一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法技术方案

本发明专利技术涉及一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法。该系统采用N个功率变换单元和1个冗余备用单元，N+1个单元输入串联、输出并联，其中冗余备用单元的H桥变换器通过输入旁路接触器、或者开通一对上开关管、或下开关管对整个冗余备用单元进行旁路，冗余备用单元的DC/DC变换器工作在功率反向的模式下，给H桥变换器的输出侧直流支撑电容充电维持电压稳定。本发明专利技术的故障切除方法包括三部分：对故障单元的隔离、对冗余备用单元H桥变换器控制切换与对冗余备用单元DC/DC变换器控制切换。本发明专利技术能有效提高DC/DC变换器的稳定性与可靠性，降低故障切换过程中电气冲击，简化故障切除操作复杂度，实现电力电子变压器安全可靠的故障冗余保护。

【技术实现步骤摘要】
一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法
本专利技术涉及牵引传动系统领域和电力系统领域，具体说是一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法。
技术介绍
牵引传动系统是高速动车组的牵引动力系统和辅助供电系统的能量来源，是高速动车组核心系统之一，其需要采用工频变压器将高压交流电转换成低压电从而获取电能。在电力系统领域，同样需要工频变压器将高压输送的电能转换成低压电从而供给用户使用。然而，工频变压器体积重量大、效率低、功率密度低，增加了能运行耗和维护成本，同时功率因数、输出电压均不可控，容易带来电网的谐波污染和无功污染。为了改变工频变压器带来的各种问题，电力电子变压器应运而生。电力电子变压器通过电力电子技术，将工频交流电转换为中/高频变压器，同时采用中/高频变压器进行电能传输，代替了传统的工频变压器，从而实现减小重量体积、提高效率等优点。电力电子变压器主要结构是通过AC/DC(交流/直流)变换器将高压交流电转换成多单元直流电，然后经过多个多单元中/高频隔离型DC/DC(直流/直流)变换器实现电气隔离和能量传递，在其并联输出侧得到直流电，然后供给牵引电机或者逆变产生低压交流电。由于电力电子变压器是一种多单元级联的拓扑结构，任何一个单元发生了故障就会影响整个电力电子变压器稳定运行，这就要求电力电子变压器需要完整的冗余方案保证其工作的可靠性。目前针对多单元结构的冗余方案有两种，一种是将所有单元投入正常工作，故障时将故障单元进行切除，同时将故障单元的功率平均给剩余工作单元；另一种方案是将一个或几个单元作为备用冗余单元，正常电力电子变压器正常运行时冗余单元不参与工作，在一个单元发生故障时，冗余单元代替故障单元进行工作，故障单元退出运行，各单元传输功率不发生变化。第一种方案由于改变了运行单元数，在故障切除过程中会产生电压与电流冲击，同时需要对控制系统有非常高的要求；第二种方案相比第一种方案控制简单，电压电流冲击小，但是在电力电子变压器运行时，会将冗余单元输入AC/DC侧进行旁路，导致中间直流侧电压失电，使得冗余单元无法快速重新投入工作。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于针对电力电子变压器第二种方案中因中间直流侧失电等因素制约无法有效实现快速、简单的电力电子变压器的故障冗余保护，提出一种电力电子变压器的故障冗余保护系统与故障切除方法。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种电力电子变压器的故障冗余保护系统，包括N个功率变换单元与一个冗余备用单元，所述功率变换单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，所述冗余备用单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器；所述N+1个单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N+1个H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；每个DC/DC变换器的输入端与相应的H桥变换器的输出端连接，所述N+1个DC/DC变换器的输出端并联连接。在上述方案的基础上，所述第一个功率变换单元的H桥变换器的输入端口P1通过电感、分离接触器8和受电弓与接触网连接；所述分离接触器8与闭合输入接触器6和预充电电阻7的串联支路并联；所述冗余备用单元的H桥变换器的输入端口QN+1与钢轨连接。在上述方案的基础上，所述每个DC/DC变换器的输入端连接有输入支撑电容Cdci，输出端连接有输出支撑电容Coi；所述输入支撑电容Cdci为H桥变换器的输出滤波电容；i＝1,2,…,N+1。在上述方案的基础上，所述冗余备用单元输入端串联端口采用H桥变换器的一对上管IGBT11、上管IGBT22或者一对下管IGBT33、下管IGBT44或输入侧的旁路接触器5进行旁路，所述冗余备用单元的H桥变换器不工作，不进行正向功率传输。一种电力电子变压器的故障切除方法，应用上述电力电子变压器的故障冗余保护系统，包括以下步骤：步骤1：当电力电子变压器第i个单元发生故障时，故障单元i通过冗余备用单元输入侧的旁路接触器5或H桥变换器的一对上管IGBT11、上管IGBT22或者一对下管IGBT33、下管IGBT44进行旁路，并封锁其余IGBT的控制脉冲，故障单元i的H桥变换器和DC/DC变换器停止工作；步骤2：在对冗余备用单元的H桥变换器控制切换时，将故障单元i的中间直流侧采样电压值vdci替换为冗余备用单元的中间直流侧采样电压值vdcN+1，将故障单元i的H桥变换器控制电压信号vcontroli直接发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对控制电压信号进行调制；步骤3：在对冗余备用单元的DC/DC变换器控制切换时，将冗余备用单元的控制对象从中间直流侧电压vdcN+1变为输出电压v0，将输出电压v0作为控制对象，在故障单元i进行切换时，将故障单元i的DC/DC变换器移相值发送给冗余备用单元，由冗余备用单元对移相值进行调制。在上述方案的基础上，故障单元i的切除与冗余备用单元投入运行的动作在调制过程中的载波最低点进行，以平滑的进行两个单元之间的过渡。本专利技术的有益效果：1、在本专利技术中，保证冗余备用单元的中间直流侧有稳定的电压，从而实现了冗余备用单元的快速投入工作运行，节约了故障切除时间，保证了系统的正常工作；2、本专利技术中对故障冗余的控制进行了大大的简化，故障切除过程中的采样、控制和脉冲调制环节都易于实现，并且快速而平滑，切换过程中不存在电压与电流冲击；3、本专利技术具有模块化结构，灵活性较高，可以分别根据不同指标(器件发展情况、经济性和可靠性等)选择各变换环节的单元数，故障冗余保护系统的拓展性非常高。附图说明本专利技术有如下附图：图1是本专利技术的电力电子变压器故障冗余保护系统示意图；图2是现有技术的一种典型的电力电子牵引变压器H桥变换器控制框图；图3是现有技术的一种典型的电力电子牵引变压器DC/DC变换器控制框图；图4是本专利技术的系统正常工作模式下的冗余备用单元的DC/DC变换器控制框图；图5是本专利技术的H桥变换器故障切除操作示意图；图6是本专利技术的DC/DC变换器故障切除操作示意图；图中，1—上管IGBT1，2—上管IGBT2，3—下管IGBT3，4—下管IGBT4，5—旁路接触器，6—闭合输入接触器，7—预充电电阻，8—分离接触器。图1中粗实线代表功率正向流动方向，细实线代表反相功率流动方向。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。图1是电力电子变压器故障冗余保护系统的示意图，该电力电子牵引变压器由N个输入串联、输出并联的功率变换单元组成，每个功率变换单元由一个H桥变换器和一个DC/DC变换器组成。所述电力电子变压器故障冗余保护系统，包括N个功率变换单元与1个冗余备用单元，每个单元都包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，冗余备用单元的电路结构与功率变换单元相同；前N个单元为功率变换单元，第N+1个单元为冗余备用单元。所述N+1个功率单元的输入端相互串联，输出端相互并联；冗余备用单元输入端串联端口采用H桥变换器的一对上管IGBT11、上管IGBT22或者一对下管IGBT33、下管IGBT44或输入侧的旁路接触器5进行旁路，冗余备用单元被旁路，其H桥变换器不工作，不进行正向功率传输。闭合输入接触器6，输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力电子变压器的故障冗余保护系统，其特征在于，包括N个功率变换单元与一个冗余备用单元，所述功率变换单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，所述冗余备用单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器；所述N+1个单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N+1个H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；每个DC/DC变换器的输入端与相应的H桥变换器的输出端连接，所述N+1个DC/DC变换器的输出端并联连接。

