一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制方法及系統與流程
2024-04-13 13:20:05
1.本發明屬於電力傳輸領域，具體涉及一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制方法及系統。
背景技術：
2.能量路由器是通過電力電子變換技術實現電壓變換和能量傳遞的新型變壓器，也叫做電力電子變壓器、直流變壓器等，其在電力傳輸應用中有llc諧振型軟開關能量路由器、cllc諧振型能量路由器及dab移相型能量路由器等多種拓撲結構，能量路由器除了具有傳統變壓器的電壓變換和電氣隔離功能以外，還具有潮流雙向控制、電能質量控制、裝置自保護與自診斷、通訊與信息交換等多種功能，適用於光伏發電、儲能和多元負荷的靈活接入，尤其適合接入數據中心。它是搭建柔性直流配電網的神經元，具有不替代的重要作用。
3.作為一種應用於柔性直流配電系統的電力電子設備，能量路由器設備自身的可靠性對於電網的安全可靠運行尤其重要。利用冗餘和容錯技術可以有效改善提高能量路由器的可靠性。針對能量路由器的冗餘容錯控制方法，通常需要重新計算電壓矢量或載波移相角，或改變調製比，或備用轉投入，比如中國專利cn103916041a、中國專利cn103560689a和cn107546844a等。這些已有方案的缺點是功率模塊故障後控制方法複雜，或者需要重新計算各模塊的調製信號，或者備用與投入切換，因而使得動態切換過渡時間較長，且在冗餘切換時產生電流衝擊。cn107546844a，一種電力電子變壓器級聯功率模塊冗餘容錯控制方法，適用於級聯h橋型電力電子變壓器。當級聯功率模塊發生故障時，在滿足容錯運行條件的情況下，將故障功率模塊旁路，並將故障功率模塊的開關器件觸發信號重新分配給一個冗餘模塊，使電力電子變壓器平滑冗餘切換，實現冗餘切換的無間隙性和準確性。針對專利cn107546844a，其執行功率模塊冗餘切換的操作步驟中，執行故障功率模塊的旁路指令與冗餘模塊的投入參與調製，對於切換操作的同步性和可靠性要求非常高，技術實現方法非常具有挑戰性。而且冗餘模塊直接使用原故障模塊的h橋脈寬調製信號在整機輸出整體效果看確實是平滑切換，但是對於冗餘模塊，從備用狀態的零電壓輸出，瞬間切換變為投入狀態的既有相應電壓輸出又有相應電流輸出，這樣急速的暫態衝擊，冗餘功率模塊及其整機系統需要強的承受能力，存在很大的安全隱患。
技術實現要素：
4.本發明的目的在於提供一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制方法及系統，以克服現有動態切換過渡時間較長，且在冗餘切換時產生電流衝擊的問題，本發明能夠在能量路由器啟動和運行的過程中控制冗餘範圍內的故障功率模塊旁路，穩定能量路由器啟動或正常輸出以提高能量路由器的可靠性、穩定性。
5.一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制方法，包括以下步驟：s1，在能量路由器整機維持正常運行所必需的功率模塊基礎上，連接多個用於冗餘的功率模塊；
s2，採用功率模塊控制器實時監控各功率模塊狀態，同時將監控數據傳輸至中央控制器，如果功率模塊在設定的時限內收到中央控制器指令，該功率模塊按照中央控制器指令執行，並將功率模塊自身狀態信息反饋給中央控制器；如果功率模塊在設定的時限內未收到中央控制器指令，則該功率模塊判定接收通信中斷，控制該功率模塊的igbt閉鎖，控制該功率模塊的旁路開關保持分閘狀態，並持續向中央控制器上送功率模塊狀態信息。
6.優選的，所有功率模塊均參與設備正常工作，用於冗餘的功率模塊處於熱備狀態。
