CN102684467B - 一种h桥级联型设备的功率单元旁路处理方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法及控制器，涉及电力电子技术领域，可以在不旁路正常功率单元的情况下最小程度地减小设备的输出功率因数。所述方法包括：控制器在检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制输出，并旁路所述故障功率单元；然后调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡。本发明实施例应用于H桥级联型设备的功率单元的旁路处理。

Description

一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法及控制器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法及控制器。

背景技术

功率单元的H桥级联型拓扑结构可以应用在很多设备中，如高压变频器以及UPS(UninterruptiblePowerSystem，不间断电源)、风电变流器等高压电源设备。如图1所示为高压变频器，移相变压器给各个功率单元提供电压，控制单元对各功率单元的输出进行PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)控制。所述高压变频器包含有五级功率单元，其中Ai(i为1～5的整数)、Bi、Ci为同一级的功率单元，A1～A5串联连接成A相功率单元输出A相电压，同理B1～B5以及C1～C5分别串联连接成B相和C相功率单元输出B相电压和C相电压，A、B、C三相输出给电机供电。

高压变频器要正常运行则要保证三相输出的线电压平衡，所述线电压平衡包括线电压的幅值相等，角度相差120°。当有一个或多个功率单元发生故障时，发生故障的功率单元的旁路开关会闭合，将故障功率单元旁路。故障功率单元不再输出电压，三相中各相的输出相电压幅值发生改变，这样将导致所述高压变频器的三相输出的线电压不平衡。为了解决此问题，通常采取两种的旁路处理方法：一种是同级旁路法，即将另外两相与故障功率单元同一级对应的功率单元一起旁路，使同一级的功率单元都不输出电压，从而保证高压变频器三相输出的线电压平衡；一种是改变相位角法，即只旁路故障功率单元，保持所有正常功率单元输出电压幅值相等，然后通过每相正常功率单元个数调整各相输出的相电压之间的相位角来保证高频变频器输出线电压平衡。

在实现上述两种旁路处理方法的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：若应用同级旁路法，则牺牲了正常功率单元的输出能力，从而降低了高压变频器的输出能力；若采用改变相位角法，当旁路功率单元个数较多时，会造成相位角改变角度比较大，会造成高压变频器输出功率因数变低，严重的时候会造成电流回馈到高压变频器，导致直流母线电压过压而故障停机。

发明内容

本发明的实施例提供一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法及控制器，可以在不旁路正常功率单元的情况下最小程度地减小设备的输出功率因数。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法，包括：

检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制输出，并旁路所述故障功率单元；

调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡；所述故障相为所述故障功率单元所在的相。

一种控制器，包括：

封锁旁路单元，用于在检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制输出，并旁路所述故障功率单元；

调整单元，用于调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡；所述故障相为所述故障功率单元所在的相。

本发明实施例提供技术方案与现有技术中的同级旁路法相比本发明只旁路故障功率单元而不用牺牲同级的正常功率单元，可以不用降低高压变频器的输出能力；与改变相位角法相比本发明改变故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角而不是只改变相位角，可以最小程度的改变相位角从而使得最小程度地减小高压变频器的输出功率因数。总之，本发明实施例提供的方法和控制器可以在不旁路正常功率单元的情况下最小程度地减小高压变频器的输出功率因数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种高压变频器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种三相输出电压矢量图；

图4为本发明实施例提供的一种控制器的结构框图；

图5为本发明实施例提供的另一种控制器的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法，如图2所示，所述方法包括：

201、检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)输出，并旁路所述故障功率单元。

由若干功率单元呈H桥级联型构成的设备在正常运行时，三相输出相电压和线电压都平衡。当其中有功率单元发生故障时，控制器可以检测到该故障功率单元，此时为防止旁路过程中造成线电压不平衡情况出现控制器会封锁三相所有功率单元的PWM输出，并通过旁路电路旁路所述故障功率单元。而控制器在给故障功率单元发送旁路指令后，功率单元内部旁路开关闭合，维持其他功率单元的连接，保证所述故障功率单元所在相的输出。

202、调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡。

本实施例中所述的故障相为所述故障功率单元所在的相。控制器在检测到所述故障功率单元并旁路所述故障功率单元后，所述故障相输出的相电压幅值变小而三相输出相电压的相位角却没有变化，这将导致三相输出的线电压不平衡。此时控制器需要调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡。

可选的，首先控制器可以根据故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值计算得到旁路后的预设相电压幅值；所述旁路后的预设相电压幅值满足以下公式：V_预设＝V_旁路前*N/Nx；其中，V_旁路前为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值，V_预设为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路后的预设相电压幅值，N为所述故障相功率单元总个数，Nx为所述故障相正常功率单元个数。

