CN103326393B - 一种h桥级联变流器的冗余供电电源 - Google Patents

一种h桥级联变流器的冗余供电电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种H桥级联变流器的冗余供电电源。所述的冗余供电电源由3N个结构相同的电源模块构成，每个电源模块包括1个均压电阻，1个可控开关，1个DC/AC变换器，1个单输入三输出的四绕组隔离变压器，3个AC/DC变换器，6个输出二极管，1个直流输入侧以及3个直流输出侧。每个电源模块与一个H桥链节相对应，电源模块的输入端并联到对应链节的直流母线支撑电容的正负极上，电源模块的三个输出端分别给对应链节及与之最相邻的两个链节提供控制电源。所述冗余供电电源方案中，每个H桥链节均有3路控制电源输入，分别来自与该链节对应的电源模块以及与该链节最相邻的两个链节所对应的电源模块，这3路电源输入直接并联在一起为H桥链节提供控制电源。

Description

一种H桥级联变流器的冗余供电电源
技术领域
本发明属于电力电子变流器技术领域，具体涉及一种H桥级联变流器的冗余供电电源。
背景技术
H桥级联多电平结构以其电平数多、谐波特性好、易于实现高压大容量等突出优点，在高压变频器、静止同步补偿器(STATCOM)等领域获得了广泛的应用。H桥级联变流器通过将多个H桥链节串联在一起，从而能够实现很高的输出电压(10kV及以上)。在高电压应用场合的工作过程中，每个H桥链节悬浮于不同的电位，彼此之间存在很大的电位差，各H桥单元的供电方式成为一个技术难题，一般的交流取电方案对隔离变压器的耐压水平有很高的要求，实现简单但成本较高，且为防止交流失电必须使用UPS装置才能保证供电的可靠性。同时，出于提高变流器装置可靠性的考虑，通常要求H桥级联变流器具备N-1运行能力，即使出现1个串联的链节故障时，整个装置仍然能够保持正常运行。为保证N-1运行，装置必须对其中的每个H桥链节具备冗余供电能力。
发明内容
本发明的目的是提出一种为H桥级联变流器中各悬浮的H桥链节进行冗余供电的电源装置的方案，以克服现有技术的缺点，降低电源装置绝缘耐压水平的要求，避免交流失电对供电电源的影响从而省去UPS装置，并在N-1运行时为每个H桥链节提供可靠的供电。
设H桥级联变换器每一相包含N个H桥链节(N为H桥级联变流器每一相串联的链节数，N为大于1的整数)，本发明提出的H桥级联变流器的冗余供电电源由3N个结构相同的电源模块构成，每个电源模块包括1个均压电阻R，一个可控开关K，1个DC/AC变换器S1，1个单输入三输出的四绕组隔离变压器T1，3个AC/DC变换器U1、U2、U3，6个输出二极管(D1～D6)，1个直流输入侧以及3个直流输出侧，其中直流输入侧包含两个端子IN+、IN-，3个直流输出侧各包含两个端子，分别为OUT1+、OUT1-，OUT2+、OUT2-和OUT3+、OUT3-。所述电源的直流输入侧的IN+、IN-连接DC/AC变换器S1的输入侧，均压电阻R与可控开关K串联在一起构成可控均压电路，其两端分别连接到S1的正负输入上，S1的输出侧连接到隔离变压器T1的输入绕组，T1的3个输出绕组分别连接AC/DC变换器U1、U2、U3的输入侧，U1、U2、U3的正负输出分别串联一个防反二极管然后连接到各自的输出端(OUT1+、OUT1-，OUT2+、OUT2-和OUT3+、OUT3-)，二极管的方向与电流的流出、流入方向一致(从正的输出端流出，负的输出端流入)。
本发明所述的H桥级联变流器冗余供电电源中，每个电源模块与一个H桥链节相对应，设x相(x＝A、B、C)的第y个链节(y＝1，2，…，N)记为Hxy，与之对应的电源模块记为Pxy。所述电源模块Pxy的直流输入端IN+、IN-分别并联到链节Hxy的直流母线支撑电容的正负极上，均压电阻R与可控开关K构成的可控均压电路用于调节直流母线支撑电容的静态电压平衡，其工作原理为：在H桥级联变流器的启动过程中或处于待机及热备用状态时，当链节Hxy的直流母线电压高于x相(x＝A、B、C)所有链接的平均电压或设定的最高充电电压时，可控开关K导通，将链节Hxy的直流母线电压释放到平均电压或设定的最高充电电压，以保证电源模块Pxy工作于正常的电压范围；其它条件下可控开关K处于关断状态。所述的均压电阻R的选取原则是：可控开关K导通时，在链节Hxy额定的直流母线电压下均压电阻R上消耗的功率远大于电源模块Pxy的额定功率。所述的可控开关K是继电器、MOSFET、IGBT等全控型开关。
所述的电源模块Pxy的三个输出端分别给链节Hxy以及与Hxy最相邻的两个链节提供控制电源。其中与链节Hxy最相邻的两个链节的定义为：(1)当y＝1时，与Hx1最相邻的两个链节为Hx2和Hx3；(2)当1＜y＜N时，与Hxy最相邻的两个链节为Hx(y-1)和Hx(y+1)；(3)当y＝N时，与HxN最相邻的两个链节为Hx(N-1)和Hx(N-2)。所述的冗余供电电源方案中，每个H桥链节Hxy均有3路控制电源输入，分别来自与链节Hxy对应的电源模块Pxy以及与Hxy最相邻的两个链节所对应的电源模块(“最相邻”的定义如上述)，这3路电源输入直接并联在一起为链节Hxy提供控制电源。
本发明提出的H桥级联变流器的冗余供电电源，其优点是：(1)直接从每个悬浮的H桥链节的直流母线支撑电容上取电，避免了传统的直接从交流电网侧取电所需的高绝缘耐压的隔离变压器，本发明中所述的隔离变压器T1其绝缘要求仅为相邻两个H桥链节电位差的2倍，为交流侧取电方案的2/N。(2)采用直流侧取电方式，与从每个链节的交流输出侧取电的方案相比，克服了交流失电对变流器装置的安全构成的威胁。利用直流母线支撑电容固有的存储电荷的能力，当系统故障导致交流侧失电时，所述的冗余供电电源能够在无需外部UPS的情况下，持续为每个H桥链节供电，直至系统安全停机并把直流母线电压释放至较低值。(3)当出现某个链节故障导致变流器运行与N-1模式时，所述的冗余供电电源能保证所有H桥链节的正常不间断供电，确保了整个系统的可靠性。
