CN112600399B - 一种级联h桥型中压ups功率单元旁路控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，属于电力系统输配电领域，包括：在功率单元输出端口并联避雷器，利用其非线性特性保护功率单元内元件。保留交流接触器作为旁路开关以进行有效旁路。在交流接触器合闸时间内，改进UPS控制策略，定位故障功率单元并检测其输出电压，由故障相内正常功率单元或其余正常两相承担抵消故障输出电压，达到消除故障对UPS输出电压电流影响的目的。本发明提供的旁路控制方法具有良好的可靠性和有效性，并且在成本上具有优势。

Description

一种级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种级联H桥型中压UPS的功率单元故障的旁路控制方法。
背景技术
由于配电网负荷的多样化发展，其对电能质量提出了综合治理的新要求；特别地，在中压大容量领域，中压UPS是电能质量综合治理的较优方案。中压UPS一般由多个级联功率单元组成其交流侧输出，功率单元是其核心部件，在单个功率单元发生故障时，需要快速旁路掉故障功率单元以避免输出电压恶化、正常单元元件损坏、中压UPS闭锁停机。功率单元旁路是中压UPS保护策略的重点内容。
交流接触器是一种传统的可靠旁路装置，一般将其并联在功率单元输出侧。交流接触器具有良好的可靠性，合闸成功率可达99％以上，并且其使用寿命非常高，其机械寿命可达数百万次；其电寿命一般为数十万次。合闸交流接触器合闸速度较慢，合闸时间一般为100ms至130ms。中压UPS的故障暂态过程中，其故障周期为10～20ms，在合闸时间内功率会发生逆向流动，导致电容持续充电，最终电容电压超过IGBT耐受电压；并且故障期间输出电压和电流将会持续恶化。虽然交流接触器在成本和可靠性上有较好优势，但是其合闸时间过长，不适合应用于中压UPS功率单元旁路。
为克服交流接触器的缺陷，有学者提出利用电力电子器件作为旁路开关。具有开断电流能力的电力电子器件主要有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和晶闸管两种，其开通时间都达到了微秒级。其主要接线方法主要是反并联晶闸管、反并联IGBT、经不控整流接入晶闸管等。其主要问题在于负载为交流电流，存在过零点，导致电力电子器件容易误动，若发生误动导致功率单元被旁路，将会直接影响到UPS的正常输出。
专利文献CN110767495A公开了一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其合闸时间小于5ms，合闸无弹跳，可靠性高，并且为真空开关，可以多次使用。其主要应用于柔性交直流输电领域，由于其用永磁体保持合闸状态，所以负载电流一般较小，而中压UPS一般工作在中压大电流场景。另外这种真空旁路开关合闸线圈体积较大，在安装完成后不方便维护故障功率单元。其成本相较于交流接触器也偏高。
发明内容
针对现有技术的缺陷或者改进需求，本发明提供了一种级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，通过改进故障期间UPS控制策略，在不增加成本的情况下实现了故障期间电压电流平稳输出；通过在功率单元输出端口并联避雷器，可避免功率单元内元件过电压或者过电流损坏；通过在功率单元输出端口并联交流接触器，最终可通过以交流接触器实现可靠旁路合闸。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提供了一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法，在功率单元输出端口并联避雷器和交流接触器，改进故障后合闸期间UPS控制策略：在合闸时间内引入电压的限幅前馈控制方法，具体包括如下步骤：
(1)通过故障检测定位到某一相的故障功率单元，并由主控制器向故障功率单元的交流接触器发送合闸信号；
(2)主控制器控制调制电路停止向故障功率单元发送IGBT触发信号以将其闭锁；
(3)检测故障功率单元输出电压，并将参考电压减去故障功率单元输出电压得到新的参考电压；
(4)调制模块调整调制策略，载波个数减少为正常功率单元数量，由所述故障功率单元所在相的所有正常功率单元接收调制信号参与逆变，调制电压为步骤(3)中新的参考电压；
(5)经过短暂延迟后，交流接触器合闸。
优选地，所选避雷器根据功率单元内IGBT和直流电容最大耐受电压和UPS额定运行最大负载电流来设计参数；其并联数量为1个或多个。
优选地，步骤(3)中的获取故障功率单元输出电压的方法包括：
(3.1)在功率单元交流输出侧装设霍尔测量单元，由此得到故障功率单元交流输出电压；
(3.2)测量直流电容电压和负载侧电流，故障单元输出电压Upu与直流电容电压UC和负载电流Io的关系满足下式：
Figure GDA0003387200220000031
由式(1)可得到故障功率单元输出电压。
