CN102355154B - 一种级联型变流器的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种级联型变流器及其保护方法，在变流器中加入放电回路和旁路电路，同时用主动均压法或过压保护方法对变流器进行监控，使级联型变流器中各个变压器的直流母线电压处于均衡状态，或者出现电压过高时进行过压保护。本发明主动均压法通过试验获得了良好的效果。本发明的过压保护方法，采用了与主动均压控制方法同一个电路，提供了一种快速保护方法，可以获得很好的保护效果，延长系统的无故障运行时间，为级联型变流器的应用的提供了基础。本发明对于今后级联型变流器的应用具有重要的意义。

Description

一种级联型变流器的保护方法

技术领域：

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种级联型变流器及其保护方法。

背景技术：

级联型变流器由N个独立的全桥电路或半桥电路在交流侧串联构成，直流侧相互独立。可由3个桥臂对通过Y型或△型连接构成三相系统。应用于各种高压电力电子装置中。这种级联型变流器具有很多优点：各变流器单元结构相同，容易实现模块化设计，安装，维修；直流侧相互独立，相比器件串联等拓扑结构，容易实现模块电压均衡；各变流器单元工作对称，开关负荷平衡；级联后，可以使用低压元器件实现高电压输出，结合载波移相等其他技术，可以获得较低的谐波畸变，并采用较低的开关频率，从而降低损耗，提高效率。对级联变流器的应用，保证各个变流器单元(一个变流器可称为一个变流器单元)的直流母线电压均衡，才能保证各功率半导体器件承受相同的应力，从而保证各个元件都在安全工作范围内。

由于各个变流器单元硬件上不可能做到完全一致，结构设计和安装的差异导致杂散参数和热阻等也不完全相同，所以各个变流器的损耗必然存在着一定差异。稳态时各变流器直流母线电压由等效并联电阻大小决定。如果对每个变流器单元采用完全相同的控制方法，这些差异将影响到系统输出。所以对级联型变流器，各个变流器单元的直流电压均衡是一个需要解决的问题。

目前已经有各种控制策略保证变流器单元的直流电压均衡，但这些控制策略都是通过控制单个变流器的逆变桥的有功电流的大小方向，应用于系统输出时的控制算法中，只在系统正常工作之后起作用。当系统处于启动过程中，或者封锁待机没有输出的状态，整个变流器的直流母线电压处于一种不可控状态。对级联型变流器，均压方法主要都是针对变流器正常工作，即解锁状态下的均压控制策略；对于封锁待机情况下，单个变流器单元处于不可控整流状态，还缺少有效的均压方法。

而且当启动时间较长或待机状态较长时，各个变流器单元的直流母线电压不均衡情况会随着时间逐渐加重，可能会超出元器件的正常工作范围对元件造成损坏，或者影响变流器单元的正常工作。

目前已有的各种过压保护策略，其具体实现使用变流器单元的逆变桥，为了保持整个系统的稳定性，当变流器单元电压偏差较大时，可能存在响应时间过长或调节速度不够快等问题，到单个变流器单元出现过压故障时，就只能退出整个系统。对单个变流器单元的过压保 护，当单个变流器单元因为过压问题不能继续工作时，只有整个系统封锁退出的措施，而过于频繁的退出系统，对于级联型逆变器的应用很不利。

发明内容：

针对上述技术的不足，本发明提供一种级联型变流器及其保护方法，在级联型变流器运行时运用主动均压法控制变流器的直流母线电压，使其处于平衡状态，当主动均压法不成功时，起动过压保护方法，保证级联型变流器的安全性和稳定性。

本发明提供的一种级联型变流器，变流器由全桥电路或半桥电路与电容并联组成，N个所述变流器的交流侧串联构成所述级联型变流器；其改进之处在于，在所述电容两端并联设置一条放电回路，所述放电回路由电阻和二极管并联后与IGBT串联构成；

每个变流器交流侧并联旁路电路，用于控制变流器的退出。

本发明提供的第一优选方案的级联型变流器，其改进之处在于，所述全桥电路为H桥结构，包括2个完整桥臂，每个完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；所述IGBT模块由IGBT和所述IGBT反向并联的二极管构成。

