CN114257110A - 一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，通过提出针对该系统的有效容错多重控制方案以及模块化逆变系统，完成对每个逆变器单元的能量调节，使得逆变器最终输出功率稳定不变；一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，通过逆变系统冗余容错控制程序调整，可以有效的避免在相应故障情况下模块化逆变系统性能和可靠性的进一步下降，使其保持较高的性能指标，满足海岸工程领域高性能电力电子装备更高频率、更高效率、更高功率密度和更低成本需求。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域、海岸工程领域，具体为一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略。
背景技术
随着海岸工程特种电源工作环境的日益复杂，高功率密度、高效率和高可靠性成为特种电源装备发展的趋势。要实现这个目标离不开特种电源装备的核心电力电子器件。近年来，碳化硅(SiC)MOSFET为代表的宽禁带半导体器件快速发展给电力电子行业带来重大的技术突破，然而，现阶段SiC MOSFET仍然存在一些问题，受高昂SiC材料成本、复杂器件制作工艺以及较低产品良品率，长时间运行的可靠性等因素的影响，无法有效撼动Si IGBT的霸主地位，这也限制了SiC MOSFET大规模产业化推广和应用。与此同时，Si IGBT和SiCMOSFET都难以有效满足大容量、较低成本、高可靠性以及低损耗的应用需求。因此，亟需设计一种新型电力电子器件结构以克服单一电力电子器件的不足。
为了满足海岸工程特种电源对电力电子高频、高效率、高功率密度和低成本的苛刻需要，Si/SiC混合器件的提出为实现模块化逆变系统的高效率和高功率密度提供了可能，Si/SiC混合器件结合了纯Si IGBT及纯SiC MOSFET各自优势，使得载流能力更大、成本更低、并且冗余性更高。为了进一步提高逆变的冗余性，模块化逆变系统是一个可行的选择，因为该系统存在装置级冗余能力，可通过降低每个逆变器单元的输出功率从而提高其可靠性。然而，器件故障在影响单个逆变器单元的同时，也可能会对整个模块化逆变系统的可靠性带来挑战。
目前，还缺乏针对基于Si/SiC混合器件的模块化逆变系统冗余性研究，以及提出针对该系统的有效容错控制方案。因此，当模块化逆变系统内部电力电子器件发生故障时，无法保证模块化逆变系统在器件故障情况下的系统性能以及安全稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由多种控制模式相结合的冗余容错控制策略，以能减小混合器件故障后的不良影响，通过多种控制模式相结合的冗余容错控制策略，解决模块化逆变系统在器件故障状态下导致效率、电压质量以及可靠性降低的技术问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，具体包括如下步骤：
步骤S1：获取模块化逆变系统的逆变器单元内部的电信号；
步骤S2：启动故障检测程序，判断故障类型，若故障类型为开路，则执行下一步，若故障类型为短路，则执行步骤S4；
步骤S3：若故障类型为开路，则改变Si IGBT或SiC MOSFET的开关频率或脉冲宽度；
步骤S4：若故障类型为短路，则直接关闭故障逆变单元并切除该逆变单元；
步骤S5：无论故障类型为开路或短路，均通过虚拟同步发电机技术实时对每个逆变器单元进行能量调节。
优选的，所述步骤S3和S4所对应的策略为开关级冗余管理策略，具体方法为：
当逆变器单元中SiC MOSFET发生开路故障，且负载电流II≤IImax时，控制故障逆变单元中的SiC MOSFET开关驱动信号置低，Si IGBT开关降频、扩宽脉冲；负载电流II＞IImax，控制故障逆变器单元的SiC MOSFET开关驱动信号置低，Si IGBT开关调制信号降低、降频、扩宽脉冲；
当逆变器单元中的Si IGBT发生开路故障，且负载电流IM≤IMmax时，控制故障逆变器单元的Si IGBT开关驱动信号置低，SiC MOSFET开关与正常状态保持一致；负载电流IM＞IMmax时，控制故障逆变器单元中的Si IGBT开关驱动信号置低，SiCMOSFET开关调制信号降低；
当逆变单元中的Si IGBT或SiC MOSFET发生短路故障，控制故障逆变器单元中的SiC MOSFET和Si IGBT全部停机，并从模块化逆变系统中切除。
优选的，所述步骤S5对应的策略为装置级冗余管理策略，具体方法为：
