[发明专利]一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统及方法

权利要求书

1.一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统，其特征在于：包括：A、B、C三相中多个功率模块和一个冗余功率模块，多个功率模块之间采用输入级串联级联，输出级并联级联的连接方式；A、B、C三相共享一个冗余功率模块，该冗余功率模块分为输入级、隔离级和输出级三个部分，其输入级连接三个高压半控旁路开关S_{R_1}-S_{R_3}，输出级连接三个低压全控开关S_{R_4}-S_{R_6}；输入级为6个开关管组成的整流单元，输出级为4个开关管构成的逆变单元。

2.如权利要求1所述的一种应用于三相固态变压器的冗余控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、启动固态变压器，对冗余功率模块低压直流侧进行不可控整流，进而将交流电变换为隔离级所需直流电；

步骤2、固态变压器完成启动后，对冗余功率模块低压直流侧进行充电和维持，使冗余功率模块低压侧直流电压维持在参考值；

步骤3、对冗余功率模块高压直流侧的充电与维持，使冗余功率模块高压侧直流电压维持在参考值；当冗余功率模块的高压和低压直流环节电压维持在基准值处时，冗余功率模块准备替换有故障的功率模块；

步骤4、当有一正常的功率模块发生故障时，进行故障模块的切除；

步骤5、关断输入级内的开关管T₁和T₄，开关管T₂、T₃和T₅、T₆均进入PWM模式，进入H桥整流；

步骤6、此时接通S_{R_1}以连接输入级中的三相虚拟中性点，S_{R_4}和S_{R_5}维持关断状态，S_{R_6}导通，使冗余功率模块输出级并联接入C相；

步骤7、冗余功率模块继承故障功率模块的运行参数，完成故障功率模块的替换过程。

3.根据权利要求2所述的一种应用于三相固态变压器的冗余控制方法，其特征在于：所述步骤2的对冗余功率模块低压直流侧进行充电和维持的具体步骤包括：

(1)通过控制控制角α和调制比m两个目标，实现平衡直流电压的同时消除逆变器无功环流；

(2)由恒流充电控制器对冗余功率模块的低压直流环节进行充电，当冗余功率模块的低压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块由单相低压直流环节平衡控制器进行控制；

(3)通过单相低压直流环节平衡控制器调整并联逆变器的单独输出有功功率，以平衡低压直流环节。

4.根据权利要求2所述的一种应用于三相固态变压器的冗余控制方法，其特征在于：所述步骤3的对冗余功率模块高压直流侧的充电与维持的具体步骤包括：

(1)由恒定峰值电流充电控制器对冗余功率模块的高压直流母线环节进行充电，通过下述公式可知，恒峰值电流充电控制器可以通过定义不同的i_{TL_R_peak}参考值实现不同的充电速度；当冗余功率模块的高压直流环节的值接近参考值时，冗余功率模块将由单独的高压直流母线平衡控制器控制；

d_R和i_{TL_R}的峰值电流i_{TL_R_peak}的关系为：

式中，d_R为低压侧H桥逆变器工作的占空比；i_{TL_R}是冗余功率模块高压侧中频变压器的电流；i_{TL_R_peak}为i_{TL_R}的峰值电流；l’_s是高压侧中频变压器的漏感；V’_{dcL_1、….n，R}是等效的低压直流环节电压；V’_{dcL_1、….n，R}是高压直流环节电压；

(2)通过调节隔离级双有源H桥的单相移相角来平衡高压直流环节。

5.根据权利要求2所述的一种应用于三相固态变压器的冗余控制方法，其特征在于：所述步骤7的具体步骤包括：

(1)对于短路故障，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

(2)对于开路故障，

当开路故障发生在输入级级联H桥，诊断时间少于一个基本周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

当开路故障发生在隔离级单个H桥时，其诊断时间少于一个开关周期时，冗余功率模块可直接继承故障功率模块的单个直流环节平衡控制器的结果；

当开路故障发生在输出级并联H桥时，其诊断时间处于几毫秒到1.5个基本周期之间，单个直流环节平衡控制器的结果被一个基本周期之前保存的数据覆盖。