CN116054123A - 高可靠自供电驱动电源供电系统及容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高可靠自供电驱动电源供电系统及容错控制方法，该高可靠自供电驱动电源供电系统的输入端连接应用系统的高压直流母线，输出端为驱动器供电，包括母线接口变换器、储能接口变换器、驱动电源、顶层控制器和低压直流母线；该驱动电源供电中母线接口变换器采用输入串联/输出并联的直流变压器模块组合构建，可实现“N+1”冗余运行，具有高可靠性。该驱动电源供电系统基于自供电架构，其绝缘设计难度和绝缘配合难度低，有利于中高压变流器自由增压扩容。

Description

高可靠自供电驱动电源供电系统及容错控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种高可靠自供电驱动电源供电系统和一种高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代半导体材料的典型代表。相比Si材料，其具有更宽的禁带宽度、更高的饱和电子速度、更高的电子迁移率、更小的介电常数和更好的导电性能，使SiC器件在高频、高压、高温应用场合具有明显优势。近年来，高压SiC-MOSFET(10kV/15kV)发展迅速。相比相同电压等级的Si-IGBT，其开关频率更高、开关速度更快、开关损耗更小，被誉为是下一代中高压功率变换的“规则改变者”。采用高压SiC-MOSFET替代高压Si-IGBT，可极大提高开关频率，实现中高压变流器的紧凑化、小型化、轻量化。
高性能SiC驱动模块，包括驱动器和驱动电源，是充分发挥高压SiC-MOSFET优势的重要保障。其中，驱动电源是SiC驱动模块的能量源，不仅直接影响SiC-MOSFET驱动器的供电可靠性，还间接影响整个换流器的工作可靠性。考虑到高压SiC-MOSFET的高压、高速和高频工作特性，其驱动电源需具有较高的隔离电压、较低的耦合电容和较高的可靠性。
根据供电来源，驱动电源供电系统可分为外供电架构与自供电架构两种。采用外供电架构时，驱动电源的供电来源于外部独立的低压直流母线，使其可独立于中高压变流器工作，简化了启动和关机时序。然而，变流器的最高工作电压不能超过驱动电源的隔离电压，约束了变流器的增压扩容能力。采用自供电架构时，驱动电源的供电来源于变流器内部的分布式高压直流母线，不仅降低了绝缘设计和绝缘配合的难度，还有利于变流器实现模块化增压扩容，相比外供电驱动电源系统具有明显的先进性。
国内外研究学者已针对自供电驱动电源供电系统开展了研究工作。Hu B和Wang J等在“A self-sustained circuit building block based on 10-kV silicon carbidedevices for high-voltage applications[J].IEEE Journal of Emerging andSelected Topics in Power Electronics,2020,8(3):2801–2811.”中提出了基于有源分压器的自供电驱动电源系统。这种方法简单易行，但是有源分压器的热功耗较低，导致变换效率很低。基于中压开关管的自供电驱动电源系统效率较高。但是，中压开关管成本高、供货量少，限制了其大规模应用。以多只串联的低压开关管代替中压开关管，Chen X等和Modeer T等分别在“Research on a 4000-V ultrahigh-input switched-mode powersupply using series-connected MOSFETs[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2018,33(7):5995–6011.”和“High-voltage tapped-inductor buckconverter utilizing an autonomous high-side switch.IEEE Transactions onIndustrial Electronics[J],2015,62(5):2868–2878.”中研制了4kV/160V和3kV/100V自供电驱动电源供电系统。然而，串联开关管的动态均压控制难度很大，且任一开关管的开路故障将导致变换器无法运行。采用多电平技术，Liu J等在“Auxiliary power supply formedium/high-voltage and high-power solid-state transformers[J].IEEETransactions on Power Electronics,2020,35(5):4791–4803.”中研制了1kV/15V自供电驱动电源供电系统。该方案解决了开关管电压应力高的问题，但不具备容错运行的能力。基于串联模块均压技术Meng T等在“Investigation and implementation of an input-series auxiliary power supply scheme for high-input-voltage low-powerapplications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(1):437–447.”中研制了2.2kV/24V自供电驱动电源供电系统，亦实现了采用多只低压开关代替相同电压等级中压开关管的设计需求。然而，其中所有开关管需要同步开关，增加了驱动时序的控制难度。此外，引入磁集成变压器限制了自供电驱动电源供电系统的容错运行能力。
