CN111934559A - 一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法 - Google Patents

一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法，属于电力电子变压器控制技术领域。其技术方案包括实时检测及比较各CHB模块输出电压、DC‑DC模块变压器副边的电压以及直流母线电压，如果前者大于额定值的1.2倍且后者绝对值小于直流母线电压的0.8倍，认为DC‑DC前级发生开路故障；同时通过在器件前级串联电阻上的电压判断器件是否发生短路故障。当判断出DC‑DC模块器件发生开路故障或者短路故障时，通过合理改变电力电子变压器传输的有功功率指令及各DC‑DC模块运行状态来提高设备对DC‑DC模块器件开路及短路故障的容错能力。本发明应用于电力电子变压器可靠运行方面，解决容错问题，具有提高容错能力，提升设备可靠性效果。

Description

一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变压器控制技术领域，尤其涉及一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法。
背景技术
一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法主要应用于新型的电力电子变压器控制方案。相比传统电力变压器，电力电子变压器不仅能实现电压等级变换、电气隔离和能量传递等功能，还能实现潮流控制、电能质量控制等额外功能。包含谐振式DAB的电力电子变压器具有较高的运行效率及良好的动态性能，但是其容错能力远低于大多数闭环DC/DC变换器。在电力电子变压器运行中会由于开关器件失效引起器件故障，包含开路或者短路故障。
传统的容错方案通过增加冗余开关旁路故障模块实现容错，该方案需额外增加硬件，且可冗余的数目受限，会增加系统的成本及体积，降低系统运行可靠性。
发明内容
本发明针对上述缺陷及需求，提供了一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法，在保持DC-DC级开环控制较高的运行效率、快速的动态响应下，可很好的提升设备的可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
1、一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法，所述的方法包括如下步骤：
(1)电力电子变压器前级每相采用N个H桥级联的模式来实现AC-DC变换，每个H桥的输出连接一个谐振式双有源桥实现DC-DC变换，3N个双有源桥输出并联后接逆变器实现DC-AC变换；其中AC-DC环节采用双闭环矢量控制实现对有功功率及无功功率的闭环控制；中间DC-DC环节采用开环定频控制；后级DC-AC 环节采用双闭环矢量控制以实现对直流母线电压及无功功率的闭环控制；
(2)检测各前级H桥模块的输出电压、DC-DC环节的输出电压及直流母线电压，判断是否前者大于额定值的1.2倍且同时后者小于直流母线电压的0.8 倍；是则认为该模块前级发生器件开路故障，记录发生故障的DC-DC模块的编号及其数量n1，并顺序执行步骤(3)，且继续检测并比较前级H桥模块的输出电压、各模块DC-DC环节的输出电压及直流母线电压；否则执行步骤(4)；
(3)根据统计的发生器件断路故障的DC-DC模块的数量n1，修改传输的有功功率指令，仍采用步骤(1)中的双闭环矢量控制来实现对传输有功功率及无功功率的控制；正常模块的DC-DC环节采用开环定频控制，故障模块工作于拓扑重组的模式；后级DC-AC环节仍采用步骤(1)中相应的双闭环矢量控制来实现直流母线电压和无功功率的闭环控制；
(4)根据IGBT开关前级串联电阻的电压来判断器件是否发生短路故障，若发生记录发生故障的DC-DC模块的编号及其数量n2，并顺序执行步骤(5)；否者执行步骤(1)；
(5)根据统计的发生器件短路故障的DC-DC模块的数量n2，修改传输的有功功率指令，仍采用步骤(1)中的双闭环矢量控制来实现对传输有功功率及无功功率的控制；正常模块的DC-DC环节采用开环定频控制，故障模块工作于拓扑重组模式；后级DC-AC环节仍采用步骤(1)中相应的双闭环矢量控制来实现直流母线电压和无功功率的闭环控制；
