CN102545640A - 柔性变频装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的柔性变频装置有两台高压变频器构成，其中的一台用作于主变频器，其余的用作于从变频器，主变频器的逆变回路的输出端通过联锁开关QF3，同步电抗L与各从高压变频器的逆变回路的输出端连接，主变频器通过联锁开关QF1与各从变频器的逆变回路互相串联，各从变频器的逆变回路的中心点侧端点通过联锁开关QF2连接，联锁开关QF2闭合时，构成各逆变回路的中心点，主变频器中的控制器与从变频器中的控制器建立通讯连接，主变频器中的控制器发出调制信号，对主变频器和从变频器实行控制，使各变频器在空间矢量PWM调制控制上保证一致，以保证主、从变频器的输出频率、输出电压、相位一致。

Description

柔性变频装置及控制方法

技术领域

本发明涉及由多个变频器构成，能够根据需要设置输出电压、输出功率的柔性变频装置。

背景技术

在工业电气传动领域，比如对高压大功率的电动机的变频驱动通常使用高压变频器。高压变频器的逆变回路通常由多个功率单元串联而成。这种“功率单元串联”的方法是现今中高压变频器市场非常流行的一种系统拓扑方式。它不仅使高压变频器具有很多优异的电气特性，如：极大的改善输出波形（完美无谐波输出），还可提高变频器的输出电压，对电动机驱动技术的发展有着重要的影响。

一般高压变频器的输出电压、电流及功率都是标准的，如按输出电压等级分有国内的3kV、6kV、10kV系列或国外的3.3kV、6.6kV、11kV系列。

图1为6kV系列高压变频器中的功率单元串联叠加图。在6kV系列高压变频器中，如图1所示，A、B、C各相有六个功率单元串联叠加，串联脉宽调制叠波输出，Y型连接，中性点接地。每相六个单元叠波，每个功率单元的输出电压有“-1，0，1”三种电压状态，因此总共可以得到十三个电压等级。各个功率单元的额定电压为600V，因此，可输出最大线电压为3450V，相电压为6kV的可变频三相高压电源。其具体的拓扑结构如图3所示。

图2为10kV系列高压变频器中的功率单元串联叠加图。除功率单元有九个串联叠加外，其结构与图1相同。由于每相有九个功率单元叠波，可以得到十九个电压等级。各个功率单元的额定电压为640V，因此，可输出最大线电压为5750V，相电压为10kV的可变频三相高压电源。其具体的拓扑结构如图4所示。

以上图3、4所示的是高压变频器中普遍使用的主回路拓扑方式，由图3、4可知，所有功率单元均由一个隔离变压器供电。一般在设计变频器时，都是基于某一功率段的电动机对隔离变压器、功率单元、结构等进行选型。例如：设计6kV或10kV的4000kW高压变频器，隔离变压器的额定容量选为5000kVA、副边绕组额定电压为600V或640V，所以变频器的额定负载即为4000kW，额定输出电压为6kV或10kV。那这台变频器可以驱动电压等级为6kV或10kV，功率小于等于4000kW的电动机能够长期运行。

如果客户需求的电源是6kV或10kV以外的非标准型，如12kV、13.2kV、15kV等，或者功率比4000kW大，那么高压变频器就需要特殊设计了。不仅延长了生产周期，还提高了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可利用现有的高压变频器，实现多种输出电压和输出功率的柔性变频装置及控制方法。

本发明的第一技术方案是利用两台以上的高压变频器，将其中的一台用作于主变频器，其余的用作于从变频器，主变频器的逆变回路的输出端通过联锁开关QF3，同步电抗L与各从高压变频器的逆变回路的输出端连接，主变频器通过联锁开关QF1与各从变频器的逆变回路互相串联，各从变频器的逆变回路的中心点侧端点通过联锁开关QF2连接，联锁开关QF2闭合时，构成各逆变回路的中心点，主变频器中的控制器与从变频器中的控制器建立通讯连接，主变频器中的控制器发出调制信号，对主变频器和从变频器实行控制，使各变频器在空间矢量PWM调制控制上保证一致，以保证主、从变频器的输出频率、输出电压、相位一致。

由本发明的第一技术方案可知，本发明的柔性变频装置是通过以两台以上变频器串、并联的方式输出范围更宽的电压、电流及功率，改变了工频电网电源单一的输出方式，充分发挥了“柔性变频”的特点，通过串联可以提高电压输出，并联可以提高功率输出，配合变频器内部参数的设置可得到不同频率、不同幅值的高压电源。因此，对于不同电压和功率要求的负载，只要通过切换联锁开关QF1，QF2，QF3即可改变输出电压和输出功率，不仅使用方便还可以利用现有成熟的变频器，降低生产周期和制造成本。

