CN101699732B - 一种变流器的故障控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变流器的故障控制方法，变流器包括电源电路，电源电路具有至少两相输出支路，每相输出支路串联有多个功率单元，在电源电路的端部接入冗余电路，当检测到功率单元出现故障时，旁路故障的功率单元；计算各个输出支路中正常工作的功率单元的数量，以调节冗余电路中接入各个输出支路的功率单元的数量，从而使得各个输出支路中正常工作的功率单元的数量之差的绝对值小于等于1。可防止输出支路之间正常工作的功率单元的数量失衡；保证了在故障模状态下，充分利用每一个无故障的功率单元，既可实现输出线电压平衡，又可实现相电压平衡，进一步提高装置安全性，避免输出功率、输出电压过度下降，达到减少系统成本，提高了系统可靠性。

Description

一种变流器的故障控制方法

技术领域

本发明涉及故障控制方法，更具体地说，涉及一种变流器的故障控制方法。

背景技术

当前，变流器解决方案可用于低额定电压(即小于或等于690V)。然而，在1000V以上的电压的现有解决方案有明显的缺陷，将级联或串联的逆变器用于补偿无功功率或谐波或用于驱动高压电机设备等，因其具有支持独立分相控制、易于实现模块化设计等优势，得到广泛的赏识和研究。

在本文引入作为参考的美国专利US082888号中公开的一种此类变流器，该项专利又引入作为参考的美国专利US56255545号。美国专利US56255545号中提出了一种用作变流器的电源，它可以利用多个功率单元产生一个三相的AC输出，与仅仅一个功率单元的情况相比，串联的多个这种功率单元可以提供较高的电压输出。然而，串联结构中的某些功率单元在工作中有可能发生故障，使电流通路形成开路，影响到整个装置不能工作，在许多情况下，都要求能够在部分功率单元出故障时在降压模式下连续工作，或支持短暂的工作。实现降压工作的一种方法是将损坏或是故障的功率单元短路，但这样会造成不平衡的输出，引起对输出端设备的损坏。因此，当串联结构中的功率单元发生故障时，通常需要通过在每个其他支路中短路同等数量的功率单元，以便能够使输出端设备在各支路平衡状态下工作。然而这种方法引起输出电压严重的降低，输出功率出现明显的下降。

在美国专利US082888号中提供了一种可以在故障模式下利用可以工作的所有功率单元或转换器输出功率的装置。该装置在检测到故障的功率单元时，通过在各个支路之间调整支路间的相位关系，就可以恢复线间的相位平衡，线电压输出达到平衡，并且在系统中充分利用每一个无故障的功率单元。但当故障模块较多时，各支路中的功率单元数量严重不平衡时，以三相电路为例，由于单元电压不再具有120°的相互相位偏移，单元电压和单元电流之间的相位角必将发生变化，将会出现某些单元中单元电流有可能比单元电压滞后90°以上，造成这些单元吸收能量，从而引起输出功率的下降。另外该装置只考虑输出线电压的平衡、输出线电压下降比例，而未有考虑单元电流的限制，如加入单元电流的限制，该装置的输出功率依然会出现明显下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的变流器在异常状态时，将出现不平衡的输出，引起对输出端设备的损坏；各支路中的正常工作的功率单元数量严重不平衡时，输出电压严重的降低，输出功率出现明显的下降等缺陷，提供一种变流器的故障控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种变流器的故障控制方法，所述变流器包括电源电路，所述电源电路具有至少两相输出支路，每相输出支路串联有多个功率单元，在所述电源电路的端部接入冗余电路，所述冗余电路具有M×N个功率单元，通过开关支路将所述M×N个功率单元连接成M×N矩阵电路，M≥1和N≥1且均为正整数；当检测到工作的功率单元出现故障时，执行以下步骤：

S1：旁路故障的功率单元；

S2：计算各个输出支路中正常工作的功率单元的数量，以调节所述冗余电路中接入各个输出支路的功率单元的数量，从而使得各个输出支路中正常工作的功率单元的数量之差的绝对值小于等于1。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，在步骤S2中，通过控制所述冗余电路中各个开关支路的导通或关断，以调节所述冗余电路中接入各个输出支路的功率单元的数量。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，在所述冗余电路中，每一列的功率单元从下到上依次可择一地接入所述电源电路中的其中一相输出支路。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，所述冗余电路中的每一个功率单元可择一地接入所述电源电路中的其中一相输出支路。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，在所述电源电路处于正常工作状态时，旁路所述冗余电路，以使得其为待机状态。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，在所述电源电路处于正常工作状态时，导通所述冗余电路，以使得其为正常工作状态。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，在所述电源电路和冗余电路的每个功率单元的两端均并联开关支路，以用于导通或旁路与其并联的功率单元。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，所述电源电路为三相电源，其具有三个输出支路，每个输出支路串联有至少两个功率单元。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，所述冗余电路为2×3矩阵电路，每一列的功率单元从下到上依次可择一地接入所述三个输出支路的其中一个输出支路。