进一步地，所述步骤(1)中，AC-DC环节双闭环控制具体包含：实时检测三相电网电压、三相电流；对三相电压进行软件锁相得到A相电网电压的实时相位；对三相电压及三相电流分别经过Clark变换及Park变换后得到三相电压及电流的d轴(有功)及q轴(无功)分量；将计算出的有功功率及无功功率与各自指令进行做差后经过PI后得到有功及无功电流的指令，将上述指令与计算出的电流的有功及无功分量做差后经PI运算并分别与三相电压的d、q轴分量相加后，得到相应的dq轴下电压指令分量；再经过Park反变换及Clark反变换后得到三相电压输出指令ua1ref、ub1ref及uc1ref；最后上述指令除以N 后，并与N个角度依次相差pi/N的高频三角载波经过单极倍频调制后得到H桥中的开关信号；DC-DC环节的开环定频控制为前级H桥采用开关占空比为50％的驱动信号，其中上下管开关信号满足互补关系，交叉管的驱动信号相同，后级四个IGBT管子处于闭锁状态；DC-AC环节的双闭环控制的方法与AC-DC环节的方法相比，有功电流指令是通过将直流电压指令与直流电压做差后经过PI运算得到，其余方法相同。
进一步地，所述步骤(5)中，传输的有功功率指令为：
Pref＝[1-n1/(6N)]Pref0，
其中，n1为发生断路故障的DC-DC的模块个数，Pref0为额定有功功率指令；
进一步地，所述步骤(3)中，发生故障的DC-DC模块的拓扑重组模式，是指前级H桥依旧工作于开环定频模式，后级H桥的一个桥臂的管子处于开路状态，其余四个管子处于闭锁状态；
进一步地，所述步骤(3)中，传输的有功功率指令为：
Pref＝[1-(n1+n2)/(6N)]Pref0，
其中，n1为发生器件断路故障的DC-DC的模块个数，n2为发生器件开路故障的DC-DC模块个数；Pref0为额定有功功率指令；
进一步地，所述步骤(5)中，发生故障的DC-DC模块的拓扑重组模式，是指如果故障管子位于前级，封锁与之同桥臂的开关管，其余两个管子的驱动信号仍为占空比为50％的互补信号，且后级H桥一个管子闭合，其余三个管子均闭锁；否者，后级四个管子依旧保持闭锁，前级四个开关管一个处于封锁状态，其余的仍工作于正常运行模式。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：在检测出发生故障的 DC-DC模块后，能通过对DC-DC模块相应开关管的控制实现拓扑重构，进而实现容错运行；相比传统的基于冗余模块的方案，可以不显著增加设备成本以及体积的情况下实现容错运行。
本发明提供的一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法，可应用于电力电子变压器控制技术领域，具有增加系统容错能力的优点。
(1)由于采用拓扑重构技术方案，可以实现不显著增加设备成本就能实现容错运行的技术效果。
(2)由于采用拓扑重构技术方案，可冗余的模块数不受限，提高容错能力，增加设备可靠性。
附图说明
图1是电力电子变压器结构图；
图2是电力电子变压器电路拓扑图；
图3是本发明实施例的可提升电力电子变压器容错能力的流程图；
图4是以前级1号管发生开路故障为例DC-DC模块拓扑重组示意图：(a)5 号管一直导通；(b)6号管一直导通；(c)7号管一直导通；(d)8号管一直导通；
图5是检测器件是否发生短路故障的示意图；
图6是以前级1号管发生短路故障为例DC-DC模块拓扑重组示意图：
(a)5号管一直导通；(b)6号管一直导通；(c)7号管一直导通；(d) 8号管一直导通；
图7是以后级5号管发生短路故障为例DC-DC模块重组示意图：
(a)1号管封锁；(b)2号管封锁；(c)3号管封锁；(d)4号管封锁。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明提供了一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法，可用于电力电力变压器控制领域，具有提高系统容错能力的优点。
本发明应用的电力电子变压器结构如图1图2所示，其容错能力流程图如图3所示，图3中所述方法包括如下步骤：
(1)电力电子变压器前级每相采用N个H桥级联的模式来实现AC-DC变换，每个H桥的输出连接一个谐振式双有源桥实现DC-DC变换，3N个双有源桥输出并联后接逆变器实现DC-AC变换；其中AC-DC环节采用双闭环矢量控制实现对有功功率及无功功率的闭环控制；中间DC-DC环节采用开环定频控制；后级DC-AC环节采用双闭环矢量控制以实现对直流母线电压及无功功率的闭环控制。
