CN103227570B - 一种单元串联型变频器单元故障时的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单元串联型高压大功率变频器，提供了一种当一个或多个功率单元故障时的处理方法，属于电力电子技术应用领域。某个功率单元出现故障后，该单元旁路装置封锁输出，主控制器根据各相故障情况进行相应处理；通过调整非对称部分功率单元的输出电压相位，使数目不对称的功率单元产生对称的线电压；与其他对称部分非故障单元产生的线电压叠加，提高了故障后系统的输出电压。该方法适用于每相两单元及以上的多单元串联系统，可以用于处理一个或多个功率单元故障；该方法不需要通过公式计算偏移角度，输出线电压绝对对称，降低了单元故障对整个变频系统电压输出能力的影响。

Description

一种单元串联型变频器单元故障时的处理方法

技术领域

本发明涉及一种单元串联型变频器，更具体的说，涉及一种单元串联型高压大功率变频器，提供了一种当一个或多个功率单元故障时的处理方法，属于电力电子技术应用领域。

背景技术

单元串联型变频器(如图1所示)是高压变频调速领域的一类重要产品，该结构的变频器采用若干个低压逆变功率单元(如图2所示)输出串联的方式实现直接高压输出(如图3所示)，并且当某个单元发生故障时，可以通过控制系统将其旁路退出运行，其它单元在调整控制方法后继续工作，系统降额运行，但避免了整机紧急停机，从而大大提高了系统的可靠性。

正常运行时系统三相输出是对称的，但是，当有一个或多个功率单元因故障而处于旁路运行状态时，会造成变频器三相输出不平衡。

针对系统故障功率单元旁路后输出不平衡的问题，目前主要有两类解决方法。

方法一：在检测到故障后，将该单元及相邻两相的相应功率单元同时旁路，在结构上仍维持系统的对称性，从而得到对称的三相输出电压(如图4所示，以A相三个单元故障为例)。这种方式简单易行，不足之处在于一个单元故障会导致共有三个单元退出运行，未能充分利用所有的非故障单元，故障后变频器输出能力较低。专利申请号为：201010599074.3，名称为“一种级联型高压变频器旁通处理方法”的中国专利申请，该专利申请公开了一种用于级联型高压变频器的旁通处理方法，其实质是对方法一的改进，只有当变频器故障功率单元数大于等于2时，变频器采用查询表的方式进行旁通管理，进而减少输出零电压“健康”功率单元的数量。

方法二：专利号为：ZL03155826.7，名称为“高压大功率变频器在功率模块故障时的处理方法”的中国专利，该专利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。该专利是基于中性点偏移的故障处理方法。由于通常电机中点与变频器中性点不直接相连，可以改变三相非对称相电压的相位，得到对称的线电压，从而提升系统单元故障后的输出能力(如图5所示，以A相三个单元故障为例)。该方法的优点是可以充分利用变频器的所有非故障单元，不足之处在于需要通过较为复杂的公式计算相电压偏移角度，并且由于舍入误差，不能保证输出线电压完全对称。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种新的故障单元旁路处理方法，不需要公式计算，使得当单元串联型高压变频器因功率单元故障而旁路运行时，仍然能够维持较高的输出电压和带负载能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：在功率单元故障发生后，主控制器最大程度的减少非故障功率单元的旁路数量，并根据各相故障情况，通过调整非对称部分功率单元的输出电压相位，使数目不对称的功率单元产生对称的线电压；与其他对称部分非故障单元产生的线电压叠加，保证三相输出完全平衡，提高故障后系统的输出电压，降低故障对变频器输出的影响。图6是利用该方法处理A相三个单元故障的工作原理示意图。

一种单元串联型变频器单元故障时的处理方法，包括以下步骤：

1)某个功率单元出现故障，旁路装置自动封锁输出，并将故障信息反馈至变频器主控制器；

2)主控制器查询本相是否有输出为零的单元，如果有，则用该单元替换故障单元，工作状态与故障单元故障前的状态一致；如果没有输出为零的单元，则根据故障所在相进行相应判断处理；

