CN115912518A - 可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，包括多个局部模块和多个隔离开关，每个局部模块分别与公共高频母线连接，隔离开关设置在公共高频母线与局部模块的高频变压器之间；多个局部模块控制器，局部模块控制器与局部模块连接，用于检测局部模块是否发生故障，生成局部模块的故障信号；多个隔离开关控制器，隔离开关控制器与隔离开关和局部模块控制器连接，用于接收局部模块的故障信号，并根据故障信号控制对应的局部模块的隔离开关断开，以阻断公共高频母线与故障的局部模块间的功率传递通路。由此，能够使电能路由器在不影响其余模块正常运行的前提下，切除局部模块，提升了系统的安全可靠性。

Description

可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器。

背景技术

随着光伏、风电等分布式能源的不断发展，能够为多种能源、储能设备和负荷同时提供接口、实现不同设备间能量管理和协调控制的电力电子变换装置——电能路由器(Electric energy router，EER)得到越来越多的关注，其具有端口数量多、功率双向流动、输入输出电压范围宽和电气隔离等优点，随着电能路由器相关研究的不断推进，目前已有多种电能路由器拓扑结构被提出，其中共高频母线电能路由器(High-frequency-buselectric energy router，HFB-EER)又因器件数量少、成本较低、功率密度较高等优势，具有良好的应用前景。

现有的共高频母线电能路由器拓扑如图1所示，其以模块化多有源桥结构(modular-multiactive-bridge，MMAB)为核心，如图2所示，MMAB多个模块的高频交流侧并联至公共高频母线，正常运行时以公共高频母线为能量汇聚中心，各模块采用移相控制实现模块之间的能量交互。

实际运行过程中，局部模块可能因故障或作为冗余备用模块等因素，需封锁器件脉冲停止运行，然而如图2所示，根据现有共高频母线电能路由器及其核心MMAB的电路拓扑结构，闭锁模块的高频交流侧H桥为二极管整流桥，在系统杂散参数引起的振荡影响下，高频母线电压幅值将明显高于模块直流侧电压，导致整流桥导通，高频母线向闭锁模块传输功率，可能造成故障模块的元器件损坏或冗余模块直流电容过压，甚至影响整体系统安全运行，因此，现有共高频母线电能路由器不具备局部模块切除能力，影响了系统的安全可靠性。

针对共高频母线电能路由器局部模块切除问题，现有的解决方案是：根据局部模块整流桥导通特性，通过对高频母线电压的精确控制，抑制系统振荡，使母线电压幅值降低，当其不高于局部模块直流侧电压时，整流桥将处于关断状态，从而能阻断高频母线与局部模块间的功率传输，但这类方案实际应用中对控制精度要求高，难以保证完全抑制振荡且母线电压幅值不高于局部模块直流侧电压，从而无法有效阻断功率传输，并不适合于局部模块切除和共高频母线电能路由器安全防护。

为此，需要一种更为通用和可靠的方案，使共高频母线电能路由器能够在保证其余模块正常运行的同时，切除因故障或冗余等因素需要停止运行的局部模块。

发明内容

本申请提供一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，以解决局部模块因故障或冗余封锁H桥器件脉冲时，无法阻断高频母线与局部模块间的功率传输，影响系统安全运行的问题。

本申请第一方面实施例提供一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，包括：多个局部模块，每个局部模块分别与公共高频母线连接；多个隔离开关，所述隔离开关设置在所述公共高频母线与所述局部模块的高频变压器之间；多个局部模块控制器，所述局部模块控制器与所述局部模块连接，用于检测所述局部模块是否发生故障，生成所述局部模块的故障信号；多个隔离开关控制器，所述隔离开关控制器与所述隔离开关和所述局部模块控制器连接，用于接收所述局部模块的故障信号，并根据所述故障信号控制对应的局部模块的隔离开关断开，以阻断所述公共高频母线与故障的局部模块间的功率传递通路。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：供电模块，所述供电模块与所述多个隔离开关控制器连接，用于在所述电能路由器启动时，为所述多个隔离开关控制器供电。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述隔离开关为机械开关或电力电子开关。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述隔离开关控制器与所述局部模块控制器通过光纤连接。