附图说明
图1典型的H桥级联变流器拓扑结构图
图2电源模块结构示意图
图3H桥链节及与之对应的电源模块
图4第1个链节处的电源模块的连接示意图
图5位于中间链节处的电源模块的连接示意图
图6第N个链节处的电源模块的连接示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明设计的H桥级联变流器的冗余供电电源作详细的说明。
典型的H桥级联变流器的拓扑结构如附图1中所示，设H桥级联变换器每一相包含N个H桥链节，N为大于1的整数。本发明提出的H桥级联变流器的冗余供电电源由3N个结构相同的电源模块构成，所述的电源模块的结构如附图2中所示，包括1个DC/AC变换器S1，1个单输入三输出的四绕组隔离变压器T1，3个AC/DC变换器U1、U2、U3，6个输出二极管(D1～D6)，1个直流输入侧以及3个直流输出侧，其中直流输入侧包含两个端子IN+、IN-，3个直流输出侧各包含两个端子，分别为OUT1+、OUT1-，OUT2+、OUT2-和OUT3+、OUT3-。所述电源的直流输入侧的IN+、IN-连接DC/AC变换器S1的输入侧，S1的输出侧连接到隔离变压器T1的输入绕组，T1的3个输出绕组分别连接AC/DC变换器U1、U2、U3的输入侧，U1、U2、U3的正负输出分别串联一个防反二极管然后连接到各自的输出端(OUT1+、OUT1-，OUT2+、OUT2-和OUT3+、OUT3-)，二极管的方向与电流的流出、流入方向一致(从正的输出端流出，负的输出端流入)，
本发明所述的H桥级联变流器冗余供电电源中，每个电源模块与一个H桥链节相对应，如附图3所示，设x相(x＝A、B、C)的第y个链节(y＝1，2，…，N)记为Hxy，与之对应的电源模块记为Pxy。所述电源模块Pxy的直流输入端IN+、IN-分别并联到链节Hxy的直流母线支撑电容的正负极上，电源模块Pxy的三个输出端分别给链节Hxy以及与Hxy最相邻的两个链节提供控制电源。其中与链节Hxy最相邻的两个链节的定义为：(1)当y＝1时，与Hx1最相邻的两个链节为Hx2和Hx3；(2)当1＜y＜N时，与Hxy最相邻的两个链节为Hx(y-1)和Hx(y+1)；(3)当y＝N时，与HxN最相邻的两个链节为Hx(N-1)和Hx(N-2)。所述的冗余供电电源方案中，每个H桥链节Hxy均有3路电源输入，分别来自与链节Hxy对应的电源模块Pxy以及与Hxy最相邻的两个链节所对应的电源模块(“最相邻”的定义如上述)，这3路电源输入直接并联在一起为链节Hxy提供控制电源。
附图4中所示的是本发明所述的冗余供电在H桥级联变流器中的第一个链节处的连接关系图。其中，电源模块Px1的第一路输出OUT1+/-为链节Hx3提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx1提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx2提供控制电源；电源模块Px2的第一路输出OUT1+/-为链节Hx1提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx2提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx3提供控制电源；电源模块Px3的第一路输出OUT1+/-为链节Hx2提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx3提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx4提供控制电源。因此，链节Hx1的供电电源由电源模块Px1的第二路输出OUT2+/-、电源模块Px2的第一路输出OUT1+/-、电源模块Px3的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供；链节Hx2的供电电源由电源模块Px1的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px2的第二路输出OUT2+/-、电源模块Px3的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供；链节Hx3的供电电源由电源模块Px1的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px2的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px3的第二路输出OUT2+/-以及电源模块Px4的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供。