第二技术方案是在第一技术方案的基础上实现的，其特征在于，主变频器中的控制器与从变频器中的控制器通过光纤建立通讯连接。

由于主变频器中的控制器与从变频器中的控制器通过光纤建立高速通讯连接，保证了主变频器与从变频器的电气一致性。

第三技术方案是在第二技术方案的基础上实现的，其特征在于，主变频器和从变频器的逆变回路由多个功率单元串联而成，串联脉宽调制叠波输出，Y型连接，中性点接地。

由于第三技术方案的结构为成熟的变频器结构，因此可降低柔性变频装置生产周期和制造成本。

第四技术方案是柔性变频装置的控制方法，采用技术方案一至三的柔性变频装置，其特征在于，保证联锁开关QF2断开的情况下，闭合联锁开关QF1；保证联锁开关QF1断开的情况下，闭合联锁开关QF3。

由于在确保联锁开关QF2断开的情况下，闭合联锁开关QF1；确保联锁开关QF1断开的情况下，闭合联锁开关QF3，可防止变频器之间发生短路，提高了工作可靠性。

 附图说明。

图1为6kV系列高压变频器的功率单元串联叠加图。

图2为10kV系列高压变频器的功率单元串联叠加图。

图3为6kV系列高压变频器的主回路图。

图4为10kV系列高压变频器的主回路图。

图5为本发明中的主、从变频器的连接框图。

图6为本发明中的主、从变频器的串、并联示意图。

图7为本发明中的主、从变频器的串、并联主回路图。

 具体实施方式。

本发明的柔性变频装置由两台以上结构参数相同的高压变频器构成，通过串、并联的方式使柔性变频装置输出范围比单个高压变频器更宽的电压、电流及功率，改变了工频电网电源单一的输出方式。高压变频器串联时可以提高电压输出，而并联时可以提高功率输出，配合高压变频器内部参数的设置可得到不同频率、不同幅值的变频电源。

如采用两台高压变频器时，其最大输出电压有效值可达到相当于单台高压变频器额定输出电压和额定输出功率的两倍。如果单台高压变频器的额定输出电压为U，额定输出电流为I，额定输出功率是P，那么两台高压变频器串联时，最大额定输出电压为2U，最大额定输出电流为I，最大额定输出功率为2P；两台高压变频器并联时，最大额定输出电压为U，最大额定输出电流为2I，最大额定输出功率为2P。

以下以两台高压变频器为例对本发明的柔性变频装置的实施方式进行详细阐述。

两台或多台以上的高压变频器串、并联输出的基础在于主变频器、从变频器之间建立通讯，使独立的两台或多台高压变频器的输出电压幅值、频率及相位完全一致。两台或多台高压变频器结构参数相同，其中的任意一台都可作为主机，其它的都为从机。主、从变频器对于各自的重故障、轻故障、输出频率显示、输出电流显示等状态作相应的独立处理，只是在空间矢量PWM调制控制上保证一致，主变频器的控制器负责发出调制信号，同时驱动主、从变频器的功率单元中的逆变H桥，保证主、从变频器的输出频率、输出电压、相位完全一致。

图5为主、从变频器的连接框图。如图5所示，主变频器1和从变频器2之间通过光纤通讯，实行电气隔离。

在本实施方式中，主变频器1和从变频器2采用图1和图3所示的6kV系列高压变频器。其功率单元如图1所示，A、B、C三相由六个功率单元串联叠加，采用脉宽调制叠波输出，Y型连接，中性点接地。各个功率单元的额定电压为600V，在控制器的控制下，输出电压有“-1，0，1”三种电压状态，总共可以得到13个基准电压等级（0，0.5kV，1kV，1.5kV，2kV，2.5kV,3kV,3.5kV,4kV,4.5kV,5kV,5.5kV,6kV），最大线电压为3450V，相电压为6kV。

图6为主、从变频器的串、并联示意图。VFD1是主变频器1；VFD2是从变频器2；DL1、DL2为主电网的下级断路器，为变频器提供保护并供电；QF1、QF2、QF3为两台变频器之间的联锁开关，主变频器1和从变频器2的隔离变压器的初级绕组分别通过断路器DL1和断路器DL2与电网母线连接，采用不同的闭合方式可得到不同的输出电压和功率调节范围，同步电抗L可平衡两台变频器并联输出的电流。断路器DL及联锁开关QF均采用固定式高压真空断路器。在上级断路器DL上装设微机综合保护装置（型号：7SJ600）实现负荷控制以及零序保护等功能。

图7为本发明中的主、从变频器的串、并联主回路图。如图7所示，从变频器2的A、B、C三相的单元A1、B1、C1的端点通过联锁开关QF2连接，联锁开关QF2闭合时形成中心点（Y点）。主变频器1的A、B、C三相的输出端通过联锁开关QF1与从变频器2的单元A1、B1、C1的端点连接。主变频器1的A、B、C三相的输出端分别通过联锁开关QF3、同步电抗器L与从变频器2的A、B、C三相的输出端连接。主变频器1的A、B、C三相的输出端为输出端1，同步电抗器L的中间抽头构成输出端2，从变频器的A、B、C三相的输出端为输出端3。