由上面文献调研可以看出，已公开的自供电驱动电源供电系统存在容错运行能力差或变换效率低的问题。
发明内容
本发明的目的为提出一种高可靠自供电驱动电源供电系统，该系统容错运行能力强。
本发明的另一目的为提出一种高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法，该方法能在故障状态下实现不间断供电。
本发明的具体技术方案如下：
一种高可靠自供电驱动电源供电系统，输入端连接应用系统的高压直流母线，输出端为驱动器供电，包括母线接口变换器、储能接口变换器、驱动电源、顶层控制器和低压直流母线；所述母线接口变换器包括母线接口控制器和N个直流变压器模块，每个直流变压器模块包括旁路电阻、旁路开关、直流变压器主电路和输出二极管；储能接口变换器包括储能接口主电路、储能接口控制器和储能单元；所述驱动电源并联有M个，每个驱动电源包括驱动电源控制器和驱动电源主电路；其中N≥2，M≥1；
所述顶层控制器，接收外部启停机指令ON、低压直流母线电压的采样信号Vbus和母线接口控制器反馈的故障状态信号eDCX，根据采样信号Vbus反馈低压直流母线状态信号Sbus分别至母线接口控制器、储能接口控制器和驱动电源控制器，并根据故障状态信号eDCX反馈故障标志信号kFT至储能接口控制器；
所述母线接口变换器，其中N个直流变压器模块采用输入串联/输出并联的接线方式，输入端与高压直流母线相连，输出端与低压直流母线相连，母线接口控制器根据直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX，以及接收的外部启停机指令ON和顶层控制器反馈的低压直流母线状态信号Sbus，控制故障模块的切除进行容错供电，同时反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器；
所述储能接口变换器，与低压直流母线相连，储能接口控制器根据检测的储能单元的容量标志信号SES，以及接收的外部启停机指令ON、低压直流母线状态信号Sbus和故障标志信号kFT，控制储能接口变换器的充放电状态；
所述驱动电源，输入端与低压直流母线相连，输出端与驱动器相连，驱动电源控制器根据接收的低压直流母线状态信号Sbus，控制驱动电源主电路的启闭并报错。
进一步地，每个直流变压器模块中，输入分别与旁路电阻和直流变压器主电路一个输入端连接，旁路电阻与旁路开关先串联再并联于直流变压器主电路的另一个输入端，输出与二极管串联后连接于低压直流母线之间；母线接口控制器分别与直流变压器主电路和旁路开关相连，母线接口控制器还根据接收的信号，输出旁路开关的驱动指令和直流变压器主电路的驱动信号。
进一步地，储能接口主电路的输入端与储能单元的输出端相连，输出端与低压直流母线相连，储能接口控制器分别与储能单元和储能接口主电路连接，储能接口控制器还接收储能单元反馈的电压信号VES、电流信号iES，向储能接口主电路发出的驱动指令。
进一步地，每个驱动电源中，驱动电源控制器接收驱动电源主电路反馈的电压采压信号Vom，m＝1～M，并向驱动电源控制器发出的驱动指令。
进一步地，所述低压直流母线的负端与系统内高压直流母线分裂电容的中点相连，以保证自供电驱动电源供电系统内各点均具有确定电位。
进一步地，所述驱动器为具有分布式高压直流母线的高压大功率变流器中的开关管驱动器。
进一步地，所述母线接口变换器中的直流变压器主电路采用隔离型PWMDC-DC变换器，如半桥PWMDC-DC变换器、全桥PWMDC-DC变换器；或隔离型谐振DC-DC变换器，如LCC谐振型DC-DC变换器、LLC谐振型DC-DC变换器；
所述储能接口主电路采用双向DC-DC变换器，如双向Buck/Boost变换器，双向有源全桥变换器；
所述驱动电源主电路采用高隔离PWM型变换器，如高隔离半桥PWM DC-DC变换器、高隔离全桥PWM DC-DC变换器；或高隔离谐振型DC-DC变换器，如高隔离LCC谐振型DC-DC变换器、高隔离LLC谐振型DC-DC变换器；或非接触变换器，如串联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器、并联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器。
基于上述高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法，包括以下步骤：
1)接到启停机指令ON＝1时，储能接口变换器软启动，低压直流母线电压缓慢建立，当检测到低压直流母线电压Vbus上升至储能接口变换器额定输出电压时，将低压直流母线状态信号Sbus设置为1，储能接口变换器进入额定放电工况，高压直流母线的分裂储能电容开始预充电，母线接口变换器中各直流变压器模块输出电压缓慢建立；
2)随着高压直流母线电压升高，母线接口变换器中各直流变压器模块的输出电压升高至额定值，二极管导通向驱动电源供电；当顶层控制器接收到低压直流母线电压的采样信号Vbus达额定值时设置低压直流母线状态信号Sbus为2，储能接口变换器进入待机工况，母线接口变换器进入额定工况，供电系统稳定运行；