优选地，步骤(4)中的调制策略包括PWM、SPWM、SVPWM等适合级联H桥功率模块的调制策略。
优选地，步骤(4)的调制策略为单极倍频正弦脉冲宽度调制，UPS功率单元数量为N，故障功率单元数量为n；故障发生后，其载波移相角变为180°/(N-n)，生成的调制信号为N-n个，由剩余正常的N-n个正常功率单元接收调制信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的一种级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，通过改进故障期间UPS控制策略，使UPS输出电压电流不受故障影响；通过在功率单元交流输出侧并联避雷器，使得在任何故障情况下也能避免功率单元内的IGBT和电容因过电压压或过电流击穿；通过使用交流接触器作为旁路开关，达到有效旁路合闸的目的。
(2)本发明提供的一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法，通过在合闸时间内引入电压的限幅前馈控制方法，利用正常功率单元消除了故障功率单元的异常电压，从而消除了故障对UPS输出电压电流的影响；其所增加的成本全部来自并联避雷器，具有良好的成本优势。
附图说明
图1是现有的一种并联交流接触器的旁路方案示意图；
图2是现有的一种并联反并联晶闸管的旁路方案示意图；
图3是现有的一种并联桥式整流+晶闸管的旁路方案示意图；
图4是现有的一种并联反向串联IGBT的旁路方案示意图；
图5是现有的一种并联快速旁路开关的旁路方案示意图。
图6是本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS拓扑结构；
图7是本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS的功率单元拓扑结构。
图8是本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法的外接设备示意图；
图9是本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法的内部控制示意图。
图10是现有的交流接触器方案的UPS输出线电压仿真图；
图11是现有的交流接触器方案的UPS输出相电压仿真图；
图12是本发明一个实施例的一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法的UPS输出线电压仿真图；
图13是本发明一个实施例的一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法的UPS输出线电压仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为现有的交流接触器方案示意图。如图1所示，在功率单元交流输出两端并联交流接触器。
图2为现有的反并联晶闸管方案示意图。如图2所示，在功率单元交流输出两端并联两个反向并联的晶闸管。
图3为现有的不控整流+晶闸管方案示意图。如图3所示，在功率单元交流输出两端并联不控整流+晶闸管。
图4为现有的反向串联IGBT方案示意图。如图4所示，在功率单元交流输出两端并联反向串接的IGBT。
图5为现有的的快速旁路开关方案示意图。如图5所示，在功率单元交流输出两端并联快速旁路开关。
图6为本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS拓扑结构。如图6所示，电网经移相变压器接入功率单元，经过AC/DC/AC变换后由n个功率单元的交流输出端口级联组成一相输出电压。功率单元个数一共为3n个。
图7为本发明一个实施例的功率单元结构。如图7所示，其三相不控整流桥与移相变压器相连，三相不控整流桥直流输出端与储能电池组、直流电容、H桥逆变单元直流端并联。电网正常时，功率流动方向为：三相不控整流桥、直流电容、H桥逆变单元；电网电压跌落时，功率流动方向为：储能电池组、直流电容、H桥逆变单元。
图8为本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法的外接设备示意图。如图8所示，在功率模块交流输出端口并联交流接触器和避雷器。
图9为本发明一个实施例的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法的内部控制示意图。如图9所示，在故障发生后，主控制器向交流接触器发送旁路信号；主控制器接收故障功率单元的输出电压Upu，生成新的调制电压Uref；主控制器向调制单元发送故障功率单元的闭锁信号和新的调制电压Uref；调制单元停止向故障功率单元发送触发信号，正常功率单元正常工作。
按照本发明一个实施例的一个方面，本发明提供了一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法。在合闸时间内引入电压的限幅前馈控制方法，包括：
