CN107124096B - 一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法。该系统采用N个功率变换单元和1个冗余备用单元，N+1个单元输入串联、输出并联，其中冗余备用单元的H桥变换器通过输入旁路接触器、或者开通一对上开关管、或下开关管对整个冗余备用单元进行旁路，冗余备用单元的DC/DC变换器工作在功率反向的模式下，给H桥变换器的输出侧直流支撑电容充电维持电压稳定。本发明的故障切除方法包括三部分：对故障单元的隔离、对冗余备用单元H桥变换器控制切换与对冗余备用单元DC/DC变换器控制切换。本发明能有效提高DC/DC变换器的稳定性与可靠性，降低故障切换过程中电气冲击，简化故障切除操作复杂度，实现电力电子变压器安全可靠的故障冗余保护。

Description

一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法
技术领域
本发明涉及牵引传动系统领域和电力系统领域，具体说是一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法。
背景技术
牵引传动系统是高速动车组的牵引动力系统和辅助供电系统的能量来源，是高速动车组核心系统之一，其需要采用工频变压器将高压交流电转换成低压电从而获取电能。在电力系统领域，同样需要工频变压器将高压输送的电能转换成低压电从而供给用户使用。然而，工频变压器体积重量大、效率低、功率密度低，增加了能运行耗和维护成本，同时功率因数、输出电压均不可控，容易带来电网的谐波污染和无功污染。
为了改变工频变压器带来的各种问题，电力电子变压器应运而生。电力电子变压器通过电力电子技术，将工频交流电转换为中/高频变压器，同时采用中/高频变压器进行电能传输，代替了传统的工频变压器，从而实现减小重量体积、提高效率等优点。
电力电子变压器主要结构是通过AC/DC(交流/直流)变换器将高压交流电转换成多单元直流电，然后经过多个多单元中/高频隔离型DC/DC(直流/直流)变换器实现电气隔离和能量传递，在其并联输出侧得到直流电，然后供给牵引电机或者逆变产生低压交流电。由于电力电子变压器是一种多单元级联的拓扑结构，任何一个单元发生了故障就会影响整个电力电子变压器稳定运行，这就要求电力电子变压器需要完整的冗余方案保证其工作的可靠性。目前针对多单元结构的冗余方案有两种，一种是将所有单元投入正常工作，故障时将故障单元进行切除，同时将故障单元的功率平均给剩余工作单元；另一种方案是将一个或几个单元作为备用冗余单元，正常电力电子变压器正常运行时冗余单元不参与工作，在一个单元发生故障时，冗余单元代替故障单元进行工作，故障单元退出运行，各单元传输功率不发生变化。第一种方案由于改变了运行单元数，在故障切除过程中会产生电压与电流冲击，同时需要对控制系统有非常高的要求；第二种方案相比第一种方案控制简单，电压电流冲击小，但是在电力电子变压器运行时，会将冗余单元输入AC/DC侧进行旁路，导致中间直流侧电压失电，使得冗余单元无法快速重新投入工作。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于针对电力电子变压器第二种方案中因中间直流侧失电等因素制约无法有效实现快速、简单的电力电子变压器的故障冗余保护，提出一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种电力电子变压器的故障冗余保护系统，包括N个功率变换单元与一个冗余备用单元，所述功率变换单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，所述冗余备用单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器；
所述N+1个单元的输入端串联连接，输出端并联连接；
所述N+1个H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；每个DC/DC变换器的输入端与相应的H桥变换器的输出端连接，所述N+1个DC/DC变换器的输出端并联连接。
在上述方案的基础上，所述第一个功率变换单元的H桥变换器的输入端口P1通过电感、分离接触器8和受电弓与接触网连接；所述分离接触器8与闭合输入接触器6和预充电电阻7的串联支路并联；所述冗余备用单元的H桥变换器的输入端口QN+1与钢轨连接。
在上述方案的基础上，所述每个DC/DC变换器的输入端连接有输入支撑电容Cdci，输出端连接有输出支撑电容Coi；所述输入支撑电容Cdci为H桥变换器的输出滤波电容；i＝1,2,…,N+1。
在上述方案的基础上，所述冗余备用单元输入端串联端口采用H桥变换器的一对上管IGBT1 1、上管IGBT2 2或者一对下管IGBT3 3、下管IGBT4 4或输入侧的旁路接触器5进行旁路，所述冗余备用单元的H桥变换器不工作，不进行正向功率传输。
一种电力电子变压器的故障切除方法，应用上述电力电子变压器的故障冗余保护系统，包括以下步骤：
步骤1：当电力电子变压器第i个单元发生故障时，故障单元i通过冗余备用单元输入侧的旁路接触器5或H桥变换器的一对上管IGBT1 1、上管IGBT2 2或者一对下管IGBT3 3、下管IGBT4 4进行旁路，并封锁其余IGBT的控制脉冲，故障单元i的H桥变换器和DC/DC变换器停止工作；