3)当母线接口控制器接收到某路直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX时，关闭故障的直流变压器主电路；并反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器，设置故障标志信号kFT为1；同时低压直流母线电压升高，设置低压直流线线状态Sbus为3，母线接口变换器进入容错运行工况，供电系统容错运行；
4)当母线接口控制器再次接收到某路直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX时，关闭故障的直流变压器主电路；并反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器，设置故障标志信号kFT为2，储能接口变换器进入额定放电工况；同时低压直流母线电压进一步升高，当低压直流母线电压增量超过阈值时，设置低压直流线线状态Sbus为4，供电系统报错后关闭母线接口变换器、驱动电源及储能接口变换器。
进一步地，当储能接口控制器接收至储能单元反馈的容量状态信号SES＝0，即储能容量不足，则反向启动向储能接口主电路经低压直流母线向储能单元充电。
进一步地，还包括步骤，当接到启停机指令ON＝0时，母线接口变换器、储能接口变换器和驱动电源均进入待机/停机工况。
相比于现有技术本发明具有如下有益效果：
1.本发明提出一种高可靠自供电驱动电源供电系统，该驱动电源供电中母线接口变换器采用输入串联/输出并联的直流变压器模块组合构建，可实现“N+1”冗余运行，具有高可靠性；其直流变压器以定频/定占空比工作，可实现输入电压自均衡和输出电流自均衡；其直流变压器的原边开关管实现零电压开通，副边二极管实现零电流关断，可实现高效功率变换。
2.本发明的驱动电源供电系统中的储能借口变换器集成了微储能单元，其成本较低，可为供电系统提供黑启动能力，并实现开关管驱动器的冗余供电和不间断供电，极大提高了驱动电源供电系统的可靠性。
3.本发明的驱动电源供电系统基于自供电架构，其绝缘设计难度和绝缘配合难度低，有利于中高压变流器自由增压扩容。
4.本发明驱动电源供电系统采用两级式变换架构，具有更灵活的设计自由度，可通过优化低压直流母线电压的取值，来实现自供电驱动电源供电系统在变换效率、功率密度和耦合电容等重要技术指标的全局最优设计。
5.本发明提出一种高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法，该容错控制方法只需采样低压直流母线电压并判断其工作状态，即可使自供电驱动电源供电系统中，母线接口变换器、储能接口变换器和驱动电源协调运行，在正常工况为开关管驱动器高效高质量供电，并可在故障状态下为驱动电源不间断供电。
6.本发明的容错控制方法可为模块化多电平变换器(Modular MultilevelConverter,MMC)、电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)、级联多电平变换器(Cascaded H-Bridge Multilevel Converter,CHB-MLC)等具有分布式高压直流母线的高压大功率变流器中的开关管驱动器供电，提供高质量供电，并保证不间断供电。
附图说明
图1为高可靠自供电驱动电源供电系统框图；
图2为高可靠自供电驱动电源供电系统中部分结构的架构图；
图3为高可靠自供电驱动电源供电系统中部分结构的电路实例图；
图4为高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法的状态图；
图5(a)为储能接口变换器的控制流程图；
图5(b)为母线接口变换器的控制流程图；
图6为流变压器模块的输出外特性曲线图；
图7为母线接口变换器的稳态工作波形图，图7中实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形；
图8为负载突变时母线接口变换器的动态工作波形图，图8中的实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形；
图9为输入电压突变时母线接口变换器的动态工作波形图，图9中的实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形；
图10为故障模块切除过程中母线接口变换器的动态工作波形图；
图11是采用容错控制方法时，高可靠自供电驱动电源供电系统的仿真波形图；
图12(a)为高可靠自供电驱动电源供电系统应用于三相MMC换流器时的系统框图；
图12(b)为高可靠自供电驱动电源供电系统应用于电力电子变压器的系统框图；
图12(c)为高可靠自供电驱动电源供电系统应用于级联多电平变换器的系统框图。