在计算得到所述旁路后的预设相电压幅值后，控制器可以判断所述旁路后的预设相电压幅值是否小于或等于预设电压限幅值；若所述旁路后的预设相电压幅值小于或等于所述预设电压限幅值，则将所述旁路后的预设相电压幅值设置为所述故障相正常功率单元旁路后的相电压幅值，此时所述故障相输出的相电压的幅值等于设备正常运行时该故障相应输出的相电压的幅值，三相输出相电压的相位角认为120°，不必改变就可以保证三相输出的线电压平衡；若所述旁路后的预设相电压幅值大于所述预设电压限幅值，则将所述预设电压限幅值设置为所述旁路后的相电压幅值，此时所述故障相输出的相电压的幅值仍然小于设备正常运行时该故障相应输出的相电压的幅值，故控制器还需要根据所述旁路后的相电压幅值更新三相输出相电压的相位角。所述控制器根据所述旁路后的相电压幅值更新三相输出相电压的相位角应用现有技术就可以实现。其中，相电压、相位角与线电压之间的关系为本领域技术人员清楚了解，如图3所示为设备三相输出的相电压、各相电压相位角和线电压的矢量图，分别表示无故障功率单元时三相输出的相电压，其幅值OA＝OB＝OC， 分别表示三相输出线电压，其幅值AB＝BC＝CA＝x， 之间的相位角为120°，由图3计算可得当发生故障时，三相输出的相电压发生了变化，a、b、c分别表示三相输出的新相电压的幅值大小，α、β、γ为其相位角差值，要使AB＝BC＝CA＝x，且AB、BC、CA之间的夹角为120°，由图3计算可得各相位角差值 $\mathrm{\α}=\frac{a^2+c^2-x^2}{2\mathrm{ac}},\mathrm{\β}=\frac{a^2+c^2-x^2}{2\mathrm{ab}},$ γ＝2π-α-β。

上述方法可以应用在如图1所示的高压变频器中，在本发明实施例中可以定义U_AB、U_BC和U_CA分别为高压变频器输出的三相线电压的幅值、U_OA、U_OB、U_OC分别为高压变频器输出的三相相电压的幅值，U_a、U_b、U_c分别为三相中各个功率单元的输出相电压。假设控制器的三相PWM输出的调制波给定的电压指令为，U_a＝V_M*coswt， $U_b=V_M*\cos (\mathrm{wt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}),U_c={B=V}_M*\cos (\mathrm{wt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$ V_M＝600。则在所述高压变频器正常运行时，U_OA＝5|U_a|＝5*600＝3000，U_OB＝5|U_b|＝5*600＝3000，U_OC＝5|U_c|＝5*600＝3000；U_OA、U_OB、U_OC间的相位角差值为120°。由此进行计算可得出三相线电压的幅值 即U_AB＝U_BC＝U_CA，三相输出线电压相位相差120°，即所述高压变频器的三相输出线电压平衡。

在本发明实施例中，假设功率单元A3发生了故障，此时A3不会再输出相电压，A相输出的相电压的幅值为4|U_a|，而B、C相输出的相电压幅值U_OB＝5|U_b|，U_OC＝5|U_c|仍不变，U_OA、U_OB、U_OC之间的相位角差值仍为120°，这将导致U_AB＝U_CA≠U_BC，三相线电压不平衡。应用步骤201、202所述的方法，控制器会先利用旁路电路将功率单元A3旁路掉，维持功率单元A1、A2、A4、A5的连接，同时为防止旁路过程中造成线电压不平衡情况出现控制器会封锁所有三相功率单元的PWM输出，然后控制器会调整A相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡。当然在调整以后，控制器会开启三相中正常功率单元的PWM输出，故障功率单元已被旁路不再有PWM输出。

根据电压限幅值的不同存在两种情况：

一种情况为，预设电压限幅值为800时，根据A相正常功率单元的旁路前相电压幅值V_旁路前＝V_M＝600计算得到旁路后预设相电压幅值V_预设；V_预设＝V_旁路前*N/Nx＝600*5/4＝750；其中，V_旁路前为故障相各正常功率单元的原输出电压幅值，N＝5为所述故障相功率单元总个数，Nx＝4为所述故障相正常功率单元个数。比较得V_预设＝750＜800，故将A相中正常功率单元的旁路后相电压幅值调整为750，此时A相的相电压输出幅值为U′_OA＝4*750＝3000，这样使得调整后的A、B、C三相的输出相电压幅值为U′_OA＝4|U_a|＝4*750＝3000，U_OB＝5|U_b|＝5*600＝3000，U_OC＝5|U_c|＝5*600＝3000，相位角差值仍为120°这使得三相输出线电压幅值相等且相位相差120°，即所述高压变频器的三相输出线电压平衡。在此种情况下，我们只需调整故障相正常功率单元的相电压幅值，而不必调整三相输出相电压的相位角，不会影响高压变频器的输出功率因数。