(2)检测各前级H桥模块的输出电压、DC-DC环节的输出电压及直流母线电压，判断是否前者大于额定值的1.2倍且同时后者小于直流母线电压的 0.8倍；是则认为该模块前级发生器件开路故障，记录发生故障的DC-DC模块的编号及其数量n1，并顺序执行步骤(3)，且继续检测并比较前级H桥模块的输出电压、各模块DC-DC环节的输出电压及直流母线电压；否则执行步骤 (4)；
(3)根据统计的发生器件断路故障的DC-DC模块的数量n1，修改传输的有功功率指令，仍采用步骤(1)中的双闭环矢量控制来实现对传输有功功率及无功功率的控制；正常模块的DC-DC环节采用开环定频控制，故障模块工作于拓扑重组的模式，如图4所示；后级DC-AC环节仍采用步骤(1)中相应的双闭环矢量控制来实现直流母线电压和无功功率的闭环控制；
(4)根据IGBT开关前级串联电阻的电压来判断器件是否发生短路故障，检测原理如图5所示，若发生记录发生故障的DC-DC模块的编号及其数量n2，并顺序执行步骤(5)；否者执行步骤(1)；
(5)根据统计的发生器件短路故障的DC-DC模块的数量n2，修改传输的有功功率指令，仍采用步骤(1)中的双闭环矢量控制来实现对传输有功功率及无功功率的控制；正常模块的DC-DC环节采用开环定频控制，故障模块工作于拓扑重组模式，如图6、图7所示；后级DC-AC环节仍采用步骤(1)中相应的双闭环矢量控制来实现直流母线电压和无功功率的闭环控制；
进一步地，所述步骤(1)中，AC-DC环节双闭环控制具体包含：实时检测三相电网电压、三相电流；对三相电压进行软件锁相得到A相电网电压的实时相位；对三相电压及三相电流分别经过Clark变换及Park变换后得到三相电压及电流的d轴(有功)及q轴(无功)分量；将计算出的有功功率及无功功率与各自指令进行做差后经过PI后得到有功及无功电流的指令，将上述指令与计算出的电流的有功及无功分量做差后经PI运算并分别与三相电压的d、 q轴分量相加后，得到相应的dq轴下电压指令分量；再经过Park反变换及Clark反变换后得到三相电压输出指令ua1ref、ub1ref及uc1ref；最后上述指令除以N后，并与N个角度依次相差pi/N的高频三角载波经过单极倍频调制后得到H桥中的开关信号；DC-DC环节的开环定频控制为前级H桥采用开关占空比为50％的驱动信号，其中上下管开关信号满足互补关系，交叉管的驱动信号相同，后级四个IGBT管子处于闭锁状态；DC-AC环节的双闭环控制的方法与AC-DC环节的方法相比，有功电流指令是通过将直流电压指令与直流电压做差后经过PI运算得到，其余方法相同。
进一步地，所述步骤(5)中，传输的有功功率指令为：
Pref＝[1-n1/(6N)]Pref0
其中，n1为发生断路故障的DC-DC的模块个数，Pref0为额定有功功率指令；
进一步地，所述步骤(3)中，发生故障的DC-DC模块的拓扑重组模式，是指前级H桥依旧工作于开环定频模式，后级H桥的一个桥臂的管子处于开路状态，其余四个管子处于闭锁状态；
进一步地，所述步骤(3)中，传输的有功功率指令为：
Pref＝[1-(n1+n2)/(6N)]Pref0，
其中，n1为发生器件断路故障的DC-DC的模块个数，为，发生器件开路故障的DC-DC模块个数；Pref0为额定有功功率指令；
进一步地，所述步骤(5)中，发生故障的DC-DC模块的拓扑重组模式，是指如果故障管子位于前级，封锁与之同桥臂的开关管，其余两个管子的驱动信号仍为占空比为50％的互补信号，且后级H桥一个管子闭合，其余三个管子均闭锁；否者，后级四个管子依旧保持闭锁，前级四个开关管一个处于封锁状态，其余的仍工作于正常运行模式。

Claims (6)

1.一种提升电力电子变压器容错能力的控制方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
(1)电力电子变压器前级每相采用N个H桥级联的模式来实现AC-DC变换，每个H桥的输出连接一个谐振式双有源桥实现DC-DC变换，3N个双有源桥输出并联后接逆变器实现DC-AC变换；其中AC-DC环节采用双闭环矢量控制实现对有功功率及无功功率的闭环控制；中间DC-DC环节采用开环定频控制；后级DC-AC环节采用双闭环矢量控制以实现对直流母线电压及无功功率的闭环控制；