在本发明所述的变流器的故障控制方法中，所述冗余电路为2×3矩阵电路，其每一个功率单元均可择一地接入所述三个输出支路的其中一个输出支路。

实施本发明的变流器的故障控制方法，具有以下有益效果：通过在变流器的电源电路的端部串接冗余电路，从而在电源电路的输出支路中功率单元有故障时，可屏蔽故障的功率单元，然后将冗余电路中的功率单元接入相应的输出支路中，该输出支路进行故障补偿，因此可防止输出支路之间正常工作的功率单元的数量失衡；与该电源电路串联的冗余电路，在电源电路正常工作时，既可将其功率单元接入各个输出支路，与电源电路一起工作，在该模式下，实现在故障状态下，通过调节冗余电路中功率单元接入输出支路的情况，保持各输出支路的功率单元数量尽量平衡，这样保证了在故障模状态下，充分利用每一个无故障的功率单元，既可实现输出线电压平衡，又可实现相电压平衡，进一步提高装置安全性，避免输出功率、输出电压过度下降，即通过调节冗余电路中功率单元在各输出支路间的转移，实现在故障状态下，各支路的功率单元数量尽量平衡，从而提高了该变流器的安全性，避免输出电流、输出电压过度下降，达到减少系统成本，提高了系统可靠性；另外，在电源电路正常工作时，该冗余电路也可处于旁路状态，仅在电源电路中的输出支路具有故障功率单元时，将冗余电路中的相应数量的功率单元接入输出支路，保证输出线电压、相电压均保持平衡，避免输出功率、输出电压过度下降，提高装置安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明变流器的故障控制方法中冗余电路中的功率单元一连接结构的电路框图；

图2是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第一实施例的电路原理框图；

图3是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第二实施例的电路原理框图；

图4是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第三实施例的电路原理框图；

图5是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第四实施例的电路原理框图；

图6是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第五实施例的电路原理框图；

图7是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第六实施例的电路原理框图；

图8是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第七实施例的电路原理框图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的变流器的故障控制方法中冗余电路中的功率单元一连接结构的电路框图，对于该功率单元通过在其外围添加开关支路，从而使得其具有三个输出通路，对于该实施方式的连接结构的改造主要是针对三相电源，即可根据电源电路的具体输出支路的数量，而灵活设计功率单元的外围开关支路，使得其具有与电源电路的输出支路数量相等的输出通路，以实现功率单元可择一地接入其中一输出支路，如图1所示的功率单元可以是AC转化到AC的变换器，也可以是DC转化到AC的变换器，或是多级(串联、并联、串并联混合或其他)转换到AC的变换器，S1、S2、S3、S4为开关装置，通过4个开关装置的不同的通断状态以及功率单元的输出电压变化，可以实现输出端子两两之间的电压不同变化。该功率单元应用于操作多相电源。

本发明的变流器的故障控制方法中，变流器包括电源电路1，该电源电路1具有至少两相输出支路，各个支路中各自具有串联连接的多个功率单元或是转换器。按照这种连接方式，每个支路的支路电压等于这一支路中连接的功率单元的总和。另外，该电源电路1在每一对支路端部的端子之间还具有一个线电压输出。本技术方案的发明点在于，在电源电路1的端部接入冗余电路2，该冗余电路2具有M×N个图1所示的功率单元，通过开关支路将M×N个功率单元连接成M×N矩阵电路，M≥1和N≥1且均为正整数；当检测任何支路中有出故障的功率单元，执行以下步骤：

S1：旁路故障的功率单元，可通过对功率单元输出短路、或屏蔽技术绕过故障功率单元，形成一条电流通路，避免多相电源输出中断；

S2：计算各个输出支路中正常工作的功率单元的数量，以此调节冗余电路2中接入各个输出支路的功率单元的数量，从而使得各个输出支路中正常工作的功率单元的数量之差的绝对值小于等于1。

