一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法.pdf

本发明公开了一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，属于电能变换装置的直流-交流变换器领域。该方法使用旁路的方式实现故障模块从系统中退出，当j#模块发生故障需退出系统时，断开输出功率继电器Sj2、闭合输入功率继电器Sj1，则可实现故障模块的旁路，电阻Rj用于限制输入分压电容Cdj上的放电电流；当j#新模块准备就绪，此时断开输入功率继电器Sj1、闭合输出功率继电器Sj2，则可实现新模块的在线投入。该方法给出精确的时序控制图，完成分布式ISOP逆变器组合系统的热插拔，从而真正实现了可靠性的提升。

1.  一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）当分布式ISOP逆变器组合系统正常运行时，断开输入功率继电器S_j1，闭合输出功率继电器S_j2，闭合三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；
（2）当分布式ISOP逆变器组合系统的某个模块发生故障时，采用旁路的方式来实现该故障模块的退出，由数字信号处理器采用冗余时序来实现故障模块的旁路，即当j#模块发生故障需要被旁路时，断开输出功率继电器S_j2，闭合输入功率继电器S_j1；断开三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；且封锁前级直-直变换器和后级直-交变换器的开关管驱动信号；
（3）当j#新模块准备就绪，由数字信号处理器采用冗余时序控制新模块的投入运行，即断开输入功率继电器S_j1，闭合输出功率继电器S_j2；闭合母线信号开关，即闭合S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；且使能前级直-直变换器和后级直-交变换器的开关管驱动信号。

2.  基于权利要求1所述一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，其特征在于：
所述步骤（2）中的采用冗余时序实现故障模块的旁路指，当数字信号处理器在T1时刻检测到j#模块发生故障，立即封锁直-直变换器和后级直-交变换器的开关管驱动信号；在T2时刻，关闭三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；同时给出闭合输入继电器S_j1、断开输出继电器S_j2的控制信号；T3时刻输出功率继电器S_j2断开；T4时刻输入功率继电器S_j1闭合，待输入分压电容C_dj放电完毕，旁路过程结束。

3.  基于权利要求1所述一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，其特征在于：
所述步骤（3）中的采用冗余时序控制新模块的投入运行指，T5时刻数字信号处理器闭合输出基准同步母线信号开关S_j5；T6时刻给出断开输入继电器S_j1信号；T7时刻输入功率继电器S_j1断开，j#新模块的输入分压电容电压上升；T8时刻给出使能驱动前级直-直变换器和后级直-交变换器的控制信号，j#新模块输出随之建压；T9时刻数字信号处理器检测到输出电压达到额定正弦输出后，就给出输出功率继电器S_j2闭合的信号；T10时刻输出功率继电器S_j2闭合，同时给平均电流母线信号开关S_j3和输入均压母线信号开关S_j4信号开关发出闭合信号。

4.  基于权利要求1所述一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，其特征在于，所述数字信号处理器采用DSP TMS320F28027。

5.  基于权利要求1所述一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，其特征在于，所述平均电流母线信号开关S_j3采用模拟开关CD4051。

