适用于模块化电流源变流器的容错运行方法及容错拓扑结构与流程

本发明属于电力电子设备保护，尤其涉及一种适用于模块化电流源变流器的容错运行方法。

背景技术：

1、作为一种清洁的可再生能源，氢能具有储量丰富、能量密度高、清洁高效等优点。随着可再生能源度电成本的持续降低，通过可再生能源绿电生产绿氢方式迎来一个新的发展机遇，绿电制氢的成本也会相应降低，氢能源应用将不断扩大。制氢电源是绿电制氢的核心装置，不同的制氢电源对电解产生氢气的纯度、效率以及电解槽使用寿命均存在不同的影响。因此，研究与开发高效的制氢电源具有重要意义。

2、目前制氢电源按照拓扑结构不同主要可分为两类。一种是晶闸管整流电源，另一种是基于全控型igbt的电压源型整流电源。现有技术中晶闸管相控整流器方案在进行整流时会产生大量无功功率，且因为晶闸管相控整流器进行整流时的谐波电流含量较大。晶闸管整流器在使用过程中，自身无法进行无功功率的补偿及谐波消除，因此需要配备额外的无功补偿和消谐装置，导致制氢的电源成本较高。电压源变流器串接实现制氢电源功能，解决了晶闸管式制氢电源交流输出无功大、谐波大及并网适应性差的问题，并具有较高的成熟度。但是，该拓扑结构通过两级变流器分别完成交直变换和直流匹配变换带来了设备结构复杂、效率低、体积大等问题。

3、为了解决晶闸管及电压源型制氢电源的诸多问题，带来更好的制氢电源效果，采用多模块电流源型变换器(mcsc)拓扑实现整流功能完成对电解槽的供电。该拓扑由若干个功率单元模块直接并联，每个功率单元包含六个桥臂和两个直流电抗，igbt、二极管串联构成每个桥臂。最终完成交直流变换为直流负荷供电。该拓扑在电压源型制氢电源优势基础上还具备结构简单，电压零起可调，效率高等特点，是优良的交流制氢电源解决方案。mcsc采用子模块并联的方式，一个内部模块的故障将导致整个制氢电源出现问题，若故障无法快速切除，将会导致电能的整体质量下降，因此子模块的可靠性直接关系到mcsc制氢电源的性能。在模块故障情况下或外部故障情况下的容错运行十分重要。

4、现有技术将mcsc各桥臂中的每个“全控型器件+串联二极管”单元替换为具有自保护功能的子模块，每个子模块包含2个全控型器件，2个二极管，1个晶闸管和2个机械开关。相当于每个3相功率单元模块中至少增加6个全控型器件，6个二极管，6个晶闸管和12个机械开关，极大地增加了成本。而且现有技术是通过机械开关切除故障开关管，响应速度较慢，一定程度上扩大了故障的影响范围。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，通过在mcsc功率单元模块中增加辅助半桥结构和机械开关，实现了模块化电流源变流器在故障情况下的穿越能力。

2、本发明采用如下技术方案。

3、一种适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，该方法共包括以下步骤：

4、步骤1，为模块化电流源变流器各功率单元模块设置辅助半桥并在输入侧和输出侧分别串联机械开关；

5、步骤2，对模块化电流源变流器的运行状态进行实时监控，当监测到运行故障时，判断故障类型属于功率单元模块内部故障还是模块化电流源变流器外部故障，如果是功率单元模块内部故障，识别定位故障模块；

6、步骤3，基于故障识别结果，控制功率单元模块容错运行，以实现故障穿越。

7、本发明进一步包括以下优选方案。

8、优选的，

9、在步骤1中，在每个功率单元模块并联设置的辅助半桥正负极开关之间的直流输出侧串联一个机械开关，在每一相交流输入侧均串联一个机械开关。

10、所述机械开关为机械断路器。

11、优选的，在每个功率单元模块设置一个辅助半桥，所述辅助半桥包括半桥正极开关、半桥负极开关；其中，半桥正极开关与半桥负极开关的串联支路与每个功率单元模块的上下桥臂并接，一直流输出端与上桥臂相连，另一直流输出端连接在半桥正极开关与半桥负极开关的节点处，半桥正极开关用于控制功率单元模块的正常运行；半桥负极开关用于控制功率单元模块的故障放电。

12、所述半桥正极开关和半桥负极开关可以采用igbt结构的开关。

13、优选的，当模块化电流源变流器正常运行时，每个功率单元模块的半桥正极开关均处于导通状态，半桥负极开关均处于断开状态，各机械开关均处于导通状态。

14、在步骤2中，由功率单元模块内部的故障诊断模块实时判断当前故障状态。利用传感器采集变流器中的电压、电流、震动、温度信号，根据预设的故障判断逻辑来对当前的故障状态进行判断，当判断为模块化电流源变流器内部故障时，将故障的功率单元模块从变流器中切除，并将冗余功率单元模块代替故障功率单元模块投入运行。

15、在步骤3中，当模块化电流源变流器外部发生故障时，各机械开关的状态保持不变，处于工作状态的各功率单元模块通过调节占空比实现故障穿越。

16、当模块化电流源变流器的功率单元模块发生故障时，将故障功率单元模块中辅助半桥的半桥正极开关关闭，并将半桥负极开关导通，然后再将各机械开关关断以实现故障的切除。

17、本申请还公开了一种应用前述容错运行方法的模块化电流源变流器容错拓扑结构，其特征在于：

18、所述模块化电流源变流器包括多个并联连接的功率单元模块，每个功率单元包含上下三相桥臂，由igbt和二极管串联构成每个桥臂；

19、在每个功率单元模块设置一个辅助半桥，所述辅助半桥包括半桥正极开关、半桥负极开关；其中，半桥正极开关与半桥负极开关的串联支路与每个功率单元模块的上下桥臂并接，一直流输出端串联电感与下桥臂相连，另一直流输出端串联机械开关和电感连接在半桥正极开关与半桥负极开关的节点处；

20、每个功率单元模块的直流输出侧串联一个机械开关，在每一相交流输入侧均串联一个机械开关。

21、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，通过为每个功率单元模块增加辅助半桥和机械开关，实现了mcsc制氢电源在不同故障情况下的故障穿越。本发明的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法可扩展性好，易于实施，适用广泛，通过增加少量的电力电子器件实现了mcsc的容错运行；采用全控型器件实现故障模块的初步切除，再利用机械开关彻底切除故障模块，提升了模块故障的响应速度，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，该方法共包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

4.根据权利要求1或2所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

6.根据权利要求1或5所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的适用于模块化电流源变流器的容错运行方法，其特征在于：

10.一种使用权利要求1-9任一项权利要求所述容错运行方法的模块化电流源变流器容错拓扑结构，其特征在于：

技术总结
一种适用于模块化电流源变流器的容错运行方法及容错拓扑结构，所述模块化电流源变流器为多个功率单元模块交流侧及直流侧分别并联构成；其中每个功率单元模块包含有六个工作桥臂、三相交流支撑电容、两组直流储能电抗、一个辅助半桥及四个机械开关；辅助半桥由半桥正极开关、半桥负极开关构成。当模块化电流源变流器的功率单元模块发生故障时，功率单元中的半桥正极开关和半桥负极开关先切换状态后，机械开关再切换状态以实现故障的切除；当模块化电流源变流器发生外部故障时，各机械开关的状态保持不变，处于工作状态的各功率单元模块通过调节占空比实现故障穿越。

技术研发人员：孙欣,王继慷,王一,于华龙,马彦宾,刘树,操丰梅,梅红明,李思,牛晨光
受保护的技术使用者：北京四方继保自动化股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13