CN112187064B - 一种背靠背混联h桥变流器控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种背靠背混联H桥变流器控制方法及装置，适用于轨道交通同相供电系统，变流器由多个投运模块和备用模块组成，各模块H桥的其中一侧级联成高压输出，另外一侧分别接至牵引匹配变压器的一个低压绕组。正常工作时，由投运模块承担功率传输任务，备用模块的并联侧接触器闭合，并联侧脉冲封锁，级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断，处于低功耗准热备用状态。当投运模块出现故障时，该模块级联侧旁路开关闭合、并联侧接触器断开，模块被快速切除，同时备用模块并联侧和级联侧脉冲解锁，转为运行状态。本发明可以有效降低系统损耗，同时又具备响应时间短的优点，在提高系统可靠性的同时兼顾了系统的效率。

Description

一种背靠背混联H桥变流器控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种背靠背混联H桥变流器控制方法及装置。
背景技术
我国电气化铁路采用单相工频交流制供电方式，这种牵引供电系统从三相电网取电经牵引变压器实现三相-两相变换后给牵引母线供电，这种供电系统因其自身结构关系，存在电能质量问题、电分相问题和系统运行效率问题，基于电力电子技术的贯通式同相牵引供电系统(以下简称同相供电系统)是一种柔性牵引供电系统，可实现系统内无分相供电，从根本上解决既有牵引供电系统所存在的一系列问题。
同相供电系统的牵引变电所设备主要包括牵引变压器(TT)、高压匹配变压器(HMT)以及同相供电装置(CPD)。牵引变压器及高压匹配变压器通常封装为一个变压器，即SCOTT变压器，当变压器低压侧的M座与T座的视在功率相等，且功率因数相等时，牵引变压器高压侧的负序电流为零。同相供电装置主要由牵引匹配变压器、交直交变流器组成，同相供电变流器采用背靠背混联H桥结构，即各H桥的其中一侧级联成高压输出，通过并网连接电抗接高压匹配变压器HMT，即Scott变压器的T座，而各H桥的另外一侧分别各接牵引匹配变压器TMT的一个低压绕组，其并网连接电抗为牵引匹配变压器低压绕组的漏抗，牵引匹配变压器TMT为单相低压侧多绕组变压器，其高压侧接至牵引母线。
不加同相供电装置时，由于牵引负荷为单相负荷，牵引变压器高压侧电流含有很大的负序电流，电流不平衡度为100％，负序电流导致了三相电压的不平衡。加入同相供电装置后，同相供电装置能够自动追踪M座的有功功率，在容量充足的情况下，保证T座的有功功率与M座相同，实现牵引变压器高压侧负序电流为零，不影响电压不平衡度，在容量不足的情况下，减小T座与M座的有功功率差，降低牵引变压器高压侧的负序电流和电压不平衡度，以满足电能质量关于负序、谐波的要求，使单相负荷反映到三相系统中，解决电气化铁路的电能质量问题，同时取消主变出口处电分相，降低牵引变压器安装容量，提升机车运力，产生经济效益。
贯通式同相牵引供电系统要求同相供电装置具有极高的可靠性，每年单所变流器故障停用次数≤1次，由于同相供电变流器模块数量多，如果一旦模块出现故障即停机检修，无法满足上述的可靠性要求。通过增加备用模块的方式可以提高系统可靠性，但模块冷备用待机方式无法满足快速响应要求，降低系统可靠性，而模块热备用运行方式又会增加系统损耗，降低系统效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种背靠背混联H桥变流器控制方法及装置，以解决同相供电变流器效率和可靠性难以兼顾的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案实现：
本发明的第一方面提供了一种背靠背混联H桥变流器控制方法，一种背靠背混联H桥变流器控制方法，所述变流器包括多个功率模块及其配套的控制保护系统，所述功率模块包括投运功率模块和备用功率模块，每个功率模块包括并联侧接触器KM、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关PL；所述控制保护系统包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器；所述控制方法包括如下步骤：
准备阶段：所有功率模块的旁路开关和并联侧接触器处于分位；
预充电阶段：通过级联侧软启回路给所有功率模块预充电，直流电压从0V逐渐上升，待直流电压接近稳定后闭合级联侧主开关；
稳压阶段：闭合所有功率模块的并联侧接触器，投运功率模块的并联侧脉冲解锁，直流电压上升至设定值，备用功率模块的并联侧脉冲封锁，直流电压维持在并联侧不控整流值
Figure BDA0002728361960000031
附近，其中，Uac为并联侧交流电压有效值；
运行阶段：投运功率模块的级联侧脉冲解锁，进入正常运行状态，备用功率模块级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断。
进一步的，所述准备阶段中，旁路开关类型为电控合闸、手动分闸，并联侧接触器类型为电控合闸、电控分闸。
