CN100407566C - 高压大功率变频器在功率模块故障时的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压大功率变频器在功率模块故障时的处理方法。该方法包括以下步骤：1.系统检测到某相某个功率模块出现故障，则封锁其输出，然后，触发其旁路电路，保持其它模块的连接关系；2.调整功率模块的电压给定，使变频器三相输出的线电压仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并尽量增大其电压输出能力。

Description

高压大功率变频器在功率模块故障时的处理方法

技术领域

本发明涉及一种由多个功率模块单元串联构成的高压大功率变频器，更具体地说，涉及当一个或多个功率模块故障时，仍可以使高压大功率变频器具有较高输出的方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压大功率变频器的应用日渐广泛。而，由如图1所示的功率模块单元串联构成的高压大功率变频器(如图2所示)作为适合中国国情、性能优异的变频器，受到众多变频器生产厂商、科研院所、工程技术人员、用户的青睐，显示了其方兴未艾的前景。

由于高压大功率变频器的每一相均是由若干个功率模块单元串联构成的，为了避免某一相中的某一个或几个功率模块单元故障后，造成变频器输出缺相，故，通常在每个功率模块单元旁边并联一个旁路电路。在变频器运行过程中，当某个模块出现故障时，变频器中的控制器输出控制信号封锁这个模块的输出，使其旁路电路工作，维持其余多个模块的串联关系，使变频器的这一相仍有电压输出。

但是，由于变频器三相模块的输出指令是均衡的，所以，当有一只或多只模块出现故障而退出运行时，就会出现变频器实际输出的三相电压不平衡。

目前，为了维持变频器三相输出电压的平衡，大家通常采用的方法是：同时将变频器另外两相中相同数目的、正常的功率模块旁路掉，达到使变频器三相输出电压平衡的目的。这种做法虽然达到了使变频器三相输出电压平衡的目的，但是，降低了变频器输出电压的额定值，牺牲了正常、好的功率模块单元。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种当某个或某几个功率模块单元故障时，在不旁路其它正常功率模块的前提下，仍然可使高压大功率变频器具有高输出电压的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高压大功率变频器在功率模块故障时，使高压大功率变频器仍具有高输出的方法，该方法包括以下步骤：

1、系统检测到某相某个功率模块出现故障，封锁其输出，然后，触发其旁路电路，保持其它模块的连接关系；

2、调整功率模块的电压给定，使变频器三相输出的线电压仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并尽量增大其电压输出能力。

本发明是通过相对降低没有被旁路或旁路个数较小的相的功率模块单元的电压幅值给定的方法；或维持各功率模块单元电压幅值给定相等，只调整三相功率模块单元给定电压之间的相位角的方法，使变频器三相输出的线电压保持平衡。

本发明还通过增大功率模块电压给定的峰值，使线电压尽量与未发生功率模块旁路前接近。

本发明还通过在每个功率模块输出相电压的指令值上去掉一个偏移量，增大变频器的电压利用率，提高变频器的输出电压的能力。

本发明控制方法简单，思路巧妙，在不牺牲“健康”功率模块的情况下，使变频器三相输出电压保持平衡，且线电压尽量与未发生功率模块旁路前接近。另外，本发明还通过在每个功率模块输出相电压的指令值上去掉一个偏移量的方法，增大变频器的电压利用率，提高变频器的输出电压的能力。

附图说明

图1是构成高压大功率变频器的功率模块单元内部电路图；

图2是由图1所示的功率模块单元串联构成的高压大功率变频器结构示意图；

图3是当一个功率模块单元故障被旁路后，通过降低另外两相模块电压给定维持变频器三相输出电压平衡的原理图；

图4是功率模块单元故障被旁路后，通过调整三相功率模块单元给定电压之间的相位角的方法使变频器输出的三个不均衡的矢量构成等边三角形的原理图；

图5是采用计算机迭代法计算图4所示角度的基本算法；

图6为本发明的改变角度、提高电压利用率的一个具体实施例

具体实施方式

为了易于维修，适应不同电压等级的需要，目前高压大功率变频器多采用模块化设计，即变频器的每一相均是由若干个功率模块单元串联构成。通过改变功率模块的电压指令可以改变功率模块单元的电压输出，从而改变变频器的三相输出电压。