图中，o为高压直流母线分裂储能电容中点，也为驱动电源供电系统接地点；Rn(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的旁路电阻；SWn(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的旁路开关；Qn1和Qn1(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的原边开关管；DRn1和DRn2(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的副边整流二极管；Lfn和Cfn(n＝1,2,…N)分别为第n个直流变压器模块的输出滤波电感和输出滤波电容；Csn1,Csn2,Cpn1和Cpn2(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的四个补偿电容；Dn(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的输出二极管；Vbus为低压直流母线电压；ESIC为储能接口变换器(Energy Storage InterfacedConverter)；BIC为母线接口变换器(Bus InterfacedConverter)；DCX为直流变压器(DCTransformer)；ON为驱动电源系统的启停指令，ON＝0表示关机，ON＝1表示启动；SES为储能容量标志，SES＝0表示储能容量不足，SES＝1表示储能容量充足；eDCX为故障状态信号；kFT为故障标志信号，kFT＝0表示无故障，kFT＝1表示出现单模块故障，kFT＝2表示两模块及其以上故障；Sbus为低压直流母线状态标志，Sbus＝0表示欠压，Sbus＝1表示预充电电压，Sbus＝2表示额定运行工作电压，Sbus＝3表示容错运行工作电压，Sbus＝4表示母线电压阈值；Vinn(n＝1～N)表示第n个直流变压器模块输入电压；Ion(n＝1～N)表示第n个直流变压器模块输出电流；Vom(m＝1,2,…M)表示第m个驱动电源的输出电压；SOC为储能单元容量。
具体实施方式
实施例一：
本发明的一种高可靠自供电驱动电源供电系统，输入端连接应用系统的高压直流母线，输出端为M个驱动器供电，驱动器可采用模块化多电平变换器、电力电子变压器、级联多电平变换器等具有分布式高压直流母线的高压大功率变流器中的开关管驱动器。
如图1所示，该驱动电源供电系统包括母线接口变换器、储能接口变换器、驱动电源、顶层控制器和低压直流母线；母线接口变换器包括母线接口控制器和N个直流变压器模块，每个直流变压器模块包括旁路电阻、旁路开关、直流变压器主电路和输出二极管；储能接口变换器包括储能接口主电路、储能接口控制器和储能单元；驱动电源并联有M个，每个驱动电源包括一个驱动电源控制器和一个驱动电源主电路，每个驱动电源控制器为一个驱动器供电；其中N≥2，M≥1；
顶层控制器，接收外部启停机指令ON、低压直流母线电压的采样信号Vbus和母线接口控制器反馈的故障状态信号eDCX，根据采样信号Vbus反馈低压直流母线状态信号Sbus分别至母线接口控制器、储能接口控制器和驱动电源控制器，并根据故障状态信号eDCX反馈故障标志信号kFT至储能接口控制器；
母线接口变换器用于将高压直流母线电压变换为低压直流母线电压，其中直流变压器模块1～直流变压器模块N采用输入串联/输出并联的接线方式，既降低了各模块开关管的电压应力，又均分了各模块开关管的电流应力和热应力，其输入端与高压直流母线相连，输出端与低压直流母线相连，母线接口控制器根据直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX，以及接收的外部启停机指令ON和顶层控制器反馈的低压直流母线状态信号Sbus，控制故障模块的切除进行容错供电，同时反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器；
储能接口变换器可双向功率传输，其作用是：1)当母线接口变换器故障时，支撑低压直流母线，以为驱动电源不间断供电；2)在高压直流母线电压尚未建立前，先建立自供电驱动电源供电系统中的低压直流母线电压，以简化母线接口主电路的启动过程；3)当储能单元容量较低时，为其充电，确保储能单元能量充足。其与低压直流母线相连，储能接口控制器根据检测的储能单元的容量标志信号SES，以及接收的外部启停机指令ON、低压直流母线状态信号Sbus和故障标志信号kFT，控制储能接口变换器的充放电状态；
驱动电源的作用是为驱动器提供稳定的工作电压，其输入端与低压直流母线相连，输出端与驱动器相连，驱动电源控制器根据接收的低压直流母线状态信号Sbus，控制驱动电源主电路的启闭并报错。
实施例二：
本实施例的进一步可选设计在于：如图1所示，每个直流变压器模块中，输入分别与旁路电阻和直流变压器主电路一个输入端连接，旁路电阻与旁路开关先串联再并联于直流变压器主电路的另一个输入端，输出与二极管串联后连接于低压直流母线之间；母线接口控制器分别与直流变压器主电路和旁路开关相连，母线接口控制器还根据接收的信号，输出旁路开关的驱动指令和直流变压器主电路的驱动信号。
储能接口主电路的输入端与储能单元的输出端相连，输出端与低压直流母线相连，储能接口控制器分别与储能单元和储能接口主电路连接，储能接口控制器还接收储能单元反馈的电压信号VES、电流信号iES，向储能接口主电路发出的驱动指令。
每个驱动电源中，驱动电源控制器接收驱动电源主电路反馈的电压采压信号Vom，m＝1～M，并向驱动电源控制器发出的驱动指令。
本例中低压直流母线的负端与系统内高压直流母线分裂电容的中点相连，以保证自供电驱动电源供电系统内各点均具有确定电位。
实施例三：