3)故障所在相工作的单元数≤其他某一相正常工作的单元数：则变频器主控制器调整另外两相各一个功率单元的输出电压相位；超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，可以产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，保证三相线电压输出平衡；

4)故障所在相工作的单元数＞其他某一相正常工作的单元数：说明该故障所在相以及正常工作单元数较多的另一相，之前至少各有一个单元进行过相位调整；需要根据故障单元所处状态进行判断后处理；

5)如果故障单元是电压相位调整过的单元，则此时只需要使正常工作单元数较多的另一相中调整过相位的一个单元输出为零即可；

6)如果故障单元是电压相位正常的单元，则此时本相需要恢复一个电压相位调整过的单元，再使正常工作单元数较多的另一相中调整过相位的一个单元输出为零即可；这样可以得到最大幅值的三相对称线电压。

本发明所达到的有益效果：该方法适用于每相两单元及以上的多单元串联系统，可以用于处理一个或多个功率单元故障；对于现有故障处理系统，在不改变其硬件电路的情况下，通过该方法能够让系统在发生功率单元故障时充分利用其他非故障单元，不需要通过公式计算偏移角度，输出线电压绝对对称，降低了单元故障对整个变频系统电压输出能力的影响。

附图说明

图1是现有技术单元串联型高压变频器的结构示意图；

图2是图1的一个功率单元电路结构图；

图3是单元串联型高压变频器输出电压关系图；

图4是A相三个单元故障被旁路后，采用普通处理方法得到对称线电压的原理图；

图5是A相三个单元故障被旁路后，采用中性点偏移处理方法得到对称线电压的原理图；

图6是A相三个单元故障被旁路后，采用本发明提出的处理方法得到对称线电压的原理图；

图7是本发明的一个实施例流程图。

具体实施方式

本发明所提供的方法就是：当单元串联型变频器某相中某一个或几个模块出现故障被旁路后，通过调整部分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，从而增大系统电压输出能力。

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1为变频器系统的构成示意图，以6级6KV为例，变频器三相分别由6级功率单元串联组成，每个功率单元均由主控制器控制，功率单元与主控制器之间控制信号采用光纤隔离；

图2为功率单元主电路结构图，由二极管整流、直流滤波、逆变桥、旁路电路四部分组成。单个模块具有输出单相交流电压功能和故障旁路功能，并且输出交流电的幅值和相位均可通过主控制器控制。功率单元正常时，旁路电路断开，逆变桥为功率传输提供回路。功率单元故障时，逆变桥关断，旁路电路导通，旁路部分为功率传输提供回路，此时该故障功率单元输出电压为0V；

图3为变频器正常运行时的示意图，三相功率单元均正常工作，主控制器控制三相的功率单元输出幅值相同，相位互差120电角度的电压。

当某个功率单元工作出现异常时，将采用如下方法保证三相输出的平衡，最大限度地降低故障对输出电压幅值的影响，其工作过程如图7所示，描述了仅有一个功率单元故障以及两个或更多功率单元故障时的处理情况：

(一) 仅有一个功率单元故障

故障功率单元逆变桥关闭，旁路电路导通，旁路回路工作以保证上下级功率单元的电气连接；主控制器将另外两相各一个功率单元的输出电压相位进行调整；超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，可以产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，从而提高了输出电压，并保证了整个三相线电压输出平衡；

(二) 两个或更多功率单元故障

1）当有第二个功率单元发生故障时，首先将其屏蔽，然后根据两次故障是否发生在同一相上，对应有两种处理结果；第一种情况：二次故障发生在同一相上，则另外两相再各调整一个功率单元的输出电压相位，超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，与之前调整过输出电压相位的单元一起，产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，保证整个系统三相线电压输出平衡；第二种情况：第二次故障与第一次故障不在同一相，则主控制器控制没有发生故障的一相一个功率单元输出零电压，之前输出电压相位调整过的两个单元，输出恢复正常；此时每相正常工作的功率单元数相同，三相输出电压平衡，这与普通处理方法类似；但两次故障后，电压输出能力只降低1/m，m为功率单元总级数；