本发明提供的第二优选方案的级联型变流器，其改进之处在于，所述半桥电路包括1个完整桥臂，所述完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；所述IGBT模块由IGBT和所述IGBT反向并联的二极管构成。

本发明提供的第三优选方案的级联型变流器，其改进之处在于，所述放电回路由电阻和二极管并联后与IGBT串联的结构为：

(1)所述二极管与所述放电电阻并联，二极管的阳极与IGBT的集电极连接，二极管的阴极与直流母线正极相连；直流母线负极与IGBT的发射极相连，实现放电回路与直流母线的并联；

(2)所述二极管与所述放电电阻并联，二极管的阴极与IGBT的发射极连接，二极管的阳极与直流母线负极相连，直流母线正极与IGBT的集电极相连，实现放电回路与直流母线的并联。

本发明基于另一目的提供的一种如上述变流器的保护方法，其改进之处在于，所述保护方法包括用主动均压法或过压保护方法控制所述级联型变流器中每个变流器的直流母线电压。

本发明提供的第一优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述主动均压法包括如下步骤：

1)设定最大不平衡电压值为V_limit；

2)检测所述变流器的直流母线电压，所述变流器的直流电压用V_n表示，其中n为所述变流器的序号；

3)对所述变流器的直流电压V_n按数值大小排序，得到最小直流母线电压V_x和最大直流母线电压V_y；

4)将所述V_x和V_y进行比较，当V_y-V_x≥V_limit时，对第y个变流器单元的放电回路中的IGBT下发触发脉冲，进行放电，放电时间为T_ref；

5)按照固定时间间隔对各个变流器单元的直流母线电压进行检测，重复所述步骤1)～4)。

本发明提供的第二优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述过压保护方法包括如下步骤：

①设定所述变流器工作的最大直流母线电压为V_overI；所述变流器工作过压告警的直流母线电压为V_{overII_max}；所述过压警告消失的直流母线电压为V_{overII_min}；所述变流器正常工作的额定电压为V_{bus_ref}；其中V_overI＞V_{overII_max}＞V_{overII_min}＞V_{bus_ref}。

②所述V_n中大于所述V_{bus_ref}的电压定为直流母线电压V_bus；

③分别将V_bus、V_overI和V_{overII_max}进行比较，若V_bus＞V_overI，则通过旁路电路将过压的变流器退出或该相级联型变流器退出；若V_bus＞V_{overII_max}，进行模块告警，同时下发触发脉冲，对所述模块进行放电，直至V_bus＜V_{overII_min}。其中，级联型变流器中设有冗余变流器，当冗余变流器的个数小于该相中过压的变流器的个数时，该相级联型变流器全部退出运行。

本发明提供的较优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述T_ref是指所述步骤4)进行放电开始直至V_y-V_x的值不超过V_limit的值的时间段。

本发明提供的另一优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述固定时间间隔是指所述步骤4)完成后至下一个步骤1)的时间间隔。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的电路简单；

本发明解决了级联变流器在启动过程，待机状态和正常工作状态下，变流器单元的均压 和过压保护问题，对于今后级联型变流器的应用具有重要的意义。

本发明主动均压方法可靠，系统工作于各种状态下都有效，由于放电电路电阻仅补偿各模块间的等效并联阻抗差值，因而损耗非常小；主动均压可以获得很好的均压效果，为级联型变流器的应用解决了一个关键问题，且主动均压控制策略，通过试验获得了良好的效果。

本发明的过压保护方法，该方法电路简单，方法可靠，采用了与主动均压控制方法同一个电路，提供了一种快速保护方法，可以获得很好的保护效果，延长系统的无故障运行时间，为级联型变流器的应用的提供了基础。