本例对本发明高可靠自供电驱动电源供电系统的系统架构进行分析，驱动电源供电系统中部分结构的架构如图2所示。其中，母线接口变换器由高压直流母线供电，母线接口变换器和储能借口变换器的输出均连接于低压直流母线；M路驱动电源均由低压直流母线供电，输出连接于M路开关管驱动器。母线接口变换器由输入串联/输出并联的N个直流变压器模块组成，可自动实现输入电压自均衡和输出电流自均衡，既降低了各模块的开关管电压应力，又省去了负载的均压/均流控制。
图3为本发明中所提出的高可靠自供电驱动电源供电系统的实例图。图中，母线接口变换器中直流变压器模块采用谐振型DC-DC变换器，储能接口变换器采用可双向功率传输的Boost/Buck变换器，驱动电源采用半桥PWMDC-DC变换器。需要特别说明的是，直流变压器模块的原边电路采用对称半桥结构，副边电路采用全波整流结构，变压器采用串-串并型全容补偿；每路直流变压器内有4个补偿电容，包括：Csn1,Csn2,Cpn1和Cpn2(n＝1～N)，用来补偿变压器的漏感和自感，并调整原边桥臂电压基波分量和原边谐振电流基波分量的相位；Csn1的一端连接于原边电路桥臂中点，另一端连接于变压器原边绕组的同名端；Csn2,Cpn1和Cpn2的一端均连接于副边输出滤波电容的阴极，另一端分别连接于变压器副边绕组的中心抽头点，整流二极管DRn1的阳极和整流二极管DRn2的阳极。Vbus为低压直流母线电压；eDCX表示故障状态信号；母线接口变换器输入电压中，Vinn(n＝1,2,…N)表示第n个直流变压器模块输入电压；母线接口变换器输出电流中，Ion(n＝1,2,…N)表示第n个直流变压器模块输出电流；Vom(m＝1,2,…M)表示第m个驱动电源的输出电压。
实施例四：
本实施例的进一步可选设计在于：母线接口变换器中的直流变压器主电路采用隔离型PWMDC-DC变换器，如半桥PWMDC-DC变换器、全桥PWMDC-DC变换器；或隔离型谐振DC-DC变换器，如LCC谐振型DC-DC变换器、LLC谐振型DC-DC变换器；
储能接口主电路采用双向DC-DC变换器，如双向Buck/Boost变换器，双向有源全桥变换器；
驱动电源主电路需具有较高的电气隔离能力(>3kV)，并具有较小的原副边耦合电容(<5pF)，采用高隔离PWM型变换器，如高隔离半桥PWM DC-DC变换器、高隔离全桥PWM DC-DC变换器；或高隔离谐振型DC-DC变换器，如高隔离LCC谐振型DC-DC变换器、高隔离LLC谐振型DC-DC变换器；或非接触变换器，如串联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器、并联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器。
实施例五：
本实施例提供一种高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法，该容错控制方法可为模块化多电平变换器、电力电子变压器、级联多电平变换器等具有分布式高压直流母线的高压大功率变流器中的开关管驱动器，提供高质量供电，并保证不间断供电。
该容错控制方法包括以下步骤：
1)接到启停机指令ON＝1时，储能接口变换器软启动，低压直流母线电压缓慢建立，当检测到低压直流母线电压Vbus上升至储能接口变换器额定输出电压时，将低压直流母线状态信号Sbus设置为1，储能接口变换器进入额定放电工况，高压直流母线的分裂储能电容开始预充电，母线接口变换器中各直流变压器模块输出电压缓慢建立；
2)随着高压直流母线电压升高，母线接口变换器中各直流变压器模块的输出电压升高至额定值，二极管导通向驱动电源供电；当顶层控制器接收到低压直流母线电压的采样信号Vbus达额定值时设置低压直流母线状态信号Sbus为2，储能接口变换器进入待机工况，母线接口变换器进入额定工况，供电系统稳定运行；
3)当母线接口控制器接收到某路直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX时，关闭故障的直流变压器主电路；并反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器，设置故障标志信号kFT为1；同时低压直流母线电压升高，设置低压直流线线状态Sbus为3，母线接口变换器进入容错运行工况，供电系统容错运行；
4)当母线接口控制器再次接收到某路直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX时，关闭故障的直流变压器主电路；并反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器，设置故障标志信号kFT为2，储能接口变换器进入额定放电工况；同时低压直流母线电压进一步升高，当低压直流母线电压增量超过阈值时，设置低压直流线线状态Sbus为4，供电系统报错后关闭母线接口变换器、驱动电源及储能接口变换器。
该容错控制方法还包括以下步骤，当储能接口控制器接收至储能单元反馈的容量状态信号SES＝0，即储能容量不足，则反向启动向储能接口主电路经低压直流母线向储能单元充电。当接到启停机指令ON＝0时，母线接口变换器、储能接口变换器和驱动电源均进入待机/停机工况。
实施例六：
本实施例对储能接口变换器(以下简称ESIC)和母线接口变换器(以下简称BIC)在本发明容错控制方法中的变化状态进行分析。如图4所示，ESIC共有待机、软启动、放电运行与充电运行4个状态，BIC共有关机、启动、额定运行与容错运行4个状态。