步骤2：在对冗余备用单元的H桥变换器控制切换时，将故障单元i的中间直流侧采样电压值vdci替换为冗余备用单元的中间直流侧采样电压值vdcN+1，将故障单元i的H桥变换器控制电压信号vcontroli直接发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对控制电压信号进行调制；
步骤3：在对冗余备用单元的DC/DC变换器控制切换时，将冗余备用单元的控制对象从中间直流侧电压vdcN+1变为输出电压v0，将输出电压v0作为控制对象，在故障单元i进行切换时，将故障单元i的DC/DC变换器移相值发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对移相值进行调制。
在上述方案的基础上，故障单元i的切除与冗余备用单元投入运行的动作在调制过程中的载波最低点进行，以平滑的进行两个单元之间的过渡。
本发明的有益效果：
1、在本发明中，保证冗余备用单元的中间直流侧有稳定的电压，从而实现了冗余备用单元的快速投入工作运行，节约了故障切除时间，保证了系统的正常工作；
2、本发明中对故障冗余的控制进行了大大的简化，故障切除过程中的采样、控制和脉冲调制环节都易于实现，并且快速而平滑，切换过程中不存在电压与电流冲击；
3、本发明具有模块化结构，灵活性较高，可以分别根据不同指标(器件发展情况、经济性和可靠性等)选择各变换环节的单元数，故障冗余保护系统的拓展性非常高。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是本发明的电力电子变压器故障冗余保护系统示意图；
图2是现有技术的一种典型的电力电子牵引变压器H桥变换器控制框图；
图3是现有技术的一种典型的电力电子牵引变压器DC/DC变换器控制框图；
图4是本发明的系统正常工作模式下的冗余备用单元的DC/DC变换器控制框图；
图5是本发明的H桥变换器故障切除操作示意图；
图6是本发明的DC/DC变换器故障切除操作示意图；
图中，1—上管IGBT1，2—上管IGBT2，3—下管IGBT3，4—下管IGBT4，5—旁路接触器，6—闭合输入接触器，7—预充电电阻，8—分离接触器。
图1中粗实线代表功率正向流动方向，细实线代表反相功率流动方向。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是电力电子变压器故障冗余保护系统的示意图，该电力电子牵引变压器由N个输入串联、输出并联的功率变换单元组成，每个功率变换单元由一个H桥变换器和一个DC/DC变换器组成。所述电力电子变压器故障冗余保护系统，包括N个功率变换单元与1个冗余备用单元，每个单元都包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，冗余备用单元的电路结构与功率变换单元相同；前N个单元为功率变换单元，第N+1个单元为冗余备用单元。所述N+1个功率单元的输入端相互串联，输出端相互并联；冗余备用单元输入端串联端口采用H桥变换器的一对上管IGBT1 1、上管IGBT2 2或者一对下管IGBT3 3、下管IGBT4 4或输入侧的旁路接触器5进行旁路，冗余备用单元被旁路，其H桥变换器不工作，不进行正向功率传输。
闭合输入接触器6，输入高压交流电对电力电子变压器的中间直流侧进行预充电，预充电电阻7进行限流保护，等中间直流侧电压稳定后，通过分离接触器8切除预充电电阻7，等待电压再次稳定，此时正常工作单元的中间直流侧存在电压，冗余备用单元的中间直流侧电压为零。
N个功率变换单元的H桥变换器工作，中间直流侧电压进一步升高，控制目标为H桥变换器的输出直流电压vdc1，vdc2…vdcN的总输出电压为等待中间直流侧重新稳定后，N个功率变换单元的DC/DC变换单元开始工作，输出电压从零开始升高，最终稳定在额定工作电压，控制目标为输出电压v0，启动冗余备用单元的DC/DC变换器工作，功率反相从输出侧流动到中间直流侧，冗余备用单元的中间直流侧电压开始升高，最终达到并稳定在和正常单元相同的电压，冗余备用单元的DC/DC变换器的控制目标不再是输出电压vo，而是冗余备用单元的中间直流侧电压vdcN+1。
图2是一种典型的电力电子牵引变压器H桥变换器控制框图。计算N级级联H桥变换器的输出直流电压vdc1，vdc2…vdcN的总输出电压为将总输出电压与总参考电压Nvdc_ref进行比较，将比较结果通过控制器调节得到参考电流幅值，同时将输入电压vg通过锁相环进行处理，得到输入电压相位信息，并参考电流幅值，得到与输入电压vg同相位的参考电流ig,ref；将输入电流ig与参考电流ig,ref进行比较，将比较结果经控制器调节后，与输入电压vg相减，得到H桥变换器的总PWM电压参考值vconv_ref，总PWM电压参考值vconv_ref除以N得到平均PWM电压参考值vconv_ref/N；计算总输出电压的平均值，得到平均电压并作为各H桥变换器的参考指令，将各个H桥变换器的输出直流电压分别与平均电压相减，相减后的结果经均压控制器调节后与平均PWM电压参考值Vconv_ref/N相乘，相乘得到的结果再与平均PWM电压参考值Vconv_ref/N相加，最后分别除以各级H桥变换器的输出直流电压vdc1，vdc2…vdcN，得到各个H桥变换器用于实现电压平衡控制的调制波vcontrolx(x＝1,2,…,N)。该H桥变换器控制器输入是vdcx，输出是vcontrolx(x＝1,2,…,N)。如果需要在故障前后改变工作单元数，则整个H桥变换器的内部参数需要发生改变，需要重新对参数进行调整，这会增加H桥变换器设计的复杂度。