联锁开关QF1，QF2 ，QF3通过在控制系统中编程做出相应的电气联锁并顺序控制。具体联锁方式如下。

QF1与QF2就地联锁：保证QF2断开的情况下，QF1才能闭合。

QF1与QF3就地联锁：保证QF1断开的情况下，QF3才能闭合。

主，从高压变频器与上级断路器DL1、DL2就地联锁。

  以下对柔性变频装置的输出电压和输出功率进行说明。

1．柔性变频装置的输出电压为3kV时。

1）主变频器和从变频器的输出基准电压为3kV，当QF1断开、QF2闭合、QF3断开时，此时主变频器、从变频器独立工作，则输出端1和输出端2均额定输出3kV、2000kW。

2）主变频器和从变频器的输出基准电压为3kV，当QF1断开、QF2闭合、QF3闭合时，此时主变频器、从变频器并联工作，则输出端3额定输出3kV、4000kW。

2.    柔性变频装置的输出电压为6kV时。

1）主变频器和从变频器的输出基准电压为6kV，当QF1断开、QF2闭合、QF3断开时，此时主变频器、从变频器独立工作，输出端1和输出端2均额定输出6kV、4000kW。

2）设定基准电压为6kV，当QF1断开、QF2闭合、QF3闭合时，此时主变频器、从变频器并联工作，则输出端3额定输出6kV、8000kW。

3. 柔性变频装置的输出电压为10kV时。

主变频器和从变频器的输出基准电压为5kV，当QF1闭合、QF2断开、QF3断开时，此时主变频器、从变频器串联工作，则输出端2额定输出10kV、6667kW。

4.    柔性变频装置的输出电压为11kV时。

主变频器和从变频器的输出基准电压为5.5 kV，当QF1闭合、QF2断开、QF3断开时，此时主变频器、从变频器串联工作，则输出端2额定输出11 kV、7333kW。

5.    柔性变频装置的输出电压为12 kV时。

主变频器和从变频器的输出基准电压为6kV，当QF1闭合、QF2断开、QF3断开时，此时主变频器、从变频器串联工作，则输出端2额定输出12kV、8000kW。

由上可知，通过切换联锁开关QF1、QF2、QF3可使主变频器与从变频器的逆变回路串联或并联连接，因此不仅可输出比单个高压变频器更高的额定输出电压和额定输出功率，还可通过调整主变频器与从变频器的输出基准电压，扩大输出电压的等级。

在本发明中，由于柔性变频装置是通过对现有的高压变频器进行串、并联的方式输出高压，大功率的电源，所以系统有以下优点。

1.    输出额定电压或功率更宽，可达到单台高压变频器额定值的两倍。

2.    即使电压等级具有特殊性，但不需要对变压器、单元器件耐压、结构等进行重新设计，使用现有的成熟产品即可实现。

3.    如果需求的输出功率较大，并不需要重新开发大功率单元，完全可使用现有的成熟应用的单元。

4.    由于使用了成熟产品串、并联，所以大大缩短了新产品的试验期。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，均在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。例如，实施方式中，虽以两台高压变频器为例近进行说明，但也可采用两台以上的高压变频器以输出更宽范围的电压、电流及功率，此时，只要在主变频器与从变频器之间建立通讯，使各个高压变频器只是在空间矢量PWM调制控制上保证一致，保证主、从变频器的输出频率、输出电压、相位完全一致即可。

Claims (4)

1.一种柔性变频装置，其特征在于，包括两台以上的高压变频器，其中的一台用作于主变频器，其余的用作于从变频器，主变频器的逆变回路的输出端通过联锁开关QF3，同步电抗L与各从高压变频器的逆变回路的输出端连接，主变频器通过联锁开关QF1与各从变频器的逆变回路互相串联，各从变频器的逆变回路的中心点侧端点通过联锁开关QF2连接，联锁开关QF2闭合时，构成各逆变回路的中心点，主变频器中的控制器与从变频器中的控制器建立通讯连接，主变频器中的控制器发出调制信号，对主变频器和从变频器实行控制，使各变频器在空间矢量PWM调制控制上保证一致，以保证主、从变频器的输出频率、输出电压、相位一致。

2.根据权利要求1所述的柔性变频装置，其特征在于，主变频器中的控制器与从变频器中的控制器通过光纤建立通讯连接。

3.根据权利要求2所述的柔性变频装置，其特征在于，主变频器和从变频器的逆变回路由多个功率单元串联而成，串联脉宽调制叠波输出，Y型连接，中性点接地。

4.柔性变频装置的控制方法，采用权利要求1至3的柔性变频装置，其特征在于，保证联锁开关QF2断开的情况下，闭合联锁开关QF1；保证联锁开关QF1断开的情况下，闭合联锁开关QF3。

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