进一步的，直流电压接近稳定包括直流母线电压大于
Figure BDA0002728361960000032
进一步的，实时监测功率模块是否出现故障，如果出现故障则进行功率模块故障处理。
进一步的，所述功率模块故障处理包括：
判断变流器是否处于启动或运行状态，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
判断中央控制器是否检测到功率模块出现故障，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
判断故障功率模块数是否小于等于备用功率模块数，是，进行下一步，否，则执行整机故障停机处理，结束故障处理；
中央控制器下发给故障功率模块旁路命令；
判断故障功率模块是否是投运功率模块，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
中央控制器给备用功率模块下发运行命令；
判断备用功率模块是否稳压完成，是，进行下一步，否，则继续判断备用功率模块是否稳压完成；
备用功率模块级联侧转为正常运行模式。
进一步的，中央控制器下发给故障功率模块旁路命令包括：封锁故障模块并联侧和级联侧脉冲，闭合旁路开关，断开并联侧接触器；备用功率模块并联侧脉冲解锁，待其直流电压上升至设定值后，级联侧转为正常运行状态。
本发明的第二方面提供了一种背靠背混联H桥变流器控制装置，所述变流器包括多个功率模块及其配套的控制保护系统，所述功率模块包括投运功率模块和备用功率模块，每个功率模块包括并联侧接触器KM、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关PL；所述控制保护系统包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器，所述控制装置按照如前所述的背靠背混联H桥变流器控制方法进行控制。
进一步的，各功率模块并联侧分别连接至多绕组变压器的一个低压绕组，各低压绕组之间无相移，各功率模块另一侧互相级联后经电抗器连接至电网。
进一步的，所述功率模块内部所有控制板卡供电都取自直流母线。
综上所述，本发明提供了一种背靠背混联H桥变流器控制方法及装置，适用于轨道交通同相供电系统，变流器由多个投运模块和备用模块组成，各模块H桥的其中一侧级联成高压输出，另外一侧分别接至牵引匹配变压器的一个低压绕组。正常工作时，由投运模块承担功率传输任务，备用模块的并联侧接触器闭合，并联侧脉冲封锁，级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断，处于低功耗准热备用状态。当投运模块出现故障时，该模块级联侧旁路开关闭合、并联侧接触器断开，模块被快速切除，同时备用模块并联侧和级联侧脉冲解锁，转为运行状态。本发明可以有效降低系统损耗，同时又具备响应时间短的优点，在提高系统可靠性的同时兼顾了系统的效率。
附图说明
图1是本发明实施例的背靠背混联H桥变流器一次系统组成示意图；
图2是本发明实施例的背靠背混联H桥变流器二次系统组成示意图；
图3是本发明实施例的背靠背混联H桥变流器控制方法的流程示意图；
图4是本发明实施例的系统运行时备用功率模块级联侧电流流通路径示意图；
图5是本发明另一实施例的背靠背混联H桥变流器控制方法的流程示意图；
图6是本发明实施例的功率模块故障处理流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的第一方面提供了一种背靠背混联H桥变流器控制方法。如图1和图2所示，变流器包括多个功率模块及其配套的控制保护系统，所述功率模块包括投运功率模块和备用功率模块，每个功率模块包括并联侧接触器KM、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关PL；所述控制保护系统包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器。具体的，如图1所示的同相供电变流器一次系统结构，主要包括牵引匹配变压器、功率模块(18个投运模块+2个备用模块)、级联侧滤波电抗器、预充电回路和主断路器。每个功率模块包括并联侧接触器(KM)、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关(PL)，与之配套的二次系统组成如图2所示，主要包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器等。
如图3所示，所述控制方法包括如下步骤：
步骤S100，准备阶段：所有功率模块的旁路开关和并联侧接触器处于分位。系统启动前，所有开关(包括预充电断路器、主断路器、模块并联侧接触器、模块旁路开关)处于断开状态。
步骤S200，预充电阶段：通过级联侧软启回路给所有功率模块预充电，直流电压从0V逐渐上升，待直流电压接近稳定后闭合级联侧主开关。具体的，当变流器接收到启动命令后，由中央控制器下发指令闭合预充电断路器QF2，直流母线电压从0V逐渐上升。随着直流母线电压上升，各模块的并联侧模块控制器和级联侧模块控制器开始工作。待所有未被旁路模块直流母线电压大于
