[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明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，本发明采取的技术方案是：

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Q_N+1与钢轨连接。