本申请第二方面实施例提供一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法，用于上述的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，所述控制方法包括以下步骤：识别所述电能路由器的工作状态，在所述电能路由器启动时，控制供电模块为所述电能路由器供电；检测所述多个局部模块的工作状态，在检测到任一局部模块的故障信号时，控制故障的局部模块的隔离开关断开。

本申请实施例的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，通过在电能路由器高频母线和模块间安装隔离开关，在其余模块正常工作的前提下，当局部模块因故障或冗余封锁H桥器件脉冲时，通过控制器将隔离开关关断，以阻断高频母线与局部模块间的功率传输，实现局部模块切除，提升了系统的安全可靠性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为共高频母线电能路由器拓扑示意图；

图2为HFB-EER核心——MMAB拓扑结构示意图；

图3为根据本申请实施例提供的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器结构示意图；

图4为根据本申请实施例提供的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器中安装隔离开关及控制器的MMAB示意图；

图5为根据本申请实施例提供的一种MMAB及模块隔离开关电路模型示意图；

图6为根据本申请实施例提供的一种隔离开关控制器状态切换流程图；

图7为根据本申请实施例提供的一种局部模块封脉冲后的稳态电压电流波形示意图；

图8为根据本申请实施例提供的一种局部模块隔离开关关断过程的电流波形示意图；

图9为根据本申请实施例提供的一种局部模块被切除后的稳态电压电流波形示意图；

图10为根据本申请实施例提供的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

图3为根据本申请实施例提供的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器结构示意图。

如图3所示，该可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器10包括：多个局部模块100、多个隔离开关200、多个局部模块控制器300和多个隔离开关控制器400。

多个局部模块100，每个局部模块分别与公共高频母线连接。

多个隔离开关200，隔离开关设置在公共高频母线与局部模块的高频变压器之间。在隔离开关关断后，不仅能阻断高频母线与模块间的功率传输，实现模块切除，高频变压器也将脱离高频母线，从而不会产生空载损耗。

多个局部模块控制器300，局部模块控制器与局部模块连接，用于检测局部模块是否发生故障，生成局部模块的故障信号。

多个隔离开关控制器400，隔离开关控制器与隔离开关和局部模块控制器连接，用于接收局部模块的故障信号，并根据故障信号控制对应的局部模块的隔离开关断开，以阻断公共高频母线与故障的局部模块间的功率传递通路。

隔离开关控制器与局部模块控制器通过光纤通讯，当模块发生过压过流等故障，或者作为冗余模块停止运行时，模块控制器将封锁器件脉冲，同时通过光纤把信号发送给隔离开关控制器，由控制器产生关断信号，使隔离开关关断。

在本申请的实施例中，可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器10还包括：供电模块，供电模块与多个隔离开关控制器连接，用于在电能路由器启动时，为多个隔离开关控制器供电。

本申请的实施例通过在电能路由器共高频母线与局部模块之间安装隔离开关及其控制器，隔离开关在局部模块因故障或冗余控制等原因封锁器件脉冲时，通过控制器下达指令关断，以阻断高频母线与模块间的功率传递，使电能路由器具备局部模块切除能力，提升系统安全可靠性。

下面介绍各个模块的具体内容。

本申请的实施例针对图1所示的共高频母线电能路由器，其以图2所示的模块化多有源桥(MMAB)结构为核心，各模块高频交流侧并联至高频母线，开关频率为20kHz。

为使共高频母线电能路由器具备局部模块切除能力，于各模块和公共高频母线之间安装隔离开关及其控制器，如图4所示，隔离开关关断以阻断公共高频母线与局部模块之间的功率传输通路，控制器接收局部模块切除信号后，向隔离开关发送关断指令。

结合图4所示，隔离开关选型可采用机械开关或电力电子开关，工作于高频工况下，隔离开关参数可根据电能路由器电路参数和电能路由器核心部分——模块化多有源桥(modular-multiactive-bridge，MMAB)电路模型确定。