本发明所提供的方法就是：当变频器某相中某一个或几个模块出现故障被旁路后，通过调整功率模块的电压给定，使变频器三相输出的线电压仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并尽量增大其电压输出能力。

调整变频器功率模块单元的电压给定，可以通过以下两种具体方法实现：

方法一：当变频器检测出某相中某一个或几个模块出现故障，将其旁路后；相应地降低其它两相功率模块的电压幅值指令，使变频器三相输出电压平衡。

图3为此方法原理图。如图所示，假设每相有n个模块，当A相有一个模块A1出现故障，A相功率模块的电压指令仍旧为U时，相应地将B、C相功率模块的电压幅值指令变为U*(n-1)/n，这样，不用牺牲正常的、好的功率模块就可以使变频器三相输出电压达到平衡。

这样处理的结果，实际上与B相、C相各旁路掉一个健康的模块，产生的电压是一样的。但是，这样做的结果有很大的好处。传统的、将正常模块旁路掉以达到变频器三相输出平衡的措施，如果想取消旁路再次使正常的模块恢复运行，在技术实现上比较复杂，往往存在一个过渡过程；而本发明并没有将正常、“健康”的模块旁路掉，所以，除故障模块外，其它的模块都在正常运行，此时，如果B相或C相又有一只模块出现故障，则可以将相应相的模块的电压指令恢复为U，系统电压仍旧可以维持不变，控制更加简便。而传统的处理方法，如果B相或C相又有一只模块出现故障，必须再次旁路3个模块，变频器输出电压的额定值又需要降低1/n。

方法二：当变频器检测出某相中某一个或几个模块出现故障，将其旁路后；维持各功率模块单元电压幅值给定相等，只调整三相功率模块单元给定电压之间的相位角，使变频器三相线电压输出保持平衡。

假设每个功率模块的输出电压为1，不管损坏的模块发生在哪一相，为了方法的普遍性和易于理解，我们假设A相还剩下m个模块是“健康的”功率模块，B相还剩下k个“健康的”功率模块，C相还剩下p个“健康的”功率模块，则三相能输出的电压分别为m、k、p。

我们知道，作为本文所述的高压变频调速系统的负载的交流电机，只要线电压平衡就可以了。如果将变频器的输出看作是一个黑匣子，电机是看不到变频器的内部构造的，而只是关心变频器的输出U、V、W端子的电压是否平衡。因此，为了使电机正常运行，变频器应该确保其A、B、C三相的矢量端点构成一个等边三角形如图4所示即可。

剩下的问题就是简单的纯几何问题了。如图4所示，从端点O出发的三个矢量，长度分别为m、k、p，如何确定其相互之间的夹角，使其端点U、V、W构成一个等边三角形。可以用当前通用的C、FORTRAN、MATLAB等数学工具，编一个简单的程序，如图5所示，通过迭代计算出需要的角度，对于本领域普通技术人员很容易计算出这个角度。角度计算出来之后，程序设计人员可以将离线计算的角度值与其对应的变频器系统故障情况存表，在嵌入式系统中直接应用。当然，也可以使用在线计算的方法，但在线计算会占用单片机过多的资源，如果处理不好，还会影响到控制的实时性，得不偿失，因此一般不建议使用。

根据上述计算出的变频器U、V、W三相输出相电压之间的角度，来改变所有“健康的”功率模块相位角，所有“健康的”功率模块的电压幅值给定仍然是一致的，使变频器三相输出电压平衡，三相输出电压的矢量图为等边三角形。

另外，根据交流电机对电压的要求，设计人员可以修改每个功率模块的电压幅值给定(也得到一个表存在上文所述的嵌入式系统中)，得到需要的线电压输出，满足交流电机对电压的要求。

在具体实施中，还需要解决一些问题。在现有的技术中，对于多级串联高压变频调速系统，一般采用多级正弦PWM调制方法。在此方法中，为了提高电压利用率，可以在载波不变的情况下，在三相给定参考波形(即正弦基波波形)上叠加一个同相位的3次谐波，这样，3次谐波在相电压中出现，而在线电压中，由于3次谐波相位相同，互相抵消。但是，对于基波电压来说，由于避免了过调制，可以得到更高的电压。