【技术特征摘要】
1.一种电力电子变压器的故障冗余保护系统，其特征在于，包括N个功率变换单元与一个冗余备用单元，所述功率变换单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器，所述冗余备用单元包括一个H桥变换器和一个中/高频隔离型DC/DC变换器；所述N+1个单元的输入端串联连接，输出端并联连接；所述N+1个H桥变换器的输入端串联连接，输出端互不相连；每个DC/DC变换器的输入端与相应的H桥变换器的输出端连接，所述N+1个DC/DC变换器的输出端并联连接。2.如权利要求1所述的电力电子变压器的故障冗余保护系统，其特征在于，所述第一个功率变换单元的H桥变换器的输入端口P1通过电感、分离接触器(8)和受电弓与接触网连接；所述分离接触器(8)与闭合输入接触器(6)和预充电电阻(7)的串联支路并联；所述冗余备用单元的H桥变换器的输入端口QN+1与钢轨连接。3.如权利要求1所述的电力电子变压器的故障冗余保护系统，其特征在于，所述每个DC/DC变换器的输入端连接有输入支撑电容Cdci，输出端连接有输出支撑电容Coi；所述输入支撑电容Cdci为H桥变换器的输出滤波电容；i＝1,2,…,N+1。4.如权利要求1所述的电力电子变压器的故障冗余保护系统，其特征在于，所述冗余备用单元输入端串联端口采用H桥变换器的一对上管IGBT1(1)、上管IGBT2(2)或者一对下管IGBT3(3)、下管IGBT4(4)或输入侧的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建强，赵楠，杨景熙，张捷频，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11