当逆变器单元中的SiC MOSFET或Si IGBT发生开路故障，且SiC MOSFET发生故障对应的负载电流II≤IImax或Si IGBT发生故障对应的负载电流IM≤IMmax时，控制故障逆变器单元和其余逆变器单元中的虚拟同步发电机参数保持不变，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致；当SiC MOSFET发生故障对应的负载电流II＞IImax或Si IGBT发生故障对应的负载电流IM＞IMmax时，控制故障逆变器单元降低输出功率，其余逆变器单元升高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致；
当逆变器单元中的SiC MOSFET或Si IGBT发生短路故障，将故障逆变器单元直接停机，并从模块化系统中切除，其余逆变器单元提高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
优选的，所述虚拟同步发电机技术可以自由调节单个逆变器单元输出功率，实现逆变器单元输出功率的增加或降低；虚拟同步发电机的角频率升高，则降低逆变器单元的输出电流以降低其输出功率；角频率降低，则升高逆变器单元的输出电流以升高其输出功率。
优选的，所述模块化逆变系统包括多个并联的逆变器单元，所述逆变器单元分别与LC振荡电路形成拓扑结构，所述逆变器单元包括多个SiC MOSFET/Si IGBT混合器件，所述SiC MOSFET/Si IGBT混合器件由SiC MOSFET和Si IGBT并联组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的系统采用混合器件和逆变器单元组成，在发生单个逆变器单元器件故障时，本发明的冗余管理策略，调节能保证在短时间内调节各逆变器单元的输出功率，混合器件的驱动信号，最终维持正常运行。
(2)本发明的装置级冗余管理策略，在单逆变器故障时，能通过VSG控制技术实时对每个逆变器单元进行输出功率调节，保证总体输出稳定。
(3)本发明的冗余管理策略，能快速反应，并有效处理，保证输出功率的稳定性以及冗余性，减小混合器件故障后的不良影响，并通过多种控制模式相结合的冗余容错控制策略，保证起见在故障状态下，效率正常，电压质量及可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略的控制原理框图一；
图2为本发明实施例应用于一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略的控制原理框图二；
图3为本发明实施例应用一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略的实施方案；
图4为本发明实施例应用一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于器件混合技术的模块化逆变系统是包括多个并联的逆变器单元，逆变器单元分别与LC振荡电路形成拓扑结构，逆变器单元包括多个SiC MOSFET/Si IGBT混合器件，SiC MOSFET/Si IGBT混合器件由SiC MOSFET和SiIGBT并联组成。
请参阅图4，一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，具体包括如下步骤：
步骤S1：获取模块化逆变系统的逆变器单元内部的电信号；
步骤S2：启动故障检测程序，判断故障类型，若故障类型为开路，则执行下一步，若故障类型为短路，则执行步骤S4；
步骤S3：若故障类型为开路，则改变Si IGBT或SiC MOSFET的开关频率或脉冲宽度；
步骤S4：若故障类型为短路，则直接关闭故障逆变单元并切除该逆变单元；
步骤S5：无论故障类型为开路或短路，均通过虚拟同步发电机技术实时对每个逆变器单元进行能量调节。
请参阅图2，其中冗余管理策略分为开关级冗余管理策略和装置级冗余管理策略组成，所述冗余管理策略共同调节逆变器的功率输出；
开关级冗余管理策略具体为：
1.当发生开路故障后，通过故障检测模块收集逆变器单元内部的电压以及电流信号，从而判断故障类型，然后改变Si IGBT或SiC MOSFET的开关频率或脉冲宽度；如以下两种方案：
方案一：当混合器件中的SiC MOSFET发生开路故障，负载电流II小于IImax时，通过降低SiC MOSFET开关驱动信号置低，降低Si IGBT开关频率，扩大脉冲宽度，以降低开关损耗和电压畸变率；当负载电流II大于IImax时，通过降低SiC MOSFET开关驱动信号置低，降低Si IGBT调制信号、开关频率并扩大脉冲宽度，以降低开关损耗和电压畸变率。