附图说明

图1为本发明提供的级联型变流器(全桥电路)电路图一。

图2为本发明提供的级联型变流器(全桥电路)电路图二。

图3为本发明提供的级联型变流器(半桥电路)电路图一。

图4为本发明提供的级联型变流器(半桥电路)电路图二。

图5为本发明提供的主动均压控制方法流程图。

图6为本发明提供的过压保护控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示级联型变流器，变流器由全桥电路与电容并联组成，N个变流器的交流侧串联构成级联型变流器；本实施例在此之上：(一)在电容两端并联设置一条放电回路；(二)每个变流器交流侧并联旁路电路。放电回路的结构是：二极管的阳极与IGBT的集电极连接，二极管的阴极与直流母线正极相连；直流母线负极与IGBT的发射极相连，实现放电回路与直流母线的并联。其中全桥电路为H桥结构，包括2个完整桥臂，每个完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；IGBT模块由IGBT与二极管反并联构成。其中，N的个数是根据现场环境由技术人员确定。

如图2所示级联型变流器，变流器由全桥电路与电容并联组成，N个变流器的交流侧串联构成级联型变流器；本实施例在此之上：(一)在电容两端并联设置一条放电回路；(二)每个变流器交流侧并联旁路电路。放电回路的结构是：二极管与放电电阻并联，二极管的阴极与IGBT的发射极连接，二极管的阳极与直流母线负极相连，直流母线正极与IGBT的集电极相连，实现放电回路与直流母线的并联。其中全桥电路为H桥结构，包括2个完整桥臂， 每个完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；IGBT模块由IGBT与二极管反并联构成。其中，N的个数是根据现场环境由技术人员确定。

如图3所示级联型变流器，变流器由半桥电路与电容并联组成，N个变流器的交流侧串联构成级联型变流器；本实施例在此之上在电容两端并联设置一条放电回路，该放电回路的结构是：二极管与放电电阻并联，二极管的阳极与IGBT的集电极连接，二极管的阴极与直流母线正极相连；直流母线负极与IGBT的发射极相连，实现放电回路与直流母线的并联。其中半桥电路包括1个完整桥臂，完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；IGBT模块由IGBT与二极管反并联构成。

如图4所示级联型变流器，变流器由半桥电路与电容并联组成，N个变流器的交流侧串联构成级联型变流器；本实施例在此之上在电容两端并联设置一条放电回路，该放电回路的结构是：二极管与放电电阻并联，二极管的阴极与IGBT的发射极连接，二极管的阳极与直流母线负极相连，直流母线正极与IGBT的集电极相连，实现放电回路与直流母线的并联。其中半桥电路包括1个完整桥臂，完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；IGBT模块由IGBT与二极管反并联构成。

本实施例级联型变流器，各个变流器单元在封锁时下处于不可控整流状态，各个变流器单元损耗的差异会导致各个变流器单元的直流母线电压不平衡。当差异较大时，会影响系统的正常工作。本实施例提出主动均压方法，通过对直流母线电压过高的变流器单元进行短时间放电，改变变流器的等效并联电阻，使之趋于相等，保证了封锁状态下各变流器单元的直流母线电压的平衡。当主动均压法不起作用时，采取过压保护方法，保证系统稳定性与安全性。

本实施例的主动均压法流程如图5所示，具体包括如下步骤：

1)控制器设定最大不平衡电压值为V_limit；

2)用电压霍尔检测变流器的直流母线电压，变流器的直流电压用V_n表示，其中n为所述变压器的序号，即每个变压器的直流母线对应V_n中的一个值。

3)对变流器的直流电压V_n按数值大小排序，得到最小直流母线电压V_x和最大直流母线电压V_y；

4)将V_x和V_y进行比较，当V_y-V_x≥V_limit时，控制器对第y个变流器的放电回路中的IGBT发触发脉冲信号，进行放电，放电时间为T_ref；其中T_ref是指进行放电开始直至V_y减去V_x的 值不超过V_limit的值的时间段，其具体时间值按现场要求由工作人员设定。

5)控制器按照固定时间间隔对各个变流器单元的直流母线电压进行检测，重复1)～4)；其中，固定时间间隔是指所述固定时间间隔是指所述步骤4)完成后至下一个步骤1)的时间间隔，其具体时间值按现场要求由工作人员设定。