图3是一种典型的电力电子牵引变压器DC/DC变换器控制框图。将输出电压vo与输出参考电压vo_ref进行比较，将比较结果通过控制器调节得到各单元移向值发送给各单元进行调制。如果需要在故障前后改变工作单元数，则整个DC/DC变换器的内部参数需要发生改变，需要重新对参数进行调整，这会增加DC/DC变换器设计的复杂度。
图4是本发明的系统正常工作模式下的冗余备用单元的DC/DC变换器控制框图。由于功率反相从输出侧流动到中间直流侧，所以冗余备用单元的DC/DC变换器的目标不再是输出电压vo，而是冗余备用单元的中间直流侧电压vdcN+1。将冗余备用单元的中间直流侧电压vdcN+1与输出参考电压vo_ref进行比较，由于功率反向传输，所以要将比较结果乘以-1，然后通过DC/DC变换器得到冗余备用单元的输出控制移向角
图5是本发明的H桥变换器故障切除操作示意图。将故障单元i的中间直流侧采样电压值vdci替换为冗余备用单元的中间直流侧采样电压值vdcN+1，将故障单元i的H桥变换器控制电压信号vcontroli直接发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对控制电压信号进行调制。
图6是本发明的DC/DC变换器故障切除操作示意图。被控对象需要发生变化，冗余备用单元本来使用中间直流侧电压vdcN+1作为控制对象，现在需要将输出电压vo作为控制对象。DC/DC变换器正常运行时统一发送移相值进行调制，在发生故障单元i进行切换时，将故障单元i的DC/DC变换器移相值发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对移相值进行调制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种电力电子变压器的故障切除方法，应用电力电子变压器的故障冗余保护系统，系统包括：N个功率变换单元与一个冗余备用单元，所述功率变换单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，所述冗余备用单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器；所述N+1个单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N+1个H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；每个DC/DC变换器的输入端与相应的H桥变换器的输出端连接，所述N+1个DC/DC变换器的输出端并联连接；
所述第一个功率变换单元的H桥变换器的输入端口P1通过电感、分离接触器(8)和受电弓与接触网连接；所述分离接触器(8)与闭合输入接触器(6)和预充电电阻(7)的串联支路并联；所述冗余备用单元的H桥变换器的输入端口QN+1与钢轨连接；
所述每个DC/DC变换器的输入端连接有输入支撑电容Cdci，输出端连接有输出支撑电容Coi；所述输入支撑电容Cdci为H桥变换器的输出滤波电容；i＝1,2,…,N+1；
所述冗余备用单元输入端串联端口采用H桥变换器的一对上管IGBT1(1)、上管IGBT2(2)或者一对下管IGBT3(3)、下管IGBT4(4)或输入侧的旁路接触器(5)进行旁路，所述冗余备用单元的H桥变换器不工作，不进行正向功率传输；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：当电力电子变压器第i个单元发生故障时，故障单元i通过冗余备用单元输入侧的旁路接触器(5)或H桥变换器的一对上管IGBT1(1)、上管IGBT2(2)或者一对下管IGBT3(3)、下管IGBT4(4)进行旁路，并封锁其余IGBT的控制脉冲，故障单元i的H桥变换器和DC/DC变换器停止工作；
步骤2：在对冗余备用单元的H桥变换器控制切换时，将故障单元i的中间直流侧采样电压值vdci替换为冗余备用单元的中间直流侧采样电压值vdcN+1，将故障单元i的H桥变换器控制电压信号vcontroli直接发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对控制电压信号进行调制；
步骤3：在对冗余备用单元的DC/DC变换器控制切换时，将冗余备用单元的控制对象从中间直流侧电压vdcN+1变为输出电压v0，将输出电压v0作为控制对象，在故障单元i进行切换时，将故障单元i的DC/DC变换器移相值发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对移相值进行调制。
2.如权利要求1所述的电力电子变压器的故障切除方法，其特征在于，所述故障单元i的切除与冗余备用单元投入运行的动作在调制过程中的载波最低点进行，以平滑的进行两个单元之间的过渡。
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