一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法
技术领域
本发明涉及一种输入串联输出并联（ISOP）逆变器组合系统的冗余控制方法，属于电能变换装置的直流-交流变换器领域。
背景技术
输入串联输出并联（ISOP）逆变器组合系统适用于高压直流输入、大电流交流输出的应用场合，诸如船舶、高速电气铁路等电气系统，其具有以下优点：ISOP逆变器组合系统中各模块在输入端串联，模块的开关管应力大幅减小，方便选择更合适的开关管；每个模块的功率只有系统功率的1/n（n为系统中的模块数量），更易实现模块化；多模块的串并联组合可以有效提高系统的可靠性。
为了真正提升系统的可靠性，就要实现系统的冗余控制，实现此目标需遵循两个步骤：首先要实现ISOP逆变器组合系统的分布式控制，其次则是要在分布式系统的基础上实现其冗余即热插拔功能。
发明内容
为了解决ISOP逆变器组合系统的冗余热插拔问题，本发明提出了一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，可以提升ISOP逆变器组合系统的可靠性。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种ISOP逆变器组合系统的冗余控制方法，包括如下步骤：
（1）当分布式ISOP逆变器组合系统正常运行时，断开输入功率继电器S_j1、闭合输出功率继电器S_j2、闭合三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；
（2）当分布式ISOP逆变器组合系统的某个模块发生故障时，采用旁路的方式来实现该故障模块的退出，由数字信号处理器采用冗余时序来实现故障模块的旁路，即当j#模块发生故障需要被旁路时，断开输出功率继电器S_j2，闭合输入功率继电器S_j1；断开三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；且封锁前级直-直变换器和后级直-交变换器的开关管驱动信号；
（3）当j#新模块准备就绪，由数字信号处理器采用冗余时序控制新模块的投入运行，即断开输入功率继电器S_j1，闭合输出功率继电器S_j2；闭合母线信号开关，即闭合S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；且使能前级直-直变换器和后级直-交变换器的开关管驱动信号。
所述步骤（2）中的采用冗余时序实现故障模块的旁路指，当数字信号处理器在T1时刻检测到j#模块发生故障，立即封锁直-直变换器和后级直-交变换器的开关管驱动信号；在T2时刻，关闭三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5；同时给出闭合输入继电器S_j1、断开输出继电器S_j2的控制信号；T3时刻输出功率继电器S_j2断开；T4时刻输入功率继电器S_j1闭合，待输入分压电容C_dj放电完毕，旁路过程结束。
所述步骤（3）中的采用冗余时序控制新模块的投入运行指，T5时刻数字信号处理器闭合输出基准同步母线信号开关S_j5；T6时刻给出断开输入继电器S_j1信号；T7时刻输入功率继电器S_j1断开，j#新模块的输入分压电容电压上升；T8时刻给出使能驱动前级直-直变换器和后级直-交变换器的控制信号，j#新模块输出随之建压；T9时刻数字信号处理器检测到输出电压达到额定正弦输出后，就给出输出功率继电器S_j2闭合的信号；T10时刻输出功率继电器S_j2闭合，同时给平均电流母线信号开关S_j3和输入均压母线信号开关S_j4信号开关发出闭合信号。
本发明的有益效果如下：
1、提出采用旁路的方式实现分布式ISOP逆变器组合系统中故障模块的退出。
2、给出精确的时序控制图，完成分布式ISOP逆变器组合系统的热插拔，从而真正实现了可靠性的提升。
附图说明
图1为本发明ISOP逆变器组合系统的原理框图，其中：                                                为系统输入电压；为系统输入电流；--为输入分压电容；--为输入分压电容电压稳态值；--为各逆变器模块的输入电流稳态值；--为输入分压电容电流稳态值；--为各逆变器模块的输出电流；为系统输出电压；为系统输出电流；S₁₁--S_n1为输入功率继电器，S_j1为第j#模块的输入功率继电器；R₁--R_n为限流电阻；S₁₂--S_n2为输出功率继电器，S_j2为第j#模块的输出功率继电器。上述j的取值范围为1,2,…,n。
图2为本发明单模块主电路图，其中：为j#模块输入电压；为j#模块输入电流；Q₁-Q₄为前级直-直变换器的开关管；T_j为前级高频隔离变压器；L_dcj为j#模块前级滤波电感；C_dcj为j#模块前级滤波电容；v_dcj为j#模块前级输出电压；D₁-D₄为前级直-直逆变器整流电路的二极管；S₁- S₄为后级直-交逆变器的开关管；L_fj为j#模块后级滤波电感；C_fj为j#模块后级滤波电容；i_Lfj为j#模块后级滤波电感电流；i_Cfj为j#模块后级滤波电容电流；为模块输出电流。上述j的取值范围为1,2,…,n。
图3为本发明ISOP逆变器组合系统的分布式架构和控制框图，其中S₁₃--S_n3为平均电流母线信号开关；S₁₄--S_n4为输入均压母线信号开关；S₁₅--S_n5为输出电压基准同步母线信号开关；为输出电压参考基准；-为输入分压电容电压瞬时值；为输入电压衰减系数；为输入均压环比例调节器；--为各逆变器模块的直流误差信号；为输出电压闭环采样系数；为输出电压比例积分调节器；为输入电压给定信号；--为每个逆变器模块输出电压调节器的输出信号；为平均电感电流给定信号，亦为每个逆变器模块的初始电感电流给定信号；-为各模块输出电压调节器的输出信号与的平均信号；-为各逆变器模块乘法器输出信号；--为各逆变器模块的电感电流基准信号；--为各逆变器模块的逆变级输出电感电流瞬时值；--为各逆变器模块的逆变级输出电容电流瞬时值且；--为各模块的输出电压采样信号且；为电流内环采样系数；为系统负载阻抗，sC_f为滤波电容的导纳。上述j的取值范围为1,2,…,n。