在本发明的技术方案中，将冗余电路2接入电源电路1后，可先将冗余电路2旁路，使得其处于待机或停机状态，仅在输出支路出现故障时，根据输出支路中故障的功率单元的数量，导通冗余电路2中相应的功率单元，对输出支路中被旁路的故障功率单元进行补偿；另外，在冗余电路2接入电源电路1后，可将冗余电路2中的功率单元平均接入各个支路，与电源电路1中输出支路的功率单元相串联一起工作，在出现故障时，首先判断出现故障的功率单元是哪个输出支路的，接着判断该故障的功率单元是电源电路1中的功率单元，还是冗余电路2中的功率单元，从而对调整冗余电路中的功率单元，使得其在各个输出支路中进行转移，以各个输出支路中正常工作的功率单元的数量之差的绝对值小于等于1。在一优选实施例中，将冗余电路2中功率单元接入各个输出支路时，对于一列功率单元，从该列的最后一个功率单元开始导通接入，例如若要从第一列功率单元中导通一个功率单元接入A输出支路，仅能将第一列功率单元的最后一个功率单元接入A输出支路，若要从第二列功率单元中导通两个功率单元接入B输出支路，仅能将第二列功率单元的最后两个功率单元接入B输出支路，若要从第二列功率单元中导通三个功率单元接入A输出支路，仅能将第二列功率单元的最后三个功率单元接入A输出支路，依此类推。

在图2示出的本发明的使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第一实施例中，该电源电路1为三相电源，其具有三个输出支路A、B和C，每个输出支路串联有N个功率单元；而冗余电路2为1×1的矩阵电路，即在该冗余电路中仅有1个功率单元，如图2所示正常工作时，S1、S2开关装置闭合，冗余电路2处于待机或停机状态，实时监测各个支路上的工作单元状态，若功率单元出现故障时，则启动该功率单元的旁路或屏蔽装置，将其旁路，接着判断该功率单元所在的输出支路，即是在A支路、B支路，还是在C支路，通过控制S1～S4开关装置的导通或关断，将冗余电路2中的功率单元切换到该支路工作，例如切换到A支路，则闭合开关装置S4、S2，断开开关装置S1、S3；例如切换到B支路，则闭合开关装置S4、S3，断开开关装置S1、S2；例如切换到C支路，则闭合开关装置S3、S1，导通开关装置S2、S4。

在图3示出的使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第二实施例的电路原理框图中，其与图2的区别在于，在图3的实施例中冗余电路2为1×2的矩阵电路，即具有两个功率单元，实现了两个功率单元在三个输出支路之间的灵活转移和公用功能。工作过程可以多种操作实现，例如正常工作时，开关装置S11、K1、K2、S22闭合，输出支路A、B、C构成星形电路，此时SAC亦可闭合，不影响正常工作。当出现某一支路有故障单元，则将冗余单元切换到该支路工作。若将功率单元11切换到B支路工作，功率单元12切换到C支路工作，可通过控制开关装置K1、S14、S13、S24、S22闭合，其他开关装置断开实现。

根据图3所示的实施例，通过对该电路扩展，可实现N个功率单元在三个输出支路公用的功能，如图4所示使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第三实施例的电路原理框图中，冗余电路2为1×N的矩阵电路，即具有N个功率单元，其中省略号省略的是开关装置，在该电路中每相隔两个或更多个功率单元之间，要有跨接开关装置，以便在将功率单元任意分配到A、B、C三个输出支路中工作时，使输出支路A、B、C建立星形连接。

在图5是使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第四实施例的电路原理框图中，冗余电路2为X×1的矩阵电路。当X＝3时，即冗余电路具有3个功率单元，依次排序为功率单元11、功率单元21和功率单元31，正常工作时，KA3、KA2、KA1、K1、KC3、KC2、KC1、K2闭合，其他开关装置断开；若设定A、B、C分别有一个故障单元，则需冗余电路中分别提供一个功率单元给各个支路，通过将S34、KC3、S22、KB3、S24、KA2、KB1、S14闭合，其他开关装置断开实现。

在图6示出的使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第五实施例的电路原理框图中，该实施例中冗余电路为1×3的矩阵电路，即具有三个功率单元，实现了功率单元11、12、13在输出支路A、B、C任意转换，从而调节各个支路上的功率单元个数，实现各个支路上功率单元个数平衡，只要是总无故障工作功率单元个数能被相数整除，就实现相电压、线电压均平衡，若各个功率单元为相同电路，则各个功率单元输出功率也一致。在总无故障工作功率单元个数不能被相数整除时，各支路上的功率单元个数最多相差为1，可通过US082888专利中点偏移技术进行线电压稍微调整，在功率单元个数较多的场合，通过功率单元自身调整电压，也可忽略不计。下面以功率单元11为例进行说明工作原理。正常工作时，开关装置K2、K3、K4、K5闭合，形成通路，其他开关均断开，功率单元11工作在支路A中。当功率单元12、13为无故障功率单元时，开关装置K3、K2、S1、K6闭合，其他开关均断开，则功率单元11工作在支路B中；当单元12、13为故障单元时，开关装置S3、K2、S6、S1闭合，其他开关均断开，则功率单元11工作在支路B中；当功率单元12为故障单元、功率单元13为无故障单元时，开关装置S3、K2、K6、S1闭合，其他开关均断开，则功率单元11工作在支路B中；当功率单元12为无故障单元、功率单元13为故障单元时，开关装置K3、K2、S6、S1闭合，其他开关均断开，则功率单元11工作在支路B中。在这种情况下，还有其他控制方法，这里不一一列举。