初始，ESIC与BIC处于待机/关机状态。
当接收到系统启动指令时(ON＝1)，ESIC切换到软启动状态，Vbus逐渐上升。
当Vbus上升至ESIC额定输出电压时(Sbus＝1)，ESIC切换到放电运行状态，BIC切换到启动状态。此后，换流器开始工作，高压母线电压逐渐建立，BIC输出电压随之上升。由于输出二极管反向截止，Vbus维持在ESIC额定输出电压值不变，直至BIC输出电压高于ESIC额定输出电压。
当Vbus上升至BIC额定输出电压时(Sbus＝2)，ESIC切换到待机状态，BIC切换到额定运行状态。
当某路直流变压器主电路发生故障时，kFT将被设置为1，切除该故障模块后，低压直流母线电压升高(Sbus＝3)，BIC切换到容错运行状态。
当出现了两路及以上直流变压器主电路故障时，kFT将被设置为2，ESIC切换到放电运行状态。继续切除故障模块后，低压直流母线电压增量超出阈值(Sbus＝4)。为保护开关管，BIC切换到关机状态。此时，低压直流母线已由ESIC控制，实现不间断供电，供电系统报错后ESIC关闭。
值得说明的是，当储能容量不足(SES＝0)时，待机状态下的ESIC切换到充电运行状态，直至储能容量充足(SES＝1)。
还需补充的是，当接收到关机指令(ON＝0)时，无论ESIC和BIC处于何种状态，均切换到待机/停机状态。
图5(a)给出了储能接口变换器ESIC的控制流程图，图5(b)给出了母线接口变换器BIC的控制流程图。
ESIC的运行流程可分为四步：
第一步(ESIC软启动)：接收到系统启动指令(ON＝1)，ESIC进入软启动状态。
第二步(ESIC启动完成/待机运行)：持续监测低压直流母线状态信号Sbus。当Sbus＝2时，ESIC待机运行。
第三步(ESIC工作流)：包含两个子工作流，分别为(a)充电子工作流和(b)放电子工作流：
i)判断系统启停指令ON，若接收到系统关机指令(ON＝0)，直接进入第四步；
ii)判断故障标志kFT，若出现了两路及以上直流变压器主电路故障(kFT＝2)，ESIC进入放电子工作流，以支撑低压直流母线。进入此子工作流后，ESIC维持放电运行，直到报错结束后重新进入待机状态。当其接收到系统关机指令(ON＝0)时，ESIC直接退出整个工作流，进入第四步；
iii)判断储能容量标志SES，若储能容量充足(SES＝1)，则返回工作流起始位置；
iv)若储能容量不足(SES＝0)，则ESIC进入充电子工作流，以为储能单元充电。进入此子工作流后，首先，判断故障计数标志kFT与储能容量状态标志SES。若出现两路及以上直流变压器主电路故障(kFT＝2)或储能充电完成(SES＝1)，则ESIC都将退出充电子工作流，返回工作流起始位置。然后，判断系统启停指令ON，若接收到系统关机指令(ON＝0)，则退出整个工作流，进入第四步。否则，ESIC返回充电子工作流起始位置。
第四步(ESIC待机)：ESIC进入待机状态，运行流程结束。
BIC的运行流程可分为四步：
第一步(BIC启动)：持续监测系统启停指令ON与低压直流母线状态信号Sbus。当低压直流母线电压达到ESIC额定输出时(ON＝1且Sbus＝1)，BIC启动。
第二步(BIC运行)：当低压直流母线电压达到BIC额定输出时，Sbus＝2，BIC进入工作状态。
第三步(BIC工作流)：
i)判断系统启停指令ON，若接收到系统关机指令(ON＝0)，则退出工作流，进入第四步；
ii)判断是否出现故障直流变压器主电路，若存在，则定位并切除该故障模块；
iii)判断低压直流母线状态信号Sbus，若Sbus＝4，则退出工作流，进入第四步。否则，返回工作流起始位置。
第四步(BIC停机)：关闭BIC，运行流程结束。
由上述流程图可以看出，采用本发明所提出的容错控制方法，只需采样低压直流母线电压并判断其工作状态，即可使自供电驱动电源供电系统中多个变换器协调运行，以在故障状态下为驱动电源不间断供电。
测试实例一：
本测试实施例采用仿真模拟试验的方法对母线接口变换器中直流变压器模块的输出特性进行研究，仿真模拟所采用的主要参数如下：
该仿真模拟试验所使用的主要参数如下：
·高压直流母线电压：6kV
·低压直流母线电压：48V
·驱动电压输出电压：24V
·额定功率：100W
·直流变压器模块数：N＝6
·驱动电源数：M＝2
·开关器件：IMBF170R650M1
·开关频率：100kHz
·变压器原边漏感：0.05μH
·输出滤波电感：10μH
·输出滤波电容：47μ
图6给出了直流变压器模块的输出特性曲线。由图6可以看出，当负载从空载增加至满载时，输出电压从49.9V跌落至48.0V，近似实现了恒压输出。
图7～图10给出了测试实例一中自供电驱动电源供电系统的稳态和动态工作波形。
图7给出了母线接口变换器的稳态工作波形。图中，实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形。可以看出，稳态工作时，每路直流变压器模块的输入电压均为1kV，输出电流均约为0.35A。尽管未采用任何均压/均流措施，该6路直流变压器模块实现了输入电压稳态自均衡和输出电流稳态自均衡。
