CN115864659B - 一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法及系统，属于电力传输领域，在能量路由器整机维持正常运行所必需的功率模块基础上，串联多个用于冗余的功率模块，冗余功率模块热备用，参与整机正常运行，故障冗余时，直接快速切除故障，节省冗余模块切换投入时间；自动均衡调节剩余模块平滑输出，规避冗余模块从零瞬时输出调节带来的系统电流电压冲击；在正常运行无功率模块故障时，系统容量裕度大；中央控制器与功率模块控制器主从模式的故障冗余控制方法，两种控制器高速通信交互，相互配合，由中央控制器发布故障冗余控制指令，功率模块高压控制器执行指令，保证控制时效性，提高控制安全可靠性。

Description

一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法及系统

技术领域

本发明属于电力传输领域，具体涉及一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法及系统。

背景技术

能量路由器是通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器，也叫做电力电子变压器、直流变压器等，其在电力传输应用中有LLC谐振型软开关能量路由器、CLLC谐振型能量路由器及DAB移相型能量路由器等多种拓扑结构，能量路由器除了具有传统变压器的电压变换和电气隔离功能以外，还具有潮流双向控制、电能质量控制、装置自保护与自诊断、通讯与信息交换等多种功能，适用于光伏发电、储能和多元负荷的灵活接入，尤其适合接入数据中心。它是搭建柔性直流配电网的神经元，具有不替代的重要作用。

作为一种应用于柔性直流配电系统的电力电子设备，能量路由器设备自身的可靠性对于电网的安全可靠运行尤其重要。利用冗余和容错技术可以有效改善提高能量路由器的可靠性。针对能量路由器的冗余容错控制方法，通常需要重新计算电压矢量或载波移相角，或改变调制比，或备用转投入，比如中国专利CN103916041A、中国专利CN103560689A和CN107546844A等。这些已有方案的缺点是功率模块故障后控制方法复杂，或者需要重新计算各模块的调制信号，或者备用与投入切换，因而使得动态切换过渡时间较长，且在冗余切换时产生电流冲击。CN107546844A，一种电力电子变压器级联功率模块冗余容错控制方法，适用于级联H桥型电力电子变压器。当级联功率模块发生故障时，在满足容错运行条件的情况下，将故障功率模块旁路，并将故障功率模块的开关器件触发信号重新分配给一个冗余模块，使电力电子变压器平滑冗余切换，实现冗余切换的无间隙性和准确性。针对专利CN107546844A，其执行功率模块冗余切换的操作步骤中，执行故障功率模块的旁路指令与冗余模块的投入参与调制，对于切换操作的同步性和可靠性要求非常高，技术实现方法非常具有挑战性。而且冗余模块直接使用原故障模块的H桥脉宽调制信号在整机输出整体效果看确实是平滑切换，但是对于冗余模块，从备用状态的零电压输出，瞬间切换变为投入状态的既有相应电压输出又有相应电流输出，这样急速的暂态冲击，冗余功率模块及其整机系统需要强的承受能力，存在很大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法及系统，以克服现有动态切换过渡时间较长，且在冗余切换时产生电流冲击的问题，本发明能够在能量路由器启动和运行的过程中控制冗余范围内的故障功率模块旁路，稳定能量路由器启动或正常输出以提高能量路由器的可靠性、稳定性。

一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法，包括以下步骤：

S1，在能量路由器整机维持正常运行所必需的功率模块基础上，连接多个用于冗余的功率模块；

S2，采用功率模块控制器实时监控各功率模块状态，同时将监控数据传输至中央控制器，如果功率模块在设定的时限内收到中央控制器指令，该功率模块按照中央控制器指令执行，并将功率模块自身状态信息反馈给中央控制器；如果功率模块在设定的时限内未收到中央控制器指令，则该功率模块判定接收通信中断，控制该功率模块的IGBT闭锁，控制该功率模块的旁路开关保持分闸状态，并持续向中央控制器上送功率模块状态信息。

优选的，所有功率模块均参与设备正常工作，用于冗余的功率模块处于热备状态。

优选的，如果中央控制器收到功率模块的故障信息或者根据功率模块的状态信息判断该功率模块发生故障，中央控制器判断故障功率模块数m是否超过冗余数n，如果故障功率模块数m超过冗余数n，中央控制器判断整机无法再正常启动或运行，进入紧急停机状态，控制整机停止启动或运行；

如果故障功率模块数m不超过冗余数n，中央控制器判断整机是否处在正常运行状态，如果整机处在正常运行状态，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合其旁路开关和IGBT闭锁，接收故障模块反馈的状态信息；如果整机处于非启动状态，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合该故障功率模块旁路开关，接收故障功率模块反馈的合闸状态信息后继续完成整机启动流程。