7.優選的，如果中央控制器收到功率模塊的故障信息或者根據功率模塊的狀態信息判斷該功率模塊發生故障，中央控制器判斷故障功率模塊數m是否超過冗餘數n，如果故障功率模塊數m超過冗餘數n，中央控制器判斷整機無法再正常啟動或運行，進入緊急停機狀態，控制整機停止啟動或運行；如果故障功率模塊數m不超過冗餘數n，中央控制器判斷整機是否處在正常運行狀態，如果整機處在正常運行狀態，中央控制器發布指令控制故障功率模塊閉合其旁路開關和igbt閉鎖，接收故障模塊反饋的狀態信息；如果整機處於非啟動狀態，中央控制器發布指令控制故障功率模塊閉合該故障功率模塊旁路開關，接收故障功率模塊反饋的合閘狀態信息後繼續完成整機啟動流程。
8.優選的，中央控制器發布指令控制故障功率模塊閉合其旁路開關和igbt閉鎖，接收故障模塊反饋的狀態信息的同時根據現有正常運行的功率模塊實時上送的電壓電流信號計算出適當的調製脈寬信號發送給正在運行的功率模塊使其平滑地恢復到整機的目標運行狀態。
9.優選的，持續向中央控制器上送功率模塊狀態信息包括故障、閉鎖和接收通信中斷信息。
10.一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制系統，包括若干維持正常運行的功率模塊和若干冗餘功率模塊，若干維持正常運行的功率模塊和若干冗餘功率模塊結構相同，均包括高壓單元和低壓單元，高壓單元和低壓單元之間連接中頻變壓器；若干維持正常運行的功率模塊的高壓側和若干冗餘功率模塊的高壓側串聯，若干維持正常運行的功率模塊的低壓側和若干冗餘功率模塊的低壓側並聯；每個功率模塊的高壓單元連接一個高壓單元控制器，每個功率模塊的低壓單元連接一個低壓單元控制器，各高壓單元控制器和低壓單元控制器連接於同一個中央控制器。
11.優選的，每個功率模塊的高壓單元並聯一個旁路開關。
12.優選的，每個功率模塊的高壓單元控制器與該功率模塊的低壓單元控制器通過光纖構成雙向通信迴路。
13.優選的，中央控制器與每個功率模塊的高壓單元控制器和低壓單元控制器均通過光纖構成雙向通信迴路。
14.優選的，每個功率模塊的高壓單元控制器或低壓單元控制器實時監控各功率模塊狀態，同時將監控數據傳輸至中央控制器，如果功率模塊在設定的時限內收到中央控制器指令，該功率模塊按照中央控制器指令執行，並將該功率模塊自身狀態信息反饋給中央控制器；如果功率模塊在設定的時限內未收到中央控制器指令，則該功率模塊判定接收通信中斷，控制該功率模塊的igbt閉鎖，控制該功率模塊的旁路開關保持分閘狀態，並持續向中央控制器上送該功率模塊狀態信息。
15.與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：本發明一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制方法，在能量路由器整機維持正常運行所必需的功率模塊基礎上，串聯多個用於冗餘的功率模塊，冗餘功率模塊熱備用，參與整機正常運行，故障冗餘時，直接快速切除故障，節省冗餘模塊切換投入時間；自動均衡調節剩餘模塊平滑輸出，規避冗餘模塊從零瞬時輸出調節帶來的系統電流電壓衝擊；在正常運行無功率模塊故障時，系統容量裕度大。
16.本發明一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制系統，中央控制器與功率模塊控制器主從模式的故障冗餘控制方法，兩種控制器高速通信交互，相互配合，由中央控制器發布故障冗餘控制指令，功率模塊高壓控制器執行指令，保證控制時效性，提高控制安全可靠性。
17.由功率模塊高壓控制器直接控制旁路開關合閘，減少旁路開關控制器的投入，從系統保護角度考慮旁路開關合閘控制指令由中央控制器下發由功率模塊執行，功率模塊不能自主控制旁路開關合閘。