图8给出了总负载在20％满载电流和满载电流间突变时，母线接口变换器的工作波形。图中，实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形。可以看出，负载突变过程中，每路直流变压器模块的输入电压始终为1kV，实现了输入电压动态自均衡；每路直流变压器模块的输出电流相等，并跟随总负载电流等比例升高(或降低)，实现了输出电流动态自均衡。
图9给出了总输入电压在90％额定电压和110％额定电压间变化时，母线接口变换器的工作波形。图中，实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形。可以看出，输入电压变化过程中，每路直流变压器模块的输入电压相等，并跟随总输入电压等比例升高(或降低)，实现了输入电压动态自均衡；每路直流变压器模块输出电流始终约为0.35A，实现了输出电流动态自均衡。
图10给出了故障模块切除过程中母线接口变换器的动态工作波形。图中，实线为输入电压波形，虚线为输出电流波形。可以看出，故障模块切除过程中，故障模块输入电压由1kV逐渐降低至0，其余模块输入电压由1kV逐渐上升为1.2kV，重新均分了总输入电压；故障模块输出电流直接降低至0，其余模块输出电流立即由0.35A上升为0.41A,重新均分总负载电流。
测试实例二：
本测试实施例采用仿真模拟试验的方法对高可靠自供电驱动电源供电系统在不同工况下的仿真波形进行研究。该仿真模拟试验包括驱动电源供电系统从启动到关机的全部过程，并加入了关键事件，关键时间，包括储能单元充电、单个直流变压器模块故障和多个直流变压器模块，如图11所示，具体如下：
[t1,t2]:t1时刻，自供电驱动电源供电系统启动(ON＝1)，储能接口变换器软启动，Vbus缓慢线性上升。t2时刻，储能接口变换器输出达到额定输出，Sbus设置为1。
[t2,t3]:从t2时刻开始，母线接口变换器启动，其输出电压上升。在此期间，Vbus由储能接口变换器控制，储能单元处于放电状态。t3时刻，母线接口变换器输出达到储能接口变换器额定输出，Sbus设置为2。此后，母线接口变换器输出继续上升，直至进入稳态工作。需要说明的是，母线接口变换器的稳态输出电压略高于储能接口变换器的额定输出电压。
[t3,t4]:储能接口变换器返回待机工况，驱动供电母线由母线接口变换器供电。
[t4,t5]:t4时刻，检测到SOC低于下限阈值，则储能接口变换器进入充电工况，并按照涓流充电-恒流充电-恒压充电-充电终止的程序为储能单元充电。注意到，充电仿真耗时较长，这里取90％为SOC的上限阈(即SOC＝90％时结束充电)。
[t5,t6]:储能单元充电结束，储能接口变换器再次返回待机工况。在此期间，驱动供电母线仍由母线接口变换器供电。
[t6,t7]:t6时刻，若某一直流变压器模块发生故障，则将kFT置为1。故障模块切除后，母线接口变换器进入容错运行模式，Vbus上升。重新进入稳态后，将Sbus置为3。
[t7,t8]:t7时刻，若再次出现直流变压器模块，则将kFT置为2，储能接口变换器重新进入放电工况。故障模块切除后，Vbus进一步上升。当其增量超过阈值时，将Sbus置为4，母线接口变换器停止工作。
[t8,t9]:Vbus再次由储能接口变换器控制。t8时刻，Vbus下降至储能接口变换器的额定输出电压。此时，将Sbus重新设置为1。t9时刻，接收到关机指令(ON＝0)，储能接口变换器重返待机工况。
根据以上仿真结果可知，采用本发明所提出的容错控制方法，母线接口变换器和储能接口变换器可在故障工况下很好地协同工作，实现了自供电驱动电源供电系统的高可靠容错运行。
应用实例：
图12(a)～图12(c)分别给出了本发明所提出的高可靠自供电驱动电源供电系统在模块化多电平变换器、电力电子变压器和级联多电平变换器中的应用实例。可以看出，将自供电驱动电源系统连接于分布式高压直流母线和开关管驱动器之间，即可实现开关管驱动器的高质量自供电。因此，本发明所提出的自供电驱动电源系统具有很好的通用性和延展性，可应用于各种具有分布式高压直流母线的中高压变流器。

Claims (10)

1.一种高可靠自供电驱动电源供电系统，输入端连接应用系统的高压直流母线，输出端为驱动器供电，其特征在于：包括母线接口变换器、储能接口变换器、驱动电源、顶层控制器和低压直流母线；所述母线接口变换器包括母线接口控制器和N个直流变压器模块，每个直流变压器模块包括旁路电阻、旁路开关、直流变压器主电路和输出二极管；储能接口变换器包括储能接口主电路、储能接口控制器和储能单元；所述驱动电源并联有M个，每个驱动电源包括驱动电源控制器和驱动电源主电路；其中N≥2，M≥1；
所述顶层控制器，接收外部启停机指令ON、低压直流母线电压的采样信号Vbus和母线接口控制器反馈的故障状态信号eDCX，根据采样信号Vbus反馈低压直流母线状态信号Sbus分别至母线接口控制器、储能接口控制器和驱动电源控制器，并根据故障状态信号eDCX反馈故障标志信号kFT至储能接口控制器；
所述母线接口变换器，其中N个直流变压器模块采用输入串联/输出并联的接线方式，输入端与高压直流母线相连，输出端与低压直流母线相连，母线接口控制器根据直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX，以及接收的外部启停机指令ON和顶层控制器反馈的低压直流母线状态信号Sbus，控制故障模块的切除进行容错供电，同时反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器；