优选的，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合其旁路开关和IGBT闭锁，接收故障模块反馈的状态信息的同时根据现有正常运行的功率模块实时上送的电压电流信号计算出适当的调制脉宽信号发送给正在运行的功率模块使其平滑地恢复到整机的目标运行状态。

优选的，持续向中央控制器上送功率模块状态信息包括故障、闭锁和接收通信中断信息。

一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，包括若干维持正常运行的功率模块和若干冗余功率模块，若干维持正常运行的功率模块和若干冗余功率模块结构相同，均包括高压单元和低压单元，高压单元和低压单元之间连接中频变压器；若干维持正常运行的功率模块的高压侧和若干冗余功率模块的高压侧串联，若干维持正常运行的功率模块的低压侧和若干冗余功率模块的低压侧并联；每个功率模块的高压单元连接一个高压单元控制器，每个功率模块的低压单元连接一个低压单元控制器，各高压单元控制器和低压单元控制器连接于同一个中央控制器。

优选的，每个功率模块的高压单元并联一个旁路开关。

优选的，每个功率模块的高压单元控制器与该功率模块的低压单元控制器通过光纤构成双向通信回路。

优选的，中央控制器与每个功率模块的高压单元控制器和低压单元控制器均通过光纤构成双向通信回路。

优选的，每个功率模块的高压单元控制器或低压单元控制器实时监控各功率模块状态，同时将监控数据传输至中央控制器，如果功率模块在设定的时限内收到中央控制器指令，该功率模块按照中央控制器指令执行，并将该功率模块自身状态信息反馈给中央控制器；如果功率模块在设定的时限内未收到中央控制器指令，则该功率模块判定接收通信中断，控制该功率模块的IGBT闭锁，控制该功率模块的旁路开关保持分闸状态，并持续向中央控制器上送该功率模块状态信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法，在能量路由器整机维持正常运行所必需的功率模块基础上，串联多个用于冗余的功率模块，冗余功率模块热备用，参与整机正常运行，故障冗余时，直接快速切除故障，节省冗余模块切换投入时间；自动均衡调节剩余模块平滑输出，规避冗余模块从零瞬时输出调节带来的系统电流电压冲击；在正常运行无功率模块故障时，系统容量裕度大。

本发明一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，中央控制器与功率模块控制器主从模式的故障冗余控制方法，两种控制器高速通信交互，相互配合，由中央控制器发布故障冗余控制指令，功率模块高压控制器执行指令，保证控制时效性，提高控制安全可靠性。

由功率模块高压控制器直接控制旁路开关合闸，减少旁路开关控制器的投入，从系统保护角度考虑旁路开关合闸控制指令由中央控制器下发由功率模块执行，功率模块不能自主控制旁路开关合闸。

附图说明

图1为本发明实施例中能量路由器功率模块拓扑结构示意图。

图2为本发明实施例中控制系统结构示意图。

图3为本发明实施例中功率模块故障冗余控制流程图。

图4为本发明实施例中中央控制器故障冗余控制流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提供一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，包括若干维持正常运行的功率模块和若干冗余功率模块，若干维持正常运行的功率模块和若干冗余功率模块结构相同，均包括高压单元和低压单元，高压单元和低压单元之间连接中频变压器；若干维持正常运行的功率模块的高压侧和若干冗余功率模块的高压侧串联，若干维持正常运行的功率模块的低压侧和若干冗余功率模块的低压侧并联，每个功率模块的高压单元并联一个旁路开关；每个功率模块的高压单元连接一个高压单元控制器，每个功率模块的低压单元连接一个低压单元控制器，每个功率模块的高压单元控制器与该功率模块的低压单元控制器由光纤构成双向通信回路，各高压单元控制器和低压单元控制器连接于同一个中央控制器；中央控制器与每个台功率模块的高压单元控制器和低压单元控制器均由光纤构成双向通信回路。

实施例

如图1所示，以能量路由器的功率模块拓扑为例，该拓扑包括（N+n）台功率模块，N、n均为正整数，各功率模块的高压侧串联，各功率模块的低压侧并联，N是能量路由器整机维持正常运行所必需的功率模块的最少数量，n是功率模块的冗余数量。

功率模块#1包括高压单元SM1_H和低压单元SM1_L, 高压单元SM1_H和低压单元SM1_L之间通过中频变压器MFT1连接，功率模块#2包括高压单元SM2_H和低压单元SM2_L, 高压单元SM2_H和低压单元SM2_L之间通过中频变压器MFT2连接……，功率模块#N包括高压单元SMN_H和低压单元SMNN_L, 高压单元SMN_H和低压单元SMN_L之间通过中频变压器MFTN连接, 功率模块#N+n包括高压单元SMN+n_H和低压单元SMN+n_L, 高压单元SMN+n_H和低压单元SMN+n_L之间通过中频变压器MFTN+n连接；