方案二：当混合器件中的Si IGBT发生开路故障，且负载电流IM小于IMmax时，SiIGBT开关驱动信号置低，SiC MOSFET维持正常工作状态；当负载电流IM大于IMmax时，Si IGBT开关驱动信号置低，SiC MOSFET调制信号降低。
2.当发生短路故障后，直接关闭故障逆变器单元并切除该逆变器单元，如以下方案：
方案一：当混合器件中的Si IGBT或SiC MOSFET发生短路故障时，SiC MOSFET或SiIGBT直接停机。
装置级冗余管理策略具体为：当开路或短路故障发生后，通过VSG控制技术实时对每个逆变器单元进行能量调节。VSG控制技术可以自由调节单个逆变器单元输出功率，实现逆变器单元输出功率的增加或降低，其中VSG控制技术中的转矩调节器和转子运动的公式如下：
式中，Pm、kω、J、D、Tm、T1和ωr分别表示机械功率、角频率调节系数、虚拟转动惯性、阻尼系数、机械转矩、电磁转矩和角频率参考信号。Pref、Pr、P1、Δω和ωc分别表示参考有功功率、调整后的参考有功功率、输出有功功率、角频率变化量和实际角频率值。
虚拟同步发电机控制技术中的励磁方程如下：
Uu＝Ur+ku(Qr-Q1)
式中，Uu、ku、Ur和Qr分别表示输出电压信号、电压调节系数、指令电压信号和无功功率参考信号。
通过转矩和转子模块可得到输出角频率ωc，再经过积分环节得到相位角θ，该相位角θ可进行坐标变换；通过励磁模块可生成电压信号Uu，该电压信号经过虚拟阻抗模块可得双闭环控制所需电压指令信号；最后，通过双闭环控制以及SVPWM生成脉冲信号，以驱动逆变器单元内每个混合器件。
具体如以下两种方案：
方案一：当混合器件中的SiC MOSFET或Si IGBT发生开路故障，且负载电流II≤IImax(IM≤IMmax)时，故障逆变器单元和其余逆变器单元控制策略不变，维持输出功率不变；当负载电流II＞IImax(IM＞IMmax)时，通过升高VSG额定角频率ωr，来调节故障逆变器单元的功率，降低故障逆变器单元的输出电流，以降低故障单元输出的有功功率大小，提高模块化逆变系统的可靠性。
方案二：当混合器件中的SiC MOSFET或Si IGBT发生短路故障时，将该故障逆变器单元停机并从模块化逆变系统中切除，通过降低其余逆变器单元的VSG额定角频率ωr，升高输出电流以提高逆变器单元输出的有功功率大小，继续提供负载所需功率，提高模块化逆变系统的可靠性。
请参阅图3，冗余管理策略运行时，具体为以下五种情况：情况1：若故障检测检测出电力电子器件为SiC MOSFET开路故障，且II≤IImax时，开关级冗余管理策略控制故障逆变器单元中的SiC MOSFET开关驱动信号置低，Si IGBT开关降频、扩宽脉冲；装置级冗余管理策略控制模块化逆变系统的故障逆变器单元、其余逆变器单元中的VSG参数保持不变，最终保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
情况2：若故障检测检测出电力电子器件为SiC MOSFET开路故障，且II＞IImax，开关级冗余管理策略控制故障逆变器单元的SiC MOSFET开关驱动信号置低，Si IGBT开关调制信号降低、降频、扩宽脉冲；装置级冗余管理策略控制模块化逆变系统中的故障逆变器单元降低输出功率，其余逆变器单元升高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
情况3：若故障检测检测出电力电子器件为Si IGBT开路故障，且IM≤IMmax时，开关级冗余管理策略控制故障逆变器单元的Si IGBT开关驱动信号置低，开关级冗余管理策略控制故障逆变器单元中的SiC MOSFET开关与正常状态保持一致；装置级冗余管理策略控制模块化逆变系统中的故障逆变器单元及其余逆变器单元的VSG参数保持不变，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
情况4：若故障检测检测出电力电子器件为Si IGBT发生开路故障，且IM＞IMmax时，开关级冗余管理策略控制故障逆变器单元中的Si IGBT开关驱动信号置低，SiCMOSFET开关调制信号降低；装置级冗余管理策略控制模块化逆变系统中的故障逆变器单元降低输出功率，其余逆变器单元升高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