(2)检测各前级H桥模块的输出电压、DC-DC环节的输出电压及直流母线电压，判断是否前者大于额定值的1.2倍且同时后者小于直流母线电压的0.8倍；是则认为该模块前级发生器件开路故障，记录发生故障的DC-DC模块的编号及其数量n1，并顺序执行步骤(3)，且继续检测并比较前级H桥模块的输出电压、各模块DC-DC环节的输出电压及直流母线电压；否则执行步骤(4)；
(3)根据统计的发生器件断路故障的DC-DC模块的数量n1，修改传输的有功功率指令，仍采用步骤(1)中的双闭环矢量控制来实现对传输有功功率及无功功率的控制；正常模块的DC-DC环节采用开环定频控制，故障模块工作于拓扑重组的模式；后级DC-AC环节仍采用步骤(1)中相应的双闭环矢量控制来实现直流母线电压和无功功率的闭环控制；
(4)根据IGBT开关前级串联电阻的电压来判断器件是否发生短路故障，若发生记录发生故障的DC-DC模块的编号及其数量n2，并顺序执行步骤(5)；否者执行步骤(1)；
(5)根据统计的发生器件短路故障的DC-DC模块的数量n2，修改传输的有功功率指令，仍采用步骤(1)中的双闭环矢量控制来实现对传输有功功率及无功功率的控制；正常模块的DC-DC环节采用开环定频控制，故障模块工作于拓扑重组模式；后级DC-AC环节仍采用步骤(1)中相应的双闭环矢量控制来实现直流母线电压和无功功率的闭环控制。
2.如权利要求1所述的提升电力电子变压器容错能力的控制方法系统，其特征在于提升电力电子变压器容错能力的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，AC-DC环节双闭环控制具体包含：实时检测三相电网电压、三相电流；对三相电压进行软件锁相得到A相电网电压的实时相位；对三相电压及三相电流分别经过Clark变换及Park变换后得到三相电压及电流的d轴(有功)及q轴(无功)分量；将计算出的有功功率及无功功率与各自指令进行做差后经过PI后得到有功及无功电流的指令，将上述指令与计算出的电流的有功及无功分量做差后经PI运算并分别与三相电压的d、q轴分量相加后，得到相应的dq轴下电压指令分量；再经过Park反变换及Clark反变换后得到三相电压输出指令ua1ref、ub1ref及uc1ref；最后上述指令除以N后，并与N个角度依次相差pi/N的高频三角载波经过单极倍频调制后得到H桥中的开关信号；DC-DC环节的开环定频控制为前级H桥采用开关占空比为50％的驱动信号，其中上下管开关信号满足互补关系，交叉管的驱动信号相同，后级四个IGBT管子处于闭锁状态；DC-AC环节的双闭环控制的方法与AC-DC环节的方法相比，有功电流指令是通过将直流电压指令与直流电压做差后经过PI运算得到，其余方法相同。
3.如权利要求1所述的提升电力电子变压器容错能力的控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，传输的有功功率指令为：
Pref＝[1-n1/(6N)]Pref0，
其中，n1为发生断路故障的DC-DC的模块个数，Pref0为额定有功功率指令。
4.如权利要求1所述的提升电力电子变压器容错能力的控制方法，其特征在于所述步骤(3)中，发生故障的DC-DC模块的拓扑重组模式，是指前级H桥依旧工作于开环定频模式，后级H桥的一个桥臂的管子处于开路状态，其余四个管子处于闭锁状态。
5.如权利要求1所述的提升电力电子变压器容错能力的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，传输的有功功率指令为：
Pref＝[1-(n1+n2)/(6N)]Pref0，
其中，n1为发生器件断路故障的DC-DC的模块个数，为，发生器件开路故障的DC-DC模块个数；Pref0为额定有功功率指令。
6.如权利要求1所述的提升电力电子变压器容错能力的控制方法，其特征在于所述步骤(5)中，发生故障的DC-DC模块的拓扑重组模式，是指如果故障管子位于前级，封锁与之同桥臂的开关管，其余两个管子的驱动信号仍为占空比为50％的互补信号，且后级H桥一个管子闭合，其余三个管子均闭锁；否者，后级四个管子依旧保持闭锁，前级四个开关管一个处于封锁状态，其余的仍工作于正常运行模式。
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