功率模块#1的高压单元SM1_H与功率模块#2的高压单元SM2_H连接，功率模块#2的高压单元SM2_H与功率模块#3的高压单元SM3_H连接，以此类推，功率模块#N的高压单元SMN_H与功率模块#N+1的高压单元SMN+1_H连接，功率模块#N+n-1的高压单元SM N+n-1_H与功率模块# N+n的高压单元SM N+n_H连接，各功率模块的低压单元并联。

每个高压单元并联一个对应的旁路开关K_iH,如高压单元SM1_H并联一个对应的旁路开关K_1H，高压单元SM2_H并联一个对应的旁路开关K_2H，以此类推，高压单元SMN_H并联一个对应的旁路开关K_NH。

如图2所示，能量路由器中央控制器与功率模块控制器系统结构图，其中每个功率模块包括高压单元控制器和低压单元控制器，且高压单元控制器监控其对应的旁路开关，同一台功率模块的高压单元控制器和低压单元控制器之间通过光纤构成双向通信回路，每个功率模块的高压单元控制器和低压单元控制器连接同一中央控制器，通过光纤构成双向通信回路。

本发明一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法，包括以下步骤：

S1，在能量路由器整机维持正常运行所必需的功率模块基础上，连接多个用于冗余的功率模块；

如图3所示，功率模块正常启动或运行，同时中央控制器正常运行，所有功率模块均参与设备正常工作，所有功率模块的调制输出电压、电流信号（电压为U₀，电流为I₀）保持一致，用于冗余的功率模块处于热备状态。

S2，采用每个功率模块的高压单元控制器或低压单元控制器实时监控各功率模块状态，同时将监控数据传输至中央控制器，如果功率模块在设定的时限内收到中央控制器指令，该功率模块按照中央控制器指令执行，并将该功率模块自身状态信息反馈给中央控制器；如果功率模块在设定的时限内未收到中央控制器指令，则该功率模块判定接收通信中断，控制该功率模块的IGBT闭锁，控制该功率模块的旁路开关保持分闸状态，并持续向中央控制器上送该功率模块状态信息。

如图4所示，如果中央控制器收到功率模块的故障信息或者根据功率模块的状态信息判断该功率模块发生故障，中央控制器判断故障功率模块数m是否超过冗余数n，如果故障功率模块数m超过冗余数n，中央控制器判断整机无法再正常启动或运行，进入紧急停机状态，控制整机停止启动或运行；

如果故障功率模块数m不超过冗余数n，中央控制器判断整机是否处在正常运行状态，即是否为整机启动状态，如果整机处在正常运行状态，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合该故障功率模块旁路开关和IGBT闭锁，接收故障模块反馈的状态信息；同时，根据现有正常运行的功率模块（N+n-m）实时上送的电压电流信号计算调制脉宽信号发送给正在运行的功率模块（N+n-m），使整机平滑地恢复到目标运行状态；如果整机处于非启动状态，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合该故障功率模块旁路开关，接收故障功率模块反馈的合闸状态信息后继续完成整机启动流程。持续向中央控制器上送功率模块状态信息包括故障、闭锁和接收通信中断信息。

具体的：

当中央控制器判断在功率模块冗余范围内发生故障时，故障功率模块数m不超过冗余数n，即m≤n，控制故障功率模块所在的旁路退出运行，由剩余的正常功率模块（N+n-m）分担故障功率模块的输出，这种情况下，通常功率模块输出电压不变U₀，电流由原来的I₀变为（I₀+m* I₀/(N+n-m)），其电流变化量ΔI=m* I₀/( N+n-m)；由于实际情况下N远大于n，可确定ΔI远小于I₀，由此可以看出热备用冗余控制时，没有冗余模块投入的切换环节，输出电压不变，电流变化量也小于冷备用的方式，对功率模块的冲击较小，在一定程度上能更快、更平滑、更平稳的完成故障冗余控制。另外，本发明兼顾了能量路由器在整机启动时功率模块故障冗余的控制方法。

本发明用于功率模块控制的控制器分为高压控制器与低压控制器，彼此通过光纤通信互联，同时高压控制器与低压控制器分别与中央控制器光纤通信互联构成以一个中央控制器为核心的控制系统，功率模块高压侧内部集成旁路开关，由功率模块高压控制器直接控制旁路开关合闸，减少旁路开关控制器的投入，从系统保护角度考虑旁路开关合闸控制指令由中央控制器下发，由功率模块执行，功率模块不能自主控制旁路开关合闸。