(1)通过故障检测定位到某一相的故障功率单元，并由主控制器向故障功率单元的交流接触器发送合闸信号；
(2)主控制器控制调制电路停止向故障功率单元发送IGBT触发信号以将其闭锁；
(3)检测故障功率单元输出电压，载波个数减少为正常功率单元数量，并将参考电压减去故障功率单元输出电压得到新的参考电压；
(4)调制模块调整调制策略，由所述故障功率单元所在相的正常功率单元参与逆变，调制电压为步骤(3)中新的参考电压；
(5)经过短暂延迟后，交流接触器合闸。
上述实施例中，所选避雷器根据功率单元内IGBT和直流电容最大耐受电压和UPS额定运行最大负载电流来设计参数，其数量可根据需要设置。
图10和图11是现有的交流接触器方案的UPS输出线电压和相电压的仿真图，图12-图13为本发明实施例的仿真结果，仿真工况设定如下：0.15sA相一个功率单元发生故障，交流接触器的合闸延时设定为130ms。其中，图12-图13为本发明一个实施例的一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法的UPS输出线电压和相电压。如图10-图11所示，现有技术UPS输出的相电压和线电压都已畸变，无法再为负载提供较好的交流电压。如图12-图13所示，UPS输出的相电压和线电压无明显变化。从图12及图13可以看出，相较于单个交流接触器作为旁路装置，本发明实施例能够实现合闸期间电压的平稳输出，同时保证了旁路的可靠性。
总体而言，本发明提供的技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的一种级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，通过改进故障期间UPS控制策略，使UPS输出电压电流不受故障影响；通过在功率单元交流输出侧并联避雷器，使得在任何故障情况下也能避免功率单元内的IGBT和电容因过电压压或过电流击穿；通过使用交流接触器作为旁路开关，达到有效旁路合闸的目的。
(2)本发明提供的一种基于故障功率单元输出电压的限幅前馈控制旁路方法，通过在合闸时间内引入电压的限幅前馈控制方法，利用正常功率单元消除了故障功率单元的异常电压，从而消除了故障对UPS输出电压电流的影响；其所增加的成本全部来自并联避雷器，具有良好的成本优势。
此外，本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
上述计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，其特征在于，在功率单元输出端口并联避雷器和交流接触器，改进故障后合闸期间UPS控制策略：在合闸时间内引入电压的限幅前馈控制方法，具体包括如下步骤：
（1）通过故障检测定位到某一相的故障功率单元，并由主控制器向故障功率单元的交流接触器发送合闸信号；
（2）主控制器控制调制电路停止向故障功率单元发送IGBT触发信号以将其闭锁；
（3）检测故障功率单元输出电压，并将参考电压减去故障功率单元输出电压得到新的参考电压；
（4）调制模块调整调制策略，载波个数减少为正常功率单元数量，由所述故障功率单元所在相的所有正常功率单元参与逆变，调制电压为步骤（3）中新参考电压；
（5）经过短暂延迟后，交流接触器合闸。
2.根据权利要求1所述的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，其特征在于，所选避雷器根据功率单元内IGBT和直流电容最大耐受电压和UPS额定运行最大负载电流来设计参数。
3.根据权利要求1所述的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，其特征在于，步骤（3）中的获取故障功率单元输出电压的方法包括：
（3.1）在功率单元交流输出侧装设霍尔测量单元，由此得到故障功率单元交流输出电压；
（3.2）测量直流电容电压和负载侧电流，故障单元输出电压Upu与直流电容电压U C 和负载电流I o 的关系满足下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由式（1）可得到故障功率单元输出电压。
4.根据权利要求1所述的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，其特征在于，步骤（4）中的调制策略包括PWM、SPWM、SVPWM等适合级联H桥功率模块的调制策略。
5.根据权利要求1所述的级联H桥型中压UPS功率单元旁路控制方法，其特征在于，步骤（4）的调制策略为单极倍频正弦脉冲宽度调制，UPS功率单元数量为N，故障功率单元数量为n；故障发生后，其载波移相角变为180°/(N-n)，生成的调制信号为N-n个，由剩余正常的N-n个正常功率单元接收调制信号。
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