图6所示的实施例只是实现了一个功率单元在各个输出支路上转移，在图7示出的使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第六实施例的电路原理框图中，冗余单元2为2×3的矩阵电路，即具有6个功率单元，图7所示的实施例实现了最多两个功率单元的转换，其中，开关装置S1～S6与开关装置K1～K6实现了两个功率单元同时在各个输出支路上转换，工作原理同上面描述一致；开关装置SN1～SN6与开关装置K1～K6实现了1个单元同时在各个支路上转换，工作原理亦同上面描述一致。同理，以此类推，我们可以做到更多单元的转移，任意个单元在两两支路间的转移。图7只是实现了最多2个单元在每两两支路中转移，但还不能实现多个支路同时转移，如功率单元22、功率单元23同时转移到支路A中，或功率单元13和功率单元23分别转移到支路A、B中等功能，在上图中不可实现。

在图8示出的使用图1所示的连接结构的功率单元的变流器的第六实施例的电路原理框图中，其冗余单元2也为2×3的矩阵电路，即具有6个功率单元，图8所示的实施例真正实现各个单元在任意支路中工作，彻底实现无限制的各个支路上工作功率单元的个数平衡，达到相电压、线电压平衡，在平衡的负载下，亦可实现相电流的平衡。该示意图是表示最多为任意2个在多个支路间转移，如需达到更多，则在该示意图上进行扩展即可。工作原理用举例进行说明。若将功率单元13和功率单元23分别转移到支路A、B，则需将开关装置K(N-1)1、KN1、K1、KN6、SN6’、K(N-1)5、K(N-1)3、KN3、K4、K5、SN5、KN4、S5闭合，其他断开，即可实现。

在本发明的技术方案中，根据图7和图8两个实施例的扩展，可实现在冗余电路2中，每一列的功率单元可择一地接入电源电路1中的其中一相输出支路，且每一列的功率单元中的最后一个功率单元可择一地接入电源电路1中的其中一相输出支路，或冗余电路2中的每一个功率单元可择一地接入电源电路1中的其中一相输出支路。在本发明的技术方案中，电源电路和冗余电路中的各个功率单元可以是具有相同的输出功率或输出功率各不相同，在本发明的实施例中，选用冗余电路的功率单元为具有相同的输出功率，如果冗余电路的功率单元具有不同的输出功率时，调节冗余电路中的功率单元接入电源电路中的各个输出支路的数量，按各个功率单元的输出功率进行调节，实现各个输出支路的输出功率基本保持平衡。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种变流器的故障控制方法，所述变流器包括电源电路，所述电源电路具有至少两相输出支路，每相输出支路串联有多个功率单元，其特征在于，在所述电源电路的端部接入冗余电路，所述冗余电路具有M×N个功率单元，通过开关支路将所述M×N个功率单元连接成M×N矩阵电路，M≥1和N≥1且均为正整数；当检测到工作的功率单元出现故障时，执行以下步骤：

S1：旁路故障的功率单元；

S2：计算各个输出支路中正常工作的功率单元的数量，以调节所述冗余电路中接入各个输出支路的功率单元的数量，从而使得各个输出支路中正常工作的功率单元的数量之差的绝对值小于等于1。

2.根据权利要求1所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，在步骤S2中，通过控制所述冗余电路中各个开关支路的导通或关断，以调节所述冗余电路中接入各个输出支路的功率单元的数量。

3.根据权利要求2所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，在所述冗余电路中，每一列的功率单元从下到上依次可择一地接入所述电源电路中的其中一相输出支路。

4.根据权利要求2所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，所述冗余电路中的每一个功率单元可择一地接入所述电源电路中的其中一相输出支路。

5.根据权利要求1～4任一所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，在所述电源电路处于正常工作状态时，旁路所述冗余电路，以使得其为待机状态。

6.根据权利要求1～4任一所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，在所述电源电路处于正常工作状态时，导通所述冗余电路，以使得其为正常工作状态。

7.根据权利要求1～2任一所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，在所述电源电路和冗余电路的每个功率单元的两端均并联开关支路，以用于导通或旁路与其并联的功率单元。

8.根据权利要求7所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，所述电源电路为三相电源，其具有三个输出支路，每个输出支路串联有至少两个功率单元。

9.根据权利要求8所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，所述冗余电路为2×3矩阵电路，每一列的功率单元从下到上依次可择一地接入所述三个输出支路的其中一个输出支路。

10.根据权利要求8所述的变流器的故障控制方法，其特征在于，所述冗余电路为2×3矩阵电路，其每一个功率单元均可择一地接入所述三个输出支路的其中一个输出支路。

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