示出）的示范实施例的框图。如上所述，功率变换器控制器114接收来自系统控制器112的负载电流需求，并且将期望的输出电压和负载电流传递到次级子系统204。因此，次级子系统204知道在该时间点它应携带多少负载电流以及负载110要求的输出电压。
如果功率变换器控制器114认识到次级子系统204不输出要求的负载电流或者不满足与要求的负载电流相关联的阈值，并且次级子系统204未认识到故障或失效，则功率变换器控制器114在预确定的时间期内监视输出电流。如果次级子系统204在预确定的时间期内不满足要求的负载电流，则功率变换器控制器114关闭两级功率变换器200。
在预确定的时间间隔，系统112在每个功率变换器106上执行状态检查。当出故障的功率变换器106传递它已关闭时，系统控制器112使该功率变换器106从负载分担中退出运行，使得它不依赖该功率变换器106提供一部分负载电流。系统控制器112然后重新计算剩余操作功率变换器106之间的负载电流指令。
另外或备选地，次级子系统204可充当初级子系统202的控制器。在此类实施例中，功率变换器控制器114基于在次级子系统204上监视的输入电压和输出需求来监视初级子系统202的状态。例如，功率变换器控制器114知道在次级子系统204上需求的输出电流，并且基于需求的输出电流而具有要从初级子系统202接收的预期输出电压。当在预确定的持续时间内未从初级子系统202接收预期输入电压时，功率变换器控制器114确定初级子系统202有故障或失效，并且关闭功率变换器106。
当出故障的功率变换器106传递它已关闭时，系统控制器112使该功率变换器106从负载分担中退出运行，使得它不依赖该功率变换器106提供一部分负载电流。系统控制器112然后重新计算剩余操作功率变换器106之间的负载电流指令。
本文中所述方法和系统的示范技术效果包括至少以下之一：(a)由对应功率变换器的功率变换器控制器将对应功率变换器的输出电流和预确定的输出电流阈值进行比较；(b)在输出电流低于预确定的输出电流阈值时在预确定的持续时间内监视输出电流；(c)以及当在预确定的持续时间内输出电流低于预确定的输出电流阈值时关闭对应功率变换器。
上面详细描述了监视功率系统功率变换器的系统和方法的示范实施例。系统和方法不限于本文所述的特定实施例，而是相反，系统的组件和/或方法的操作可与本文所述的其它组件和/或操作独立、分离地利用。此外，所述组件和/或操作也可在其它系统、方法和/或装置中定义或与其组合使用，并且不限于仅通过本文中所述的系统实践。
除非另外说明，否则，在本文中所示和所述的本发明的实施例中的操作的执行或进行的顺序不是必需的。也就是说，除非另外说明，否则，操作可以任何顺序执行，并且本发明的实施例可包括与本文中公开的操作相比的附加操作或更少操作。例如，预期特定操作的执行或进行在另一操作之前、同时或之后是在本发明的方面的范围内。
虽然本发明的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出而未在其它附图中示出，但这只是为了方便。根据本发明的原理，可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护附图的任何特征。
此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的书面语言没有不同的结构元素，或者如果此类其它示例包括与权利要求的书面语言没有实质不同的等同结构元素，则它们意图在权利要求的范围内。
部件列表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。

Claims (10)

1.一种监视功率系统功率变换器的系统，包括：
多个并联耦合功率变换器(106)，所述功率变换器(106)包括功率变换器输入和功率变换器输出，所述功率变换器输出经配置以耦合到负载(110)，所述多个并联耦合功率变换器的每个功率变换器内部包括初级子系统(202)、次级子系统(204)和功率变换器控制器(114)；以及
系统控制器(112)，所述系统控制器(112)通信地耦合到所述每个功率变换器内的每个功率变换器控制器(114)，
其中所述功率变换器控制器(114)经配置以：
将对应功率变换器的输出电流和预确定的输出电流阈值进行比较；
在所述输出电流低于所述预确定的输出电流阈值时，在预确定的持续时间内监视所述输出电流；以及
当在所述预确定的持续时间内所述输出电流低于所述预确定的输出电流阈值时关闭所述对应功率变换器；并且
其中所述功率变换器控制器(114)还经配置以将出故障的功率变换器信号传送到所述系统控制器(112)，所述出故障的功率变换器信号指示所述对应功率变换器不能支持所述系统控制器所要求的负载电流的量。
2.如权利要求1所述的系统，所述系统控制器(112)还经配置以：
监视所述负载(110)的负载电流需求；
确定所述多个并联耦合功率变换器的每个功率变换器(106)要支持的所述负载电流的所述量，使得所述负载电流在所述每个功率变换器之间均等分配；以及
将负载电流指令传送到每个功率变换器控制器，所述负载电流指令表示所述每个功率变换器要支持的所述负载电流的所述量。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述系统控制器(112)还经配置以在预确定的时间间隔与所述每个功率变换器控制器(114)进行通信以执行在所述多个并联耦合功率变换器(106)上的状态检查。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述功率变换器控制器(114)还经配置以在所述功率变换器控制器已关闭所述对应功率变换器(106)时响应于所述状态检查，将所述出故障的功率变换器信号传送到所述系统控制器(112)。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述系统控制器(112)还经配置以：
使所述出故障的对应功率变换器(106)从所述多个并联耦合功率变换器退出运行；以及
重新计算所述多个并联耦合功率变换器的每个剩余功率变换器要支持的负载电流的所述量，使得所述负载电流在所述每个剩余功率变换器之间均等分配。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述初级子系统(202)经配置以将交流AC输入电压变换成直流DC电压；以及耦合到所述初级子系统的输出的次级子系统(204)经配置以将从所述初级子系统接收的所述DC电压变换成所述负载(110)需求的DC电压。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述功率变换器控制器(114)还经配置以传递期望的DC输出电压和负载(110)电流，以便所述初级子系统(202)基于从所述系统控制器(112)接收的所述负载电流指令生成。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述功率变换器控制器(114)还经配置以：
监视所述初级子系统(202)生成的所述DC输出电压和负载电流；
当在预确定的时间期内所述初级子系统生成的所述DC输出电压和所述负载电流之一低于初级子系统输出阈值时，关闭所述功率变换器(106)；
在所述功率变换器控制器已关闭所述功率变换器时，响应于在预确定的时间间隔执行的状态检查，将出故障的功率变换器信号传递到所述系统控制器(112)。
9.如权利要求6所述的系统，其中所述功率变换器控制器(114)还经配置以：
传递期望的DC输出电压和负载(110)电流，以便所述次级子系统(204)基于从所述系统控制器(112)接收的所述负载电流指令生成；
监视所述次级子系统生成的所述DC输出电压和负载电流；
当在预确定的时间期内所述次级子系统生成的所述DC输出电压和所述负载电流之一低于次级子系统输出阈值时，关闭所述功率变换器(106)；以及
在所述功率变换器控制器已关闭所述功率变换器时，响应于在预确定的时间间隔执行的状态检查，将出故障的功率变换器信号传递到所述系统控制器。
10.如权利要求6所述的系统，其中所述功率变换器控制器(114)还经配置以：
基于从所述系统控制器(112)接收的所述负载电流指令确定所述初级子系统(202)的预期DC输出电压；
监视在所述次级子系统(204)接收的所述初级子系统的所述DC输出电压；以及
当在预确定的持续时间内所述初级子系统的所述监视的DC输出电压低于所述预期DC输出电压时，关闭所述功率变换器(106)。
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