一种情况为：预设电压限幅值为690时，根据A相正常功率单元的旁路前相电压幅值V_旁路前＝V_M＝600计算得到旁路后预设相电压幅值V_预设；V_预设＝V_旁路前*N/Nx＝600*5/4＝750；其中，V_旁路前为故障相各正常功率单元的原输出电压幅值，N＝5为所述故障相功率单元总个数，Nx＝4为所述故障相正常功率单元个数。比较得V_预设＝750＞690，故将故将A相中正常功率单元旁路后的相电压幅值调整为690，此时A相的相电压输出为U′_OA＝4*690＝2760，这样使得调整后的A、B、C三相的相电压输出为U′_OA＝4*690＝2760，U′_OB＝5*600＝3000，U′_OC＝5*600＝3000，而U′_OA、U′_OB和U′_OC之间的相位角为120°，这样计算得到的U_AB、U_BC和U_CA并不相等，仍需要调整U′_OA、U′_OB和U′_OC之间的相位角使得U_AB、U_BC和U_CA相等。根据计算可得U′_OA和U′_OB之间的相位角差值调整为123°，U′_OA和U′_OC之间的相位角差值调整为123°，而U′_OB和U′_OC之间的相位角差值不变仍为120°，由公式 ${\mathrm{\θ}}_A=\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{6},{\mathrm{\θ}}_B=\mathrm{\θ}-\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{\π}}{2},{\mathrm{\θ}}_C=\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}}{6},$ 其中 $\mathrm{\θ}+{\cos }^{-1}\frac{a^2+x^2-c^2}{2},$ 得到三相相电压的移相角：θ_A＝0，θ_B＝-3°，θ_C＝3°；计算三相各功率单元输出的相电压为：U′_a＝690*cos(wt+θ_A)＝690*coswt， 这样可以保证三相输出线电压幅值相等且相位互差120°，即所述高压变频器的三相输出线电压平衡。此种情况下我们即调整故障相正常功率单元的相电压幅值，又调整三相输出相电压的相位角，将三相各功率单元旁路前输出的相电压：U_a＝600*coswt，U_b＝600*cos(wt-120°)，U_c＝600*cos(wt+120°)，调整为三相各功率单元旁路后输出的相电压：U′_a＝690*coswt，U′_b＝600*cos(wt-123°)，U′_c＝600*cos(wt+123°)，相位角改变了3°。

若采用现有技术中的改变相位角法则U′_OA和U′_OB之间的相位角差值需要调整为126°，U′_OA和U′_OC之间的相位角差值需要调整为-126°，此时相位角改变了6°。而本发明提供的方法各相相电压之间的相位角改变了3°，调整的比较小，可以最小程度的使设备的输出功率因数减小；与现有技术中的同级旁路法相比本发明只旁路故障功率单元而不用牺牲同级的正常功率单元，可以不用降低设备的输出能力。

本发明实施例还提供了一种控制器，如图4所示，所述控制器包括封锁旁路单元401，调整单元402。

封锁旁路单元401，用于在检测到故障功率单元时，封锁PWM输出，并旁路所述故障功率单元。

由若干功率单元呈H桥级联型构成的设备在正常运行时，三相输出相电压和线电压都平衡。当其中有功率单元发生故障时，控制器可以检测到该故障功率单元，此时为防止旁路过程中造成线电压不平衡情况出现，封锁旁路单元401会封锁三相所有功率单元的PWM输出，并通过旁路电路旁路所述故障功率单元。封锁旁路单元401在给故障功率单元发送旁路指令后，功率单元内部旁路开关闭合，维持其他功率单元的连接，保证所述故障功率单元所在相的正常输出。

调整单元402，用于调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡。

本实施例中所述的故障相为所述故障功率单元所在的相。控制器在检测到所述故障功率单元并旁路所述故障功率单元后，所述故障相输出的相电压幅值变小而三相输出相电压的相位角却没有变化，这将导致三相输出的线电压不平衡。此时控制器需要调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压幅值平衡。

可选的，如图5所示，所述调整单元402还包括计算子单元4021，判断子单元4022，调整子单元4023。

计算子单元4021，用于根据故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值计算得到旁路后的预设相电压幅值。

控制器的计算子单元4021可以根据故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值计算得到旁路后的预设相电压幅值；所述旁路后的预设相电压幅值满足以下公式：V_预设＝V_旁路前*N/Nx；其中，V_旁路前为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值，V_预设为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路后的预设相电压幅值，N为所述故障相功率单元总个数，Nx为所述故障相正常功率单元个数。