图4为本发明模块的内部组成，其中S_j1为j#模块输入功率继电器，S_j2为输出功率继电器，S_j3为平均电流母线信号开关，S_j4为输入均压母线信号开关，S_j5为输出电压基准同步母线信号开关，R_j为j#模块限流电阻, 为j#模块输入分压电容。
图5(a)为旁路的时序图，图5(b)为投入的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明的分布式ISOP逆变器组合系统，包括n个输入串联、输出并联的逆变器模块，n为大于等于2的整数。系统中各模块均是由全桥直流变换器和全桥逆变器级联构成，全桥直流变换器的输入端作为逆变器模块的输入端，全桥逆变器的输出端作为逆变器模块的输出端。每个逆变器模块均具有自己独立的控制环路，相互之间仅通过输出电压基准同步母线、输入均压母线和平均电流母线三根母线进行通信，实现了系统模块化及分布式控制。
本发明涉及的输入串联输出并联逆变器系统的原理框图如图1所示，该系统由n个标准化模块组成。当j#模块发生故障需要被旁路时，断开输出功率继电器S_j2、闭合输入功率继电器S_j1，此时使用电阻R_j限制输入分压电容C_dj的放电电流。在需要投入j#新模块时，断开输入功率继电器S_j1、闭合输出功率继电器S_j2。
本发明涉及的输入串联输出并联逆变器系统各模块的结构图如图2所示，由于ISOP逆变器系统中各模块为串联结构，故各模块必须选择隔离型拓扑。这里我们采用两级式结构作为各模块拓扑，前级为高频隔离的全桥直-直变换器，后级为全桥逆变器。
由于ISOP逆变器组合系统的模块在输入端串联，所以当某个模块发生故障时，ISOP系统不可能像IPOP系统一样将故障模块直接从输入端切除。在这里我们使用旁路的方式来实现故障模块从系统中退出，因此每个模块都有一个输入功率继电器S_j1、限流电阻R_j及输出功率继电器S_j2。当j#模块发生故障需退出系统时，断开输出功率继电器S_j2、闭合输入功率继电器S_j1，则可实现故障模块的旁路，这里电阻R_j用于限制输入分压电容C_dj上的放电电流；当j#新模块准备就绪，此时断开输入功率继电器S_j1、闭合输出功率继电器S_j2，则可实现新模块的在线投入。
为实现故障模块的旁路过程或新模块投入过程的平滑切换，需要针对相关控制信号的通断（或封锁/使能）时序进行合理设计，这些控制信号包括如下7种：输入输出功率继电器（S_j1和S_j2）的通断信号、母线信号开关（平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5）的通断信号、模块前级直-直变换器和后级直-交逆变器的驱动封锁/使能信号。这里由数字信号处理器对这7个信号的时序先后进行实时控制，从而使ISOP逆变器的热插拔过程得以平稳且顺利完成。
本发明涉及的ISOP逆变器系统的分布式控制原理框图如图3所示，每个模块采用输出电压环、电流内环双环控制，其中电流内环采用滞环控制。此外，为实现输入均压（IVS），每个模块都具有输入均压环。因此每个模块都有其独立的输入均压环、输出电压环、电流内环，这样保证了模块间的独立对等，真正实现了模块化。模块间通过三条母线实现信息交互，即输出电压基准同步母线信号（v_ref  synchronous bus）、输入均压母线（IVS bus）及平均电流母线(i_avebus)。v_ref电压基准同步母线信号为各模块输出电压提供基准，输入均压母线同各模块的输入均压环实现IVS。各模块的输出电压环产生初始电感电流基准信号i_gj，该信号通过平均后即得到平均电流母线信号i_ave，母线信号i_ave与各模块初始电感电流基准信号i_gj经平均后得到电感电流基准平均信号i_{gj_ave}，该信号经等相位调幅单元产生各模块实际的电感电流基准信号i_refj。
实现了分布式控制，在此基础上实现冗余即可真正提升ISOP逆变器组合系统的可靠性。这里引入信号开关S_j3、S_j4和S_j5（参照图3），连同功率继电器S_j1和S_j2（参照图1）来实现j#模块的旁路或投入。
本发明涉及的ISOP逆变器系统的模块内部组成如图4所示，图中的信号开关由模拟开关CD4051来实现，其响应速度很快，可认为没有延迟。数字信号处理器DSP TMS320F28027监控模块的运行，当检测到故障信号时运行热插拔程序。数字信号处理器除了要给输入输出功率继电器、母线信号开关提供开关控制信号外，还要提供模块前级直-直变换器和后级直-交逆变器的驱动封锁/使能信号。为了使ISOP逆变器的热插拔过程得以平稳且顺利完成，需要精确的时序控制。
热插拔的过程通过数字信号处理器进行控制，包括两个过程：旁路及投入。
本发明涉及的ISOP逆变器系统的热插拔时序控制图如图5所示，当数字信号处理器在T1时刻检测到j#模块发生故障，则触发旁路程序。首先我们需要在T1时刻立即封锁前级、后级的驱动。紧接着在T2时刻，为避免故障模块对系统母线的干扰，我们要及时关闭三个母线信号开关，即平均电流母线信号开关S_j3、输入均压母线信号开关S_j4及输出电压基准同步母线信号开关S_j5。T2时刻同时给出闭合输入继电器S_j1、断开输出继电器S_j2的控制信号。由于功率继电器响应延迟，输出继电器在T3时刻动作，输入继电器在T4时刻动作，待输入分压电容C_dj放电完毕，系统进入新的稳态，则旁路过程结束。
当新模块准备就绪，数字信号处理器则给出投入命令。T5时刻首先闭合输出基准同步母线信号开关S_j5，使得新投入模块与母线基准同步。T6时刻给出断开输入继电器信号，而在T7时刻，输入继电器断开，j#模块的输入分压电容电压上升。为在一定程度上加速投入的进程，我们需要在输入电容电压达到一定电压等级（低于模块额定输入电压，即T8时刻）时给出使能驱动的控制信号。有了驱动信号后，投入模块输出随之建压，数字信号处理器一直在检测输出的正弦度，当在T9时刻数字信号处理器检测到输出电压达到额定正弦输出后，就给出输出继电器闭合的信号。由于动作延迟，输出继电器最终在T10时刻响应，与此同时给出闭合两个信号开关S_j3和S_j4的控制信号。
至此热插拔的全过程结束，系统重新正常运行。