所述储能接口变换器，与低压直流母线相连，储能接口控制器根据检测的储能单元的容量标志信号SES，以及接收的外部启停机指令ON、低压直流母线状态信号Sbus和故障标志信号kFT，控制储能接口变换器的充放电状态；
所述驱动电源，输入端与低压直流母线相连，输出端与驱动器相连，驱动电源控制器根据接收的低压直流母线状态信号Sbus，控制驱动电源主电路的启闭并报错。
2.根据权利要求1所述的高可靠自供电驱动电源供电系统，其特征在于：每个直流变压器模块中，输入分别与旁路电阻和直流变压器主电路一个输入端连接，旁路电阻与旁路开关先串联再并联于直流变压器主电路的另一个输入端，输出与二极管串联后连接于低压直流母线之间；母线接口控制器分别与直流变压器主电路和旁路开关相连，母线接口控制器还根据接收的信号，输出旁路开关的驱动指令和直流变压器主电路的驱动信号。
3.根据权利要求1所述的高可靠自供电驱动电源供电系统，其特征在于：储能接口主电路的输入端与储能单元的输出端相连，输出端与低压直流母线相连，储能接口控制器分别与储能单元和储能接口主电路连接，储能接口控制器还接收储能单元反馈的电压信号VES和电流信号iES，并向储能接口主电路发出的驱动指令。
4.根据权利要求1所述的高可靠自供电驱动电源供电系统，其特征在于：每个驱动电源中，驱动电源控制器接收驱动电源主电路反馈的电压采压信号Vom，m＝1～M，并向驱动电源控制器发出的驱动指令。
5.根据权利要求1所述的高可靠自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述低压直流母线的负端与系统内高压直流母线分裂电容的中点相连，以保证自供电驱动电源供电系统内各点均具有确定电位。
6.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于：所述驱动器为具有分布式高压直流母线的高压大功率变流器中的开关管驱动器。
7.根据权利要求1所述的高可靠自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述母线接口变换器中的直流变压器主电路采用隔离型PWMDC-DC变换器，如半桥PWMDC-DC变换器、全桥PWMDC-DC变换器；或隔离型谐振DC-DC变换器，如LCC谐振型DC-DC变换器、LLC谐振型DC-DC变换器；
所述储能接口主电路采用双向DC-DC变换器，如双向Buck/Boost变换器，双向有源全桥变换器；
所述驱动电源主电路采用高隔离PWM型变换器，如高隔离半桥PWM DC-DC变换器、高隔离全桥PWM DC-DC变换器；或高隔离谐振型DC-DC变换器，如高隔离LCC谐振型DC-DC变换器、高隔离LLC谐振型DC-DC变换器；或非接触变换器，如串联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器、并联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器。
8.基于权利要求1～7任一所述的高可靠自供电驱动电源供电系统的容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)接到启停机指令ON＝1时，储能接口变换器软启动，低压直流母线电压缓慢建立，当检测到低压直流母线电压Vbus上升至储能接口变换器额定输出电压时，将低压直流母线状态信号Sbus设置为1，储能接口变换器进入额定放电工况，高压直流母线的分裂储能电容开始预充电，母线接口变换器中各直流变压器模块输出电压缓慢建立；
2)随着高压直流母线电压升高，母线接口变换器中各直流变压器模块的输出电压升高至额定值，二极管导通向驱动电源供电；当顶层控制器接收到低压直流母线电压的采样信号Vbus达额定值时设置低压直流母线状态信号Sbus为2，储能接口变换器进入待机工况，母线接口变换器进入额定工况，供电系统稳定运行；
3)当母线接口控制器接收到某路直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX时，关闭故障的直流变压器主电路；并反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器，设置故障标志信号kFT为1；同时低压直流母线电压升高，设置低压直流线线状态Sbus为3，母线接口变换器进入容错运行工况，供电系统容错运行；
4)当母线接口控制器再次接收到某路直流变压器主电路反馈的故障状态信号eDCX时，关闭故障的直流变压器主电路；并反馈故障状态信号eDCX至顶层控制器，设置故障标志信号kFT为2，储能接口变换器进入额定放电工况；同时低压直流母线电压进一步升高，当低压直流母线电压增量超过阈值时，设置低压直流线线状态Sbus为4，供电系统报错后关闭母线接口变换器、驱动电源及储能接口变换器。
9.根据权利要求8所述的容错控制方法，其特征在于：还包括步骤，当储能接口控制器接收至储能单元反馈的容量状态信号SES＝0，即储能容量不足，则反向启动向储能接口主电路经低压直流母线向储能单元充电。
10.根据权利要求8所述的容错控制方法，其特征在于：还包括步骤，当接到启停机指令ON＝0时，母线接口变换器、储能接口变换器和驱动电源均进入待机/停机工况。
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