附圖說明
18.圖1為本發明實施例中能量路由器功率模塊拓撲結構示意圖。
19.圖2為本發明實施例中控制系統結構示意圖。
20.圖3為本發明實施例中功率模塊故障冗餘控制流程圖。
21.圖4為本發明實施例中中央控制器故障冗餘控制流程圖。
具體實施方式
22.為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
23.本發明提供一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制系統，包括若干維持正常運行的功率模塊和若干冗餘功率模塊，若干維持正常運行的功率模塊和若干冗餘功率模塊結構相同，均包括高壓單元和低壓單元，高壓單元和低壓單元之間連接中頻變壓器；若干維持正常運行的功率模塊的高壓側和若干冗餘功率模塊的高壓側串聯，若干維持正常運行的功率模塊的低壓側和若干冗餘功率模塊的低壓側並聯，每個功率模塊的高壓單元並聯一個旁路開關；每個功率模塊的高壓單元連接一個高壓單元控制器，每個功率模塊的低壓單元連接一個低壓單元控制器，每個功率模塊的高壓單元控制器與該功率模塊的低壓單元控制器由光纖構成雙向通信迴路，各高壓單元控制器和低壓單元控制器連接於同一個中央控制器；中央控制器與每個臺功率模塊的高壓單元控制器和低壓單元控制器均由光纖構成雙向通信迴路。
24.實施例如圖1所示，以能量路由器的功率模塊拓撲為例，該拓撲包括（n+n）臺功率模塊，n、n均為正整數，各功率模塊的高壓側串聯，各功率模塊的低壓側並聯，n是能量路由器整機維
持正常運行所必需的功率模塊的最少數量，n是功率模塊的冗餘數量。
25.功率模塊#1包括高壓單元sm1h和低壓單元sm1
l
, 高壓單元sm1h和低壓單元sm1
l
之間通過中頻變壓器mft1連接，功率模塊#2包括高壓單元sm2h和低壓單元sm2
l
, 高壓單元sm2h和低壓單元sm2
l
之間通過中頻變壓器mft2連接
……
，功率模塊#n包括高壓單元smnh和低壓單元smnn
l
, 高壓單元smnh和低壓單元smn
l
之間通過中頻變壓器mftn連接, 功率模塊#n+n包括高壓單元smn+nh和低壓單元smn+n
l
, 高壓單元smn+nh和低壓單元smn+n
l
之間通過中頻變壓器mftn+n連接；功率模塊#1的高壓單元sm1h與功率模塊#2的高壓單元sm2h連接，功率模塊#2的高壓單元sm2h與功率模塊#3的高壓單元sm3h連接，以此類推，功率模塊#n的高壓單元smnh與功率模塊#n+1的高壓單元smn+1h連接，功率模塊#n+n-1的高壓單元sm n+n-1h與功率模塊# n+n的高壓單元sm n+nh連接，各功率模塊的低壓單元並聯。
26.每個高壓單元並聯一個對應的旁路開關k
ih
,如高壓單元sm1h並聯一個對應的旁路開關k
1h
，高壓單元sm2h並聯一個對應的旁路開關k
2h
，以此類推，高壓單元smnh並聯一個對應的旁路開關k
nh
。
27.如圖2所示，能量路由器中央控制器與功率模塊控制器系統結構圖，其中每個功率模塊包括高壓單元控制器和低壓單元控制器，且高壓單元控制器監控其對應的旁路開關，同一臺功率模塊的高壓單元控制器和低壓單元控制器之間通過光纖構成雙向通信迴路，每個功率模塊的高壓單元控制器和低壓單元控制器連接同一中央控制器，通過光纖構成雙向通信迴路。
28.本發明一種能量路由器串聯功率模塊故障冗餘控制方法，包括以下步驟：s1，在能量路由器整機維持正常運行所必需的功率模塊基礎上，連接多個用於冗餘的功率模塊；如圖3所示，功率模塊正常啟動或運行，同時中央控制器正常運行，所有功率模塊均參與設備正常工作，所有功率模塊的調製輸出電壓、電流信號（電壓為u0，電流為i0）保持一致，用於冗餘的功率模塊處於熱備狀態。