2）当再有功率单元发生故障时，主控制器首先查询本相是否有输出为零的单元，如果有，则用该单元替换故障单元，使其工作状态与故障单元故障前的状态一致即可；如果没有输出为零的单元，则根据各相故障单元数目，分别进行处理：第一种情况：故障所在相工作的单元数≤其他某一相正常工作的单元数，说明故障发生在单元数最少的相上，这与上述第一种情况类似；此时变频器主控制器调整另外两相各一个功率单元的输出电压相位；超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，可以产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，保证三相线电压输出平衡；

第二种情况：故障所在相工作的单元数＞其他某一相正常工作的单元数：说明该故障所在相以及正常工作单元数较多的另一相，之前至少各有一个单元进行过相位调整；需要根据故障单元所处状态进行判断后处理；如果故障单元是电压相位调整过的单元，则此时只需要使正常工作单元数较多的另一相中调整过相位的一个单元输出为零即可；如果故障单元是电压相位正常的单元，则此时本相需要恢复一个电压相位调整过的单元，再使正常工作单元数较多的另一相中调整过相位的一个单元输出为零，这样可以得到最大幅值的三相对称线电压。

显然，采用本发明提出的故障处理方式，通过调整部分非故障单元输出电压的相位，使变频器三相输出的线电压仍然保持平衡，从而提高了故障时系统的输出电压。

Claims (1)

1.一种单元串联型变频器单元故障处理方法，其特征在于，通过调整非对称部分功率单元的输出电压相位，使数目不对称的功率单元产生对称的线电压；与其他对称部分非故障单元产生的线电压叠加，提高了故障后系统的输出电压；所述方法包括以下步骤：

1)某个功率单元出现故障，自动封锁输出，触发旁路装置；并将故障信息反馈至变频器主控系统；

仅有一个功率单元故障时，故障功率单元逆变桥关闭，旁路电路导通，旁路回路工作以保证上下级功率单元的电气连接；主控制器将另外两相各一个功率单元的输出电压相位进行调整；超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，可以产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，从而提高了输出电压，并保证了整个三相线电压输出平衡；

当有第二个功率单元发生故障时，首先将其屏蔽，然后根据两次故障是否发生在同一相上，对应有两种处理结果；第一种情况：二次故障发生在同一相上，则另外两相再各调整一个功率单元的输出电压相位，超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，与之前调整过输出电压相位的单元一起，产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，保证整个系统三相线电压输出平衡；第二种情况：第二次故障与第一次故障不在同一相，则主控制器控制没有发生故障的一相一个功率单元输出零电压，之前输出电压相位调整过的两个单元，输出恢复正常；

当再有功率单元发生故障时，按照以下方式进行处理：

2)主控制器查询本相是否有输出为零的单元，如果有，则用该单元替换故障单元，工作状态与故障单元故障前的状态一致；如果没有输出为零的单元，则根据故障所在相进行相应判断处理；

3)故障所在相工作的单元数≤其他某一相正常工作的单元数：则变频器主控系统调整另外两相各一个功率单元的输出电压相位；超前故障单元所在相的增加30°，滞后的减少30°；这两个单元的输出电压相位差为60°，可以产生三相对称的线电压；与其他非故障单元产生的对称线电压叠加，保证三相线电压输出平衡；

4)故障所在相工作的单元数＞其他某一相正常工作的单元数：说明该故障所在相以及正常工作单元数较多的另一相，之前至少各有一个单元进行过相位调整；需要根据故障单元所处状态进行判断后处理；

5)如果故障单元是电压相位调整过的单元，则此时只需要使正常工作单元数较多的另一相中调整过相位的一个单元输出为零即可；

6)如果故障单元是电压相位正常的单元，则此时本相需要恢复一个电压相位调整过的单元，再使正常工作单元数较多的另一相中调整过相位的一个单元输出为零即可；这样可以得到最大幅值的三相对称线电压。