Figure BDA0002728361960000051
后，闭合主断路器QF1，未被旁路模块直流母线电压上升至
Figure BDA0002728361960000052
左右，各模块之间自然均压，至此整个预充电过程结束。其中，Uac为并联侧交流电压有效值。
步骤S300，稳压阶段：闭合所有功率模块的并联侧接触器，投运功率模块的并联侧脉冲解锁，直流电压上升至设定值，备用功率模块的并联侧脉冲封锁，直流电压维持在并联侧不控整流值
Figure BDA0002728361960000061
附近。具体的，预充电过程结束后，中央控制器给各模块下发启动指令，各模块并联侧接触器KM闭合，模块电压被钳位到
Figure BDA0002728361960000062
此后，投运模块并联侧脉冲解锁进入稳压状态，直流母线电压斜坡上升至设定值，备用模块并联侧脉冲闭锁，直流母线电压维持在
Figure BDA0002728361960000063
左右。
步骤S400，运行阶段：投运功率模块的级联侧脉冲解锁，进入正常运行状态，备用功率模块级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断。具体的，当所有投运模块稳压完成后，投运模块的级联侧脉冲解锁，进入正常运行状态，备用模块级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断，进入待运行状态。此时，备用模块级联侧的电流流通路径如图4所示，电流正向或负向流通时，都只经过1个IGBT和1个续流二极管，并且器件损耗只有通态损耗；
进一步的，所述准备阶段中，旁路开关类型为电控合闸、手动分闸，并联侧接触器类型为电控合闸、电控分闸。
进一步的，如图5所示，该控制方法还包括步骤S500，实时监测功率模块是否出现故障，如果出现故障则进行功率模块故障处理。
进一步的，如图6所示，所述功率模块故障处理包括：
判断变流器是否处于启动或运行状态，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
判断中央控制器是否检测到功率模块出现故障，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
判断故障功率模块数是否小于等于备用功率模块数，是，进行下一步，否，则执行整机故障停机处理，结束故障处理；
中央控制器下发给故障功率模块旁路命令；
判断故障功率模块是否是投运功率模块，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
中央控制器给备用功率模块下发运行命令；
判断备用功率模块是否稳压完成，是，进行下一步，否，则继续判断备用功率模块是否稳压完成；
备用功率模块级联侧转为正常运行模式。
进一步的，中央控制器下发给故障功率模块旁路命令包括：封锁故障模块并联侧和级联侧脉冲，闭合旁路开关，断开并联侧接触器；备用功率模块并联侧脉冲解锁，待其直流电压上升至设定值后，级联侧转为正常运行状态。
在一个具体的实施例中，如果某一个投运模块出现故障，模块通过并联侧和级联侧之间的互联光纤快速封锁并联侧和级联侧脉冲，同时将故障信息上传至中央控制器，由中央控制器按照图6进行故障处理。故障模块接收到旁路命令后，闭合旁路开关PL，断开并联侧接触器KM，系统级联侧电流通过故障模块旁路开关流通，同时1号备用模块并联侧脉冲解锁，待其直流电压上升至设定值后，级联侧转为正常运行状态。从模块故障到备用模块转为运行过程的时间短，整个过程可在数秒内完成，从而保证系统的高可靠性。如果第二个投运模块出现故障，模块通过并联侧和级联侧之间的互联光纤快速封锁并联侧和级联侧脉冲，同时将故障信息上传至中央控制器，由中央控制器按照图6进行故障处理。故障模块接收到旁路命令后，闭合旁路开关PL，断开并联侧接触器KM，系统级联侧电流通过故障模块旁路开关流通，同时2号备用模块并联侧脉冲解锁，待其直流电压上升至设定值后，级联侧转为正常运行状态。如果第三个投运模块出现故障，模块通过并联侧和级联侧之间的互联光纤快速封锁并联侧和级联侧脉冲，同时将故障信息上传至中央控制器，由中央控制器按照图6进行故障处理。中央控制器判定系统备用耗尽，执行整机封脉冲跳闸处理。
值得注意的是，在以上步骤中，如果模块出现严重故障或临近器件耐受极限故障时，模块可自行执行旁路处理，并将故障信息上传至中央控制器，由中央控制器判定系统是否具备继续运行的条件。另外，如果备用模块出现故障，中央控制器接收到故障信息后，向备用模块下发旁路命令，备用模块接收到旁路命令后，闭合旁路开关并断开并联侧接触器，再封锁级联侧脉冲，从而保证正常模块不受影响。此外，如果同时出现两个以上模块故障，中央控制器直接执行整机封脉冲跳闸处理。