研究表明，机械开关或电力电子开关在参数合适的情况下都能切断20kHz高频电流，因此隔离开关的参数设计是关键，其参数设计应考虑各运行工况下的通态通流、阻态耐压需求等，而最为关键点在于隔离开关杂散电容参数的设计，隔离开关安装于高频母线与模块之间，工作在20kHz高频工况下，其关断后的阻抗不仅包含阻态内阻，还与杂散电容密切相关，分析表明，隔离开关阻断高频母线与模块间功率传输的效果与其关断后的杂散电容密切相关，当局部模块封锁器件脉冲且关断隔离开关后，隔离开关的杂散电容大小将影响局部模块高频交流电压，一般而言杂散电容越低，隔离开关分担的电压越高，局部模块的交流电压幅值越低，当该交流电压幅值低于模块直流侧时，模块整流桥将维持关断状态，从而阻断高频母线与模块间的功率传输。

为针对具体电能路由器设计对应的隔离开关参数，可依据图5的MMAB电路模型，在已知电能路由器各模块参数的前提下，求出不同工况下隔离开关的通流、耐压、杂散电容参数限制等需求，基于此选取合适的机械开关或电力电子开关。图5模型反映了MMAB中各元器件主要杂散参数在高频工况下带来的影响，其中L_s为变压器漏感，R_s为漏阻，R_m为励磁电阻，L_m为励磁电感，励磁阻抗等效至与高频母线相邻的副边侧，C_p为变压器原边线圈分布电容，C_s为副边线圈分布电容，C_ps为原副边线圈间分布电容，C_J为闭锁模块开关结电容。假定模块2为被切除的局部模块，其隔离开关关断后等效为阻态内阻R_B与杂散电容C_B的并联，模块2交流侧电压低于直流侧时表明模块2整流桥不导通，与高频母线间无功率传输，实现模块2的切除，由此求出隔离开关杂散电容参数的限制范围。

隔离开关控制器环节设计如图4所示，其采用独立供电电源，因为模块停止运行并被切除后，模块直流电容电压将因放电降为0，控制器无法从直流电容取电，也就无法使模块重新投入运行，因此需要为控制器设计额外的独立供电电源以支持其正常工作，按照预先设计的控制状态及切换流程进行工作，以完成电能路由器局部模块的切除或投入。控制器的控制指令来自模块控制器，二者之间通过光纤通讯，当模块发生过压过流等故障，或者作为冗余模块停止运行时，模块控制器将下达封锁器件脉冲指令，同时通过光纤把信号发送给隔离开关控制器，由控制器产生驱动信号使隔离开关关断。

针对不同类型的隔离开关——机械开关和电力电子开关，控制器的设计也有所不同。若隔离开关采用机械开关，控制器包括光纤通讯部分和供电选择开关，机械开关通过给其控制励磁线圈供电，使开关主回路动触头在磁力影响下动作，实现机械开关的合闸和分闸，考虑到电能路由器正常运行时，各模块机械开关多保持闭合状态，为减少闭合时的机械开关控制电路二次损耗，机械开关应采用永磁型，控制线圈提供合闸端与分闸端，通过控制器供电电源和选择开关，给合闸/分闸端通控制电后再下电，机械开关仍将保持合闸/分闸状态，从而无需长期通控制电，降低二次损耗。由于控制器独立电源供电，可以为机械开关控制线圈的励磁进行预充电，在不明显增加二次损耗的同时缩短机械开关响应时间。若隔离开关采用电力电子开关，则其控制器包括光纤通讯部分、电力电子器件驱动板及控制板，与模块H桥电力电子开关器件的开通关断控制类似。

控制器的状态和切换流程如图6所示，具体包括：

状态1：停止运行状态，当电能路由器整体系统停止运行时，所有控制器的独立电源不供电，控制器停止运行，隔离开关关断。当电能路由器启动时，独立电源给控制器供电：对计划投入正常运行的模块，对应控制器将由状态1进入状态2以闭合模块隔离开关，使各模块开始正常工作；对于非元器件损坏的故障模块或冗余模块，对应控制器将由状态1进入状态3，隔离开关仍保持关断，但独立电源给控制器供电，以随时准备将模块投入运行。

状态2：隔离开关闭合状态，当模块要进入正常工作状态时，对应控制器进入状态2，在得到电源供电的前提下下达隔离开关闭合指令，隔离开关在该状态下将保持闭合。当电能路由器系统停止运行时，控制器由状态2进入状态1；当控制器对应模块因故障或冗余原因需要被切除时，控制器由状态2进入状态3，下达隔离开关关断指令。