本实施例的过压保护方法流程如图6所示，具体包括如下步骤：

①控制器设定变流器工作的最大直流母线电压为V_overI；变流器工作过压告警的直流母线电压为V_{overII_max}；过压警告消失的直流母线电压为V_{overII_min}；变流器正常工作的额定电压为V_{bus_ref}；其中V_overI＞V_{overII_max}＞V_{overII_min}＞V_{bus_ref}。

②V_n中大于V_{bus_ref}的电压定为直流母线电压V_bus；

③分别将V_bus、V_overI和V_{overII_max}进行比较，若V_bus＞V_overI，则通过旁路电路将过压的变流器退出或该相级联型变流器退出；若V_bus＞V_{overII_max}，控制器进行模块告警，同时给放电回路的IGBT下发触发脉冲，对过压的变流器进行放电，直至V_bus＜V_{overII_min}。

需要说明的是，级联型变流器由N个变流器串联构成，N个变流器中有m个冗余变流器(通常设1-3个，且m＜N)，当冗余变流器的个数小于过压变流器的个数时，该相级联型变流器全部退出运行；当冗余变流器的个数大于过压变流器(V_bus＞V_overI)的个数时，对过压的变流器进行旁路。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (3)

1.一种级联型变流器的保护方法，所述级联型变流器中每个变流器由全桥电路或半桥电路与电容并联组成，N个变流器的交流侧串联构成所述级联型变流器；其特征在于，在所述电容两端并联设置一条放电回路，所述放电回路由电阻和二极管并联后与IGBT串联构成；

每个变流器交流侧并联旁路电路；

所述全桥电路为H桥结构，包括2个完整桥臂，每个完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；所述IGBT模块由IGBT和所述IGBT反向并联的二极管构成；

所述半桥电路包括1个完整桥臂，所述完整桥臂包括2个串联的IGBT模块；所述IGBT模块由IGBT和所述IGBT反向并联的二极管构成；

所述放电回路由电阻和二极管并联后与IGBT串联的结构为：

(1)二极管的阳极与IGBT的集电极连接，二极管的阴极与直流母线正极相连；直流母线负极与IGBT的发射极相连；或是

(2)二极管的阴极与IGBT的发射极连接，二极管的阳极与直流母线负极相连，直流母线正极与IGBT的集电极相连；

所述保护方法，其特征在于，所述保护方法包括用主动均压法或过压保护方法控制所述级联型变流器中每个变流器的直流母线电压；

所述主动均压法包括如下步骤：

1)设定最大不平衡电压值为V_limit；

2)检测所述变流器的直流母线电压，所述变流器的直流电压用V_n表示，其中n为所述变流器的序号；

3)对所述变流器的直流电压V_n按数值大小排序，得到最小直流母线电压V_x和最大直流母线电压V_y；

4)将所述V_x和V_y进行比较，当V_y-V_x≥V_limit时，对第y个变流器的放电回路中的IGBT下发触发脉冲，进行放电，放电时间为T_ref；

5)按照固定时间间隔对各个变流器的直流母线电压进行检测，重复所述步骤1)～4)；

所述过压保护方法包括如下步骤：

①设定所述变流器工作的最大直流母线电压为V_overI；所述变流器工作过压告警的直流母线电压为V_{overII_max}；所述变流器过压警告消失的直流母线电压为V_{overII_min}；所述变流器正常工作的额定电压为V_{bus_ref}；其中V_overI>V_{overII_max}>V_{overII_min}>V_{bus_ref}；

②所述变流器的直流电压V_n中大于所述V_{bus_ref}的电压定为直流母线电压V_bus；

③分别将V_bus、V_overI和V_overII__max进行比较，若V_bus>V_overI，则通过旁路电路将过压的变流器退出或该级联型变流器退出；若V_bus>V_{overII_max}，进行模块告警，同时给放电回路的IGBT下发触发脉冲，对所述过压的变流器进行放电，直至V_bus<V_{overII_min}。

2.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述T_ref是指所述步骤4)进行放电开始直至V_y-V_x的值不超过V_limit的值的时间段。

3.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述固定时间间隔是指所述步骤4)完成后至下一个步骤1)的时间间隔。