不间断电源系统可靠性若干关键问题研究

摘要

目前不间断电源(UPS)在通讯基站、数据中心、制造业中广泛应用，但这些电源的软肋是蓄电池，因为电池需要定期更换，维护成本高，成为可靠性的隐患。目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)的寿命已经能够满足UPS应用的要求，用质子交换膜燃料电池替换蓄电池，可以提升电源系统的可靠性，并能实现长备用。不间断电源系统可靠性的另一个担心来自于电力电子变换器，因为电力电子变换器中的电力电子器件（IGBT或MOSFET）和电解电容比较脆弱，容易发生故障，且大多数电力电子变换电路没有容错运行能力，任何元件或者子系统的故障都有可能造成系统的崩溃。因此，需要在经典设计的基础上，进行冗余设计和容错运行的研究，以提高系统可靠性。燃料电池UPS系统中，燃料电池采用冷备用方式，并具有冷启动时间长，输出惯性大，响应慢的特征，这些决定了燃料电池UPS系统的备用供电模式和整流逆变供电模式的切换方式与传统UPS系统有明显区别。
　　本文探讨了三种工作模式间无缝切换的控制策略，针对燃料电池冷启动问题，提出了一套切换控制策略，在燃料电池冷启动阶段，利用能量管理单元支撑母线，提供负载能量，燃料电池可以空载冷启动，之后利用能量管理单元辅助燃料电池缓慢加载。这种控制策略确保了切换过程中负载不间断供电，同时解决了燃料电池冷备用的问题。最后通过实验验证了整个切换策略可以实现系统模式间平稳、快速的切换。变换器并联技术已经广泛应用于UPS、通信基站等领域，主要用于扩展系统容量和提高系统可靠性。分析了传统并联逆变器系统IGBT短路故障隔离中的二大核心问题:当一台变换器故障时，另外一台正常变换器受到的最大电流冲击和故障隔离需要的最长时间。为了分析这些问题，首先讨论了并联逆变器系统中IGBT短路故障隔离的四个阶段。基于阶段分析，获得非故障模块受到的最大电流冲击和故障隔离最长时间的数学模型，并通过案例分析了相关设计参数对最大电流冲击和最长故障隔离时间的影响。最后进行实验验证。基于传统并联逆变器系统故障隔离的问题，探讨了改变无源元件抑制冲击电流的方法来实现系统容错运行。首先进行需求分析，针对故障过程中产生的冲击电流，采用参数设计的方法进行抑制。从输出无源元件、母线电压和限流电流保护门槛值三个参数进行设计，定量分析三个参数的不同设计方法对冲击电流的影响情况，并结合具体的案例给出分析结果，结果表明母线电压和限流保护门槛值对冲击电流抑制效果有限，并决定采用重新设计滤波参数的方法来抑制冲击电流。最后进行实验验证。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池电源系统综述

1．1．1 燃料电池电源系统

1．1．2 燃料电池电源系统模式切换

1．2 故障隔离和冗余设计综述

1．2．1 器件级故障隔离和容错设计

1．2．2 桥臂级故障隔离和容错设计

1．2．3 系统级故障隔离和容错设计

1．3 本文研究工作重点及技术难点

第二章 燃料电池UPS系统无缝切换技术

2．1 燃料电池UPS系统需求分析

2．1．1 燃料电池冷备用问题

2．1．2 燃料电池动态响应

2．2 无缝切换原理

2．3 无缝切换中参数设计

2．3．1 超级电容能量配备

2．3．2 主电路电感和母线电容设计

2．3．3 能量管理单元控制参数设计

2．4 实验

2．4．1 实验平台

2．4．2 工作模式切换的实验波形

2．5 本章小结

第三章 并联逆变器IGBT短路故障分析

3．1 并联逆变器IGBT短路故障的需求分析

3．1．1 冲击电流

3．1．2 故障隔离时间

3．2 IGBT短路故障发展过程的阶段分析

3．3 IGBT短路故障中核心问题定量分析

3．3．1 非故障逆变器的电流应力分析

3．3．2 故障隔离时间

3．4 实验

3．4．1 实验平台

3．4．2 实验波形

3．5 本章结论

第四章 并联逆变器故障冲击电流抑制

4．1 需求分析

4．1．1 冲击电流

4．1．2 隔离时间

4．2 参数设计抑制冲击电流

4．2．1 电感设计对冲击电流影响

4．2．2 限流保护门槛值对冲击电流影响

4．2．3 母线电压设计对冲击电流影响

4．3 实验

4．3．1 实验平台

4．3．2 实验波形

4．4 本章结论

第五章 总结和展望

5．1 结论及贡献

5．2 下一步的研究工作

攻读博士学位期间成果清单

参考文献

附录

致谢