当某个功率模块发生故障时，按照上述的方法，调整了三相功率模块电压之间的相位，相位不再是120度，此时，不能再依靠三次谐波来提高电压利用率；因为三次谐波不能互相抵消了。

为此，本发明提出了一种新方法，即在每个功率模块输出相电压的指令值上去掉一个偏移量的方法，去掉一个偏移量只影响到相电压，对线电压没有影响。这种方法与上文所述的调整相位的方法相结合，用于功率模块串联高压变频调速系统的PWM控制，可提高电压利用率。

如图6所示，首先，应该保证线电压峰值相等，相位互差120度。在已知故障现象(即m、k、p)的情况下，根据图5所示的方法重新确定a、b、c相间的三个角度，就能保证这一点；同时，图5的算法中，也能知道根据线电压的要求，每个模块(或每一相)的电压峰值指令是多少。此时需要的相位差，相对于本次旁路未发生时，有一个偏差，将此偏差加到三相电压的瞬时相位角上，就可以得出当前三相的相位角Φa、Φb、Φc。如果采用正弦控制，用电压峰值乘相位角的正弦值，可以得到三相电压当前的瞬时值Ua、Ub、Uc：

Ua＝V1*SINΦa

Ub＝V1*SINΦb

Uc＝V1*SINΦc

为了提高电压利用率，不能将此三个值直接送至PWM发生器中，本发明提出了图6所示的方法，计算上述偏移量。图6中，偏移量Uoffset可以由以下两种方法得到：

$\left(1\right):\mathrm{Uoffset}=n*\frac{\max (\mathrm{Ua},\mathrm{Ub},\mathrm{Uc})+\min (\mathrm{Ua},\mathrm{Ub},\mathrm{Uc})}{\text{2}}$

$\left(2\right):\mathrm{Uoffset}=\frac{\max (\mathrm{mUa},\mathrm{kUb},\mathrm{pUc})+\min (\mathrm{mUa},\mathrm{kUb},\mathrm{pUc})}{\text{2}}$

通过验证可以知道，这两种方法都可以有效提高电压利用率，但是根据已旁路的模块数量和系统原有模块数量的具体差异，两种方法的效果会有所差别。当然，用户可以在程序中做一个判定程序，哪个好就用哪个。

高压变频调速系统的负载，一般为交流电机，考虑到交流电机调速的需要，变频调速系统一般并不在额定输出电压和额定输出频率下运行。众所周知，交流电机在调速时，为了避免磁通饱和，一般采取电压与频率成正比的协调控制方式，即在速度低于额定转速时，电压也较低；此时，如果发生功率模块故障而被旁路的情况，系统输出电压能力有所降低，但是，通过适当调整功率模块的电压峰值指令，却仍旧可能满足在较低转速下交流电机完全正常工作的需要。如图4中，外部虚线所示的等边三角形，代表了交流电机的线电压大小，此线电压与未旁路时的线电压的比值是可以在图5所示的算法中计算出来的。此时，可将给定图6中的给定V1进行适当增大，如果此时，PWM未出现过调制的情况，则输出电压仍旧可以与未旁路时相等，电机仍旧可以正常运行。

本发明中，并未限定m、k、p的具体数值，因此，对于任意个功率模块串联构成的系统，本发明提出的方法都是适用的。

Claims (2)

1.一种在功率模块故障时使高压大功率变频器具有高输出的方法，该高压大功率变频器的每一相由若干个功率模块单元串联构成，每一功率模块单元并联有一个旁路电路，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)系统检测到某相某个功率模块出现故障，封锁其输出，触发其旁路电路，保持其它模块的连接关系；

(2)调整功率模块的电压给定，使变频器三相输出的线电压仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并尽量增大其电压输出能力；

具体方法是：

(I)、维持各功率模块单元电压幅值给定相等，只调整三相功率模块单元给定电压之间的相位角，使线电压保持平衡；

(II)、在每个功率模块输出相电压的指令值上去掉一个偏移量，增大变频器的电压利用率，提高变频器的输出电压的能力。

2.根据权利要求1所述的一种在功率模块故障时使高压大功率变频器具有高输出的方法，其特征在于：所述功率模块采用PWM调制方式。

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