判断子单元4022，用于判断所述旁路后的预设相电压幅值是否小于或等于预设电压限幅值。

调整子单元4023，若所述旁路后的预设相电压幅值小于或等于所述预设电压限幅值，则将所述旁路后的预设相电压幅值设置为所述故障相正常功率单元旁路后的相电压幅值；若所述旁路后的预设相电压幅值大于所述预设电压限幅值，则将所述预设电压限幅值设置为所述旁路后的相电压幅值，并根据所述旁路后的相电压幅值更新三相输出相电压的相位角。

在计算子单元4021计算得到所述旁路后的预设相电压幅值后，控制器的判断子单元4022可以判断所述旁路后的预设相电压幅值是否小于或等于预设电压限幅值；若所述旁路后的预设相电压幅值小于或等于所述预设电压限幅值，则调整子单元4023会将将所述旁路后的预设相电压幅值设置为所述故障相正常功率单元旁路后的相电压幅值，此时所述故障相输出的相电压的幅值等于设备正常运行时该故障相应输出的相电压的幅值，不必改变三相输出相电压的相位角就可以保证三相输出的线电压平衡；若所述旁路后的预设相电压幅值大于所述预设电压限幅值，则调整子单元4023会将所述预设电压限幅值设置为所述旁路后的相电压幅值，此时所述故障相输出的相电压的幅值仍然小于设备正常运行时该故障相应输出的相电压的幅值，故控制器还需要根据所述新相电压幅值更新三相输出相电压的相位角。所述控制器根据所述新相电压幅值更新三相输出相电压的相位角应用现有技术就可以实现。

本发明实施例提供了一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法及控制器，通过在检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制PWM输出，并旁路所述故障功率单元；然后调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡；这样与现有技术中的同级旁路法相比本发明只旁路故障功率单元而不用牺牲同级的正常功率单元，可以不用降低设备的输出能力；与改变相位角法相比本发明改变故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角而不是只改变相位角，可以最小程度的改变相位角从而使得最小程度地减小设备的输出功率因数。总之，本发明实施例提供的方法和控制器可以在不旁路正常功率单元的情况下最小程度地减小设备的输出功率因数。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种H桥级联型设备的功率单元旁路处理方法，其特征在于，包括：

检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制输出，并旁路所述故障功率单元；

调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡；所述故障相为所述故障功率单元所在的相，其中，所述调整故障相相电压幅值及三相输出相电压的相位角包括：

根据故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值计算得到旁路后的预设相电压幅值；

判断所述旁路后的预设相电压幅值是否小于或等于预设电压限幅值；

若所述旁路后的预设相电压幅值小于或等于所述预设电压限幅值，则将所述旁路后的预设相电压幅值设置为所述故障相正常功率单元旁路后的相电压幅值，不必改变所述三相输出相电压的相位角；若所述旁路后的预设相电压幅值大于所述预设电压限幅值，则将所述预设电压限幅值设置为所述旁路后的相电压幅值，并根据所述旁路后的相电压幅值更新所述三相输出相电压的相位角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值计算得到旁路后的预设相电压幅值包括：

所述旁路后的预设相电压幅值满足以下公式：

V_预设＝V_旁路前*N/Nx；

其中，V_旁路前为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值，V_预设为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路后的预设相电压幅值，N为所述故障相功率单元总个数，Nx为所述故障相正常功率单元个数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述封锁脉冲宽度调制输出包括：封锁三相所有功率单元的脉冲宽度调制输出。

4.一种控制器，其特征在于，包括：

封锁旁路单元，用于在检测到故障功率单元时，封锁脉冲宽度调制输出，并旁路所述故障功率单元；

调整单元，用于调整故障相正常功率单元的相电压幅值及三相输出相电压的相位角，以使得三相输出的线电压平衡；所述故障相为所述故障功率单元所在的相，其中，所述调整单元还包括：

计算子单元，用于根据故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值计算得到旁路后的预设相电压幅值；

判断子单元，用于判断所述旁路后的预设相电压幅值是否小于或等于预设电压限幅值；

调整子单元，用于若所述旁路后的预设相电压幅值小于或等于所述预设电压限幅值，则将所述旁路后的预设相电压幅值设置为所述故障相正常功率单元旁路后的相电压幅值，不必改变所述三相输出相电压的相位角；若所述旁路后的预设相电压幅值大于所述预设电压限幅值，则将所述预设电压限幅值设置为所述旁路后的相电压幅值，并根据所述旁路后的相电压幅值更新所述三相输出相电压的相位角。

5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述计算子单元计算得到旁路后的预设相电压幅值满足以下公式：

V_预设＝V_旁路前*N/Nx；

其中，V_旁路前为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路前的相电压幅值，V_预设为所述故障相正常功率单元在所述故障功率单元旁路后的预设相电压幅值，N为所述故障相功率单元总个数，Nx为所述故障相正常功率单元个数。

6.根据权利要求4或5所述的控制器，其特征在于，所述封锁旁路单元用于封锁脉冲宽度调制输出包括：封锁三相所有功率单元的脉冲宽度调制输出。