本发明的第二方面提供了一种背靠背混联H桥变流器控制装置，如图和2所示，所述变流器包括多个功率模块及其配套的控制保护系统，所述功率模块包括投运功率模块和备用功率模块，每个功率模块包括并联侧接触器KM、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关PL；所述控制保护系统包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器，所述控制装置按照如前所述的背靠背混联H桥变流器控制方法进行控制。
进一步的，各功率模块并联侧分别连接至多绕组变压器的一个低压绕组，各低压绕组之间无相移，各功率模块另一侧互相级联后经电抗器连接至电网。
进一步的，所述功率模块内部所有控制板卡供电都取自直流母线。
综上所述，本发明提供了一种背靠背混联H桥变流器控制方法及装置，适用于轨道交通同相供电系统，变流器由多个投运模块和备用模块组成，各模块H桥的其中一侧级联成高压输出，另外一侧分别接至牵引匹配变压器的一个低压绕组。正常工作时，由投运模块承担功率传输任务，备用模块的并联侧接触器闭合，并联侧脉冲封锁，级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断，处于低功耗准热备用状态。当投运模块出现故障时，该模块级联侧旁路开关闭合、并联侧接触器断开，模块被快速切除，同时备用模块并联侧和级联侧脉冲解锁，转为运行状态。本发明可以有效降低系统损耗，同时又具备响应时间短的优点，在提高系统可靠性的同时兼顾了系统的效率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种背靠背混联H桥变流器控制方法，所述变流器包括多个功率模块及其配套的控制保护系统，所述功率模块包括投运功率模块和备用功率模块，每个功率模块包括并联侧接触器KM、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关PL；所述控制保护系统包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
准备阶段：所有功率模块的旁路开关和并联侧接触器处于分位；
预充电阶段：通过级联侧软启回路给所有功率模块预充电，直流电压从0V逐渐上升，待直流电压接近稳定后闭合级联侧主开关；
稳压阶段：闭合所有功率模块的并联侧接触器，投运功率模块的并联侧脉冲解锁，直流电压上升至设定值，备用功率模块的并联侧脉冲封锁，直流电压维持在并联侧不控整流值
Figure FDA0003319159890000011
附近，其中，Uac为并联侧交流电压有效值；
运行阶段：投运功率模块的级联侧脉冲解锁，进入正常运行状态，备用功率模块级联侧两个桥臂的下管IGBT导通续流、上管IGBT关断；
实时监测功率模块是否出现故障，如果出现故障则进行功率模块故障处理，所述功率模块故障处理包括：
判断变流器是否处于启动或运行状态，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
判断中央控制器是否检测到功率模块出现故障，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
判断故障功率模块数是否小于等于备用功率模块数，是，进行下一步，否，则执行整机故障停机处理，结束故障处理；
中央控制器下发给故障功率模块旁路命令；
判断故障功率模块是否是投运功率模块，是，进行下一步，否，则结束故障处理；
中央控制器给备用功率模块下发运行命令；
判断备用功率模块是否稳压完成，是，进行下一步，否，则继续判断备用功率模块是否稳压完成；
备用功率模块级联侧转为正常运行模式。
2.如权利要求1所述一种背靠背混联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述准备阶段中，旁路开关类型为电控合闸、手动分闸，并联侧接触器类型为电控合闸、电控分闸。
3.如权利要求1所述一种背靠背混联H桥变流器控制方法，其特征在于，直流电压接近稳定包括直流母线电压大于
Figure FDA0003319159890000021
4.根据权利要求1所述的背靠背混联H桥变流器控制方法，其特征在于，中央控制器下发给故障功率模块旁路命令包括：封锁故障模块并联侧和级联侧脉冲，闭合旁路开关，断开并联侧接触器；备用功率模块并联侧脉冲解锁，待其直流电压上升至设定值后，级联侧转为正常运行状态。
5.一种背靠背混联H桥变流器控制装置，所述变流器包括多个功率模块及其配套的控制保护系统，所述功率模块包括投运功率模块和备用功率模块，每个功率模块包括并联侧接触器KM、并联侧H桥、直流母线电容、级联侧H桥、旁路开关PL；所述控制保护系统包括中央控制器、并联侧模块控制器和级联侧模块控制器，其特征在于，所述控制装置按照如权利要求1-4任一项所述的背靠背混联H桥变流器控制方法进行控制。
6.根据权利要求5所述的背靠背混联H桥变流器控制装置，其特征在于，各功率模块并联侧分别连接至多绕组变压器的一个低压绕组，各低压绕组之间无相移，各功率模块另一侧互相级联后经电抗器连接至电网。
7.如权利要求5或6所述的背靠背混联H桥变流器控制装置，其特征在于，所述功率模块内部所有控制板卡供电都取自直流母线。
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