情况5：当故障检测检测出电力电子器件为SiC MOSFET或Si IGBT短路故障时，开关级冗余管理策略控制故障逆变器单元中的SiC MOSFET和Si IGBT全部停机；装置级冗余管理策略控制模块化逆变系统中的故障逆变器单元直接停机，其余逆变器单元自动提高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
通过逆变系统和冗余容错控制策略调整，可以有效的避免在相应故障情况下模块化逆变系统性能和可靠性的进一步下降，使其保持较高的性能指标。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从那一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S1：获取模块化逆变系统的逆变器单元内部的电信号；
步骤S2：启动故障检测程序，判断故障类型，若故障类型为开路，则执行下一步，若故障类型为短路，则执行步骤S4；
步骤S3：若故障类型为开路，则改变Si IGBT或SiC MOSFET的开关频率或脉冲宽度；
步骤S4：若故障类型为短路，则直接关闭故障逆变单元并切除该逆变单元；
步骤S5：无论故障类型为开路或短路，均通过虚拟同步发电机技术实时对每个逆变器单元进行能量调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，其特征在于，所述步骤S3和S4所对应的策略为开关级冗余管理策略，具体方法为：
当逆变器单元中SiC MOSFET发生开路故障，且负载电流II≤IImax时，控制故障逆变单元中的SiC MOSFET开关驱动信号置低，Si IGBT开关降频、扩宽脉冲；负载电流II＞IImax，控制故障逆变器单元的SiC MOSFET开关驱动信号置低，Si IGBT开关调制信号降低、降频、扩宽脉冲；
当逆变器单元中的Si IGBT发生开路故障，且负载电流IM≤IMmax时，控制故障逆变器单元的Si IGBT开关驱动信号置低，SiC MOSFET开关与正常状态保持一致；负载电流IM＞IMmax时，控制故障逆变器单元中的Si IGBT开关驱动信号置低，SiCMOSFET开关调制信号降低；
当逆变单元中的Si IGBT或SiC MOSFET发生短路故障，控制故障逆变器单元中的SiCMOSFET和Si IGBT全部停机，并从模块化逆变系统中切除。
3.根据权利要求2所述的一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，其特征在于，所述步骤S5对应的策略为装置级冗余管理策略，具体方法为：
当逆变器单元中的SiC MOSFET或Si IGBT发生开路故障，且SiC MOSFET发生故障对应的负载电流II≤IImax或Si IGBT发生故障对应的负载电流IM≤IMmax时，控制故障逆变器单元和其余逆变器单元中的虚拟同步发电机参数保持不变，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致；当SiC MOSFET发生故障对应的负载电流II＞IImax或Si IGBT发生故障对应的负载电流IM＞IMmax时，控制故障逆变器单元降低输出功率，其余逆变器单元升高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致；
当逆变器单元中的SiC MOSFET或Si IGBT发生短路故障，将故障逆变器单元直接停机，并从模块化系统中切除，其余逆变器单元提高输出功率，保证逆变器的总功率输出与正常状态保持一致。
4.根据权利要求3所述的一种基于器件混合技术的模块化逆变系统冗余管理策略，其特征在于，所述虚拟同步发电机技术可以自由调节单个逆变器单元输出功率，实现逆变器单元输出功率的增加或降低；虚拟同步发电机的角频率升高，则降低逆变器单元的输出电流以降低其输出功率；角频率降低，则升高逆变器单元的输出电流以升高其输出功率。
5.一种实施如权利要求1所述的一种基于器件混合技术的模块化逆变系统，其特征在于，所述模块化逆变系统包括多个并联的逆变器单元，所述逆变器单元分别与LC振荡电路形成拓扑结构，所述逆变器单元包括多个SiC MOSFET/Si IGBT混合器件，所述SiC MOSFET/Si IGBT混合器件由SiC MOSFET和Si IGBT并联组成。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114257110B (zh) | 2024-03-01 |
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