判断功率模块故障，一方面是功率模块自检上送给中央控制器，另一方面则是由中央控制器综合所有功率模块上送的正常信息后进行判断，中央控制器收不到功率模块控制器上送信息自动判断该功率模块故障。中央控制器没有收集到所有旁路开关位置信息即判断运行故障控制整机停止运行。

本发明采用冗余功率模块热备用，参与整机正常运行，在正常运行时（无功率模块故障）功率模块都是降额运行。本发明中央控制器与功率模块控制器主从模式的故障冗余控制方法，两种控制器高速通信交互，相互配合，由中央控制器发布故障冗余控制指令，功率模块高压控制器执行指令，保证控制时效性，提高控制安全可靠性。

冗余功率模块热备用，参与整机正常运行，故障冗余时，直接快速切除故障，节省冗余模块切换投入时间；自动均衡调节剩余功率模块平滑输出，规避冗余模块从零瞬时输出调节带来的系统电流电压冲击；在正常运行无功率模块故障时，系统容量裕度大。本发明既适用于整机正常运行状态控制，还适用于整机启动过程中的故障冗余控制。

Claims (8)

1.一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在能量路由器整机维持正常运行所必需的功率模块基础上，连接多个用于冗余的功率模块；

S2，采用功率模块控制器实时监控各功率模块状态，同时将监控数据传输至中央控制器，如果功率模块在设定的时限内收到中央控制器指令，该功率模块按照中央控制器指令执行，并将功率模块自身状态信息反馈给中央控制器；如果功率模块在设定的时限内未收到中央控制器指令，则该功率模块判定接收通信中断，控制该功率模块的IGBT闭锁，控制该功率模块的旁路开关保持分闸状态，并持续向中央控制器上送功率模块状态信息；所有功率模块均参与设备正常工作，用于冗余的功率模块处于热备状态；如果中央控制器收到功率模块的故障信息或者根据功率模块的状态信息判断该功率模块发生故障，中央控制器判断故障功率模块数m是否超过冗余数n，如果故障功率模块数m超过冗余数n，中央控制器判断整机无法再正常启动或运行，进入紧急停机状态，控制整机停止启动或运行；

如果故障功率模块数m不超过冗余数n，中央控制器判断整机是否处在正常运行状态，如果整机处在正常运行状态，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合其旁路开关和IGBT闭锁，接收故障模块反馈的状态信息；如果整机处于非启动状态，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合该故障功率模块旁路开关，接收故障功率模块反馈的合闸状态信息后继续完成整机启动流程。

2.根据权利要求1所述的一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法，其特征在于，中央控制器发布指令控制故障功率模块闭合其旁路开关和IGBT闭锁，接收故障模块反馈的状态信息的同时根据现有正常运行的功率模块实时上送的电压电流信号计算出适当的调制脉宽信号发送给正在运行的功率模块使其平滑地恢复到整机的目标运行状态。

3.根据权利要求1所述的一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法，其特征在于，持续向中央控制器上送功率模块状态信息包括故障、闭锁和接收通信中断信息。

4.一种基于权利要求1所述的能量路由器串联功率模块故障冗余控制方法的能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，其特征在于，包括若干维持正常运行的功率模块和若干冗余功率模块，若干维持正常运行的功率模块和若干冗余功率模块结构相同，均包括高压单元和低压单元，高压单元和低压单元之间连接中频变压器；若干维持正常运行的功率模块的高压侧和若干冗余功率模块的高压侧串联，若干维持正常运行的功率模块的低压侧和若干冗余功率模块的低压侧并联；每个功率模块的高压单元连接一个高压单元控制器，每个功率模块的低压单元连接一个低压单元控制器，各高压单元控制器和低压单元控制器连接于同一个中央控制器。

5.根据权利要求4所述的一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，其特征在于，每个功率模块的高压单元并联一个旁路开关。

6.根据权利要求4所述的一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，其特征在于，每个功率模块的高压单元控制器与该功率模块的低压单元控制器通过光纤构成双向通信回路。

7.根据权利要求4所述的一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，其特征在于，中央控制器与每个功率模块的高压单元控制器和低压单元控制器均通过光纤构成双向通信回路。

8.根据权利要求4所述的一种能量路由器串联功率模块故障冗余控制系统，其特征在于，每个功率模块的高压单元控制器或低压单元控制器实时监控各功率模块状态，同时将监控数据传输至中央控制器，如果功率模块在设定的时限内收到中央控制器指令，该功率模块按照中央控制器指令执行，并将该功率模块自身状态信息反馈给中央控制器；如果功率模块在设定的时限内未收到中央控制器指令，则该功率模块判定接收通信中断，控制该功率模块的IGBT闭锁，控制该功率模块的旁路开关保持分闸状态，并持续向中央控制器上送该功率模块状态信息。

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