状态3：隔离开关关断状态，当局部模块被切除时，对应控制器进入状态3，在得到电源供电的前提下下达隔离开关关断指令，隔离开关在该状态下将保持关断。当电能路由器系统停止运行时，控制器由状态3进入状态1；当控制器对应的故障模块或冗余模块重新投入正常运行时，控制器由状态3进入状态2，下达隔离开关闭合指令。

实验结果的电路参数如表1所示：

表1电路参数

按照如表1所示参数搭建的共高频母线电能路由器的核心部分——MMAB电路，该电路由三个模块组成，所有模块电路参数相近，额定直流电压为500V，根据参数设计，采用通流能力250A、耐压1600V的机械开关作为隔离开关，其关断阻抗参数见表1，各模块额定功率为10kW。

图7为MMAB正常运行时，封锁其中一模块(标记为模块2)的H桥脉冲，但不关断其隔离开关的稳态电压电流波形，图7表明，仅封锁局部模块器件脉冲而不关断隔离开关的情况下，尽管局部模块高频电流幅值低，但局部模块杂散参数将引发模块交流电压和高频母线电压的振荡，导致其幅值过高而使局部模块整流，无法实现局部模块切除，还因影响高频母线电压而可能干扰其他模块正常工作。

图8、9分别为MMAB正常运行时，封锁其中一模块(标记为模块2)的H桥脉冲，并通过控制器关断其隔离开关的关断过程电流波形和稳态电压电流波形，结果表明，所采用的机械开关能切断20kHz高频电流，在关断隔离开关后，高频母线电压基本由隔离开关承担，因此稳态时局部模块交流电压基本为0，局部模块整流桥将不会导通，高频母线电压振荡也不明显，基本不影响其他模块正常运行。因此，以上结果证实了本发明使共高频母线电能路由器能够在保证其余模块正常运行的前提下，完成局部模块的切除。

本申请实施例的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，能够有效阻断高频母线与局部模块间的功率传输，切除局部模块，保护共高频母线电能路由器正常运行模块，提高系统安全稳定运行能力。利用隔离开关切除局部模块，无需复杂的控制环节设计，且通用性强。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法。

图10为根据本申请实施例提供的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法流程图。

如图10所示，该一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法，用于上述的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，控制方法包括以下步骤：

步骤S101，识别电能路由器的工作状态，在电能路由器启动时，控制供电模块为电能路由器供电。

步骤S102，检测多个局部模块的工作状态，在检测到任一局部模块的故障信号时，控制故障的局部模块的隔离开关断开。

需要说明的是，前述对一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器实施例的解释说明也适用于该实施例的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法，通过对可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器中隔离开关的参数设计，使隔离开关工作于20kHz高频工况下时仍能阻断高频母线与模块间的功率传输，结合隔离开关控制策略完成局部模块的切除，能够使电能路由器在不影响其余模块正常运行的前提下，切除局部模块，提升了系统的安全可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

Claims (5)

1.一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，其特征在于，包括：

多个局部模块，每个局部模块分别与公共高频母线连接；

多个隔离开关，所述隔离开关设置在所述公共高频母线与所述局部模块的高频变压器之间；

多个局部模块控制器，所述局部模块控制器与所述局部模块连接，用于检测所述局部模块是否发生故障，生成所述局部模块的故障信号；

多个隔离开关控制器，所述隔离开关控制器与所述隔离开关和所述局部模块控制器连接，用于接收所述局部模块的故障信号，并根据所述故障信号控制对应的局部模块的隔离开关断开，以阻断所述公共高频母线与故障的局部模块间的功率传递通路。

2.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，还包括：

供电模块，所述供电模块与所述多个隔离开关控制器连接，用于在所述电能路由器启动时，为所述多个隔离开关控制器供电。

3.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，

所述隔离开关为机械开关或电力电子开关。

4.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，所述隔离开关控制器与所述局部模块控制器通过光纤连接。

5.一种可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器的控制方法，用于权利要求1-4任一项所述的可实现局部模块切除的共高频母线电能路由器，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

识别所述电能路由器的工作状态，在所述电能路由器启动时，控制供电模块为所述电能路由器供电；

检测所述多个局部模块的工作状态，在检测到任一局部模块的故障信号时，控制故障的局部模块的隔离开关断开。

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