29.s2，採用每個功率模塊的高壓單元控制器或低壓單元控制器實時監控各功率模塊狀態，同時將監控數據傳輸至中央控制器，如果功率模塊在設定的時限內收到中央控制器指令，該功率模塊按照中央控制器指令執行，並將該功率模塊自身狀態信息反饋給中央控制器；如果功率模塊在設定的時限內未收到中央控制器指令，則該功率模塊判定接收通信中斷，控制該功率模塊的igbt閉鎖，控制該功率模塊的旁路開關保持分閘狀態，並持續向中央控制器上送該功率模塊狀態信息。
30.如圖4所示，如果中央控制器收到功率模塊的故障信息或者根據功率模塊的狀態信息判斷該功率模塊發生故障，中央控制器判斷故障功率模塊數m是否超過冗餘數n，如果故障功率模塊數m超過冗餘數n，中央控制器判斷整機無法再正常啟動或運行，進入緊急停機狀態，控制整機停止啟動或運行；如果故障功率模塊數m不超過冗餘數n，中央控制器判斷整機是否處在正常運行狀態，即是否為整機啟動狀態，如果整機處在正常運行狀態，中央控制器發布指令控制故障功率模塊閉合該故障功率模塊旁路開關和igbt閉鎖，接收故障模塊反饋的狀態信息；同時，根據現有正常運行的功率模塊（n+n-m）實時上送的電壓電流信號計算調製脈寬信號發送給正
在運行的功率模塊（n+n-m），使整機平滑地恢復到目標運行狀態；如果整機處於非啟動狀態，中央控制器發布指令控制故障功率模塊閉合該故障功率模塊旁路開關，接收故障功率模塊反饋的合閘狀態信息後繼續完成整機啟動流程。持續向中央控制器上送功率模塊狀態信息包括故障、閉鎖和接收通信中斷信息。
31.具體的：當中央控制器判斷在功率模塊冗餘範圍內發生故障時，故障功率模塊數m不超過冗餘數n，即m≤n，控制故障功率模塊所在的旁路退出運行，由剩餘的正常功率模塊（n+n-m）分擔故障功率模塊的輸出，這種情況下，通常功率模塊輸出電壓不變u0，電流由原來的i0變為（i0+m* i0/(n+n-m)），其電流變化量δi=m* i0/( n+n-m)；由於實際情況下n遠大於n，可確定δi遠小於i0，由此可以看出熱備用冗餘控制時，沒有冗餘模塊投入的切換環節，輸出電壓不變，電流變化量也小於冷備用的方式，對功率模塊的衝擊較小，在一定程度上能更快、更平滑、更平穩的完成故障冗餘控制。另外，本發明兼顧了能量路由器在整機啟動時功率模塊故障冗餘的控制方法。
32.本發明用於功率模塊控制的控制器分為高壓控制器與低壓控制器，彼此通過光纖通信互聯，同時高壓控制器與低壓控制器分別與中央控制器光纖通信互聯構成以一個中央控制器為核心的控制系統，功率模塊高壓側內部集成旁路開關，由功率模塊高壓控制器直接控制旁路開關合閘，減少旁路開關控制器的投入，從系統保護角度考慮旁路開關合閘控制指令由中央控制器下發，由功率模塊執行，功率模塊不能自主控制旁路開關合閘。
33.判斷功率模塊故障，一方面是功率模塊自檢上送給中央控制器，另一方面則是由中央控制器綜合所有功率模塊上送的正常信息後進行判斷，中央控制器收不到功率模塊控制器上送信息自動判斷該功率模塊故障。中央控制器沒有收集到所有旁路開關位置信息即判斷運行故障控制整機停止運行。
34.本發明採用冗餘功率模塊熱備用，參與整機正常運行，在正常運行時（無功率模塊故障）功率模塊都是降額運行。本發明中央控制器與功率模塊控制器主從模式的故障冗餘控制方法，兩種控制器高速通信交互，相互配合，由中央控制器發布故障冗餘控制指令，功率模塊高壓控制器執行指令，保證控制時效性，提高控制安全可靠性。
35.冗餘功率模塊熱備用，參與整機正常運行，故障冗餘時，直接快速切除故障，節省冗餘模塊切換投入時間；自動均衡調節剩餘功率模塊平滑輸出，規避冗餘模塊從零瞬時輸出調節帶來的系統電流電壓衝擊；在正常運行無功率模塊故障時，系統容量裕度大。本發明既適用於整機正常運行狀態控制，還適用於整機啟動過程中的故障冗餘控制。