附图5中所示的是本发明所述的冗余供电在H桥级联变流器中的第2～N-1链节处的连接关系图。其中，电源模块Px(y-1)的第一路输出OUT1+/-为链节Hx(y-2)提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx(y-1)提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hxy提供控制电源；电源模块Pxy的第一路输出OUT1+/-为链节Hx(y-1)提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hxy提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx(y+1)提供控制电源；电源模块Px(y+1)的第一路输出OUT1+/-为链节Hxy提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx(y+1)提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx(y+2)提供控制电源。因此，链节Hx(y-1)的供电电源由电源模块Px(y-2)的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px(y-1)的第二路输出OUT2+/-、电源模块Px(y+1)的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供；链节Hxy的供电电源由电源模块Px(y-1)的第三路输出OUT3+/-、电源模块Pxy的第二路输出OUT2+/-、电源模块Px(y+1)的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供；链节Hx(y+1)的供电电源由电源模块Pxy的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px(y+1)的第二路输出OUT2+/-、电源模块Px(y+2)的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供。
附图6中所示的是本发明所述的冗余供电在H桥级联变流器中的第N个链节处的连接关系图。其中，电源模块Px(N-2)的第一路输出OUT1+/-为链节Hx(N-3)提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx(N-2)提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx(N-1)提供控制电源；电源模块Px(N-1)的第一路输出OUT1+/-为链节Hx(N-2)提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节Hx(N-1)提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节HxN提供控制电源；电源模块PxN的第一路输出OUT1+/-为链节Hx(N-1)提供控制电源，第二路输出OUT2+/-为链节HxN提供控制电源，第三路输出OUT3+/-为链节Hx(N-2)提供控制电源。因此，链节Hx(N-2)的供电电源由电源模块Px(N-3)的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px(N-2)的第二路输出OUT2+/-、电源模块Px(N-1)的第一路输出OUT1+/-并联、电源模块PxN的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供；链节Hx(N-1)的供电电源由电源模块Px(N-2)的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px(N-1)的第二路输出OUT2+/-、电源模块PxN的第一路输出OUT1+/-并联在一起提供；链节HxN的供电电源由电源模块Px(N-2)的第三路输出OUT3+/-、电源模块Px(N-1)的第三路输出OUT3+/-、电源模块PxN的第二路输出OUT2+/-并联在一起提供。
本发明提出的冗余供电电源在H桥级联变流器完成对直流母线电容的预充电后自动启动，为每个悬浮的H桥链节提供控制电源。在H桥级联变流器工作过程中，即使由于电网故障造成交流侧失电，所述的冗余供电电源仍依靠直流母线电容上存储的大量电荷继续工作，直至变流器装置检测到交流侧失电并完成整个安全停机流程，并在将直流母线电容上的电压释放到较低值后停止工作。当H桥级联变流器工作过程中某个H桥链节出现故障被旁路时，本发明所述的冗余供电电源能够利用与该链节最相邻的两个链节为其提供控制供电，本发明所述的冗余供电电源最多可允许H桥级联变流器的每一相出现2个链节处于故障旁路状态，从而保证H桥级联变流器能够可靠运行于N-1状态，提高了装置整体可靠性。
以上实施实例是本发明的一个具体的实施电路示意图，并不以此限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种H桥级联变流器的冗余供电电源，其特征在于该冗余供电电源由3N个结构相同的电源模块构成，N为H桥级联变流器每一相串联的链节数，每个电源模块包括1个均压电阻R，一个可控开关K，1个DC/AC变换器S1，1个单输入三输出的四绕组隔离变压器T1，3个AC/DC变换器U1、U2、U3，6个输出二极管D1～D6，1个直流输入侧以及3个直流输出侧，其中直流输入侧包含两个端子IN+、IN-，3个直流输出侧各包含两个端子，分别为OUT1+、OUT1-，OUT2+、OUT2-和OUT3+、OUT3-；所述电源模块的直流输入侧的IN+、IN-连接DC/AC变换器S1的输入侧，均压电阻R与可控开关K串联在一起构成可控均压电路，其两端分别连接到S1的正负输入端子IN+、IN-上，S1的输出侧连接到隔离变压器T1的输入绕组，T1的3个输出绕组分别连接AC/DC变换器U1、U2、U3的输入侧，U1、U2、U3的正负输出分别串联一个防反二极管然后连接到各自的输出端OUT1+、OUT1-，OUT2+、OUT2-和OUT3+、OUT3-，二极管的方向与电流的流出、流入方向一致：从正的输出端流出，负的输出端流入；所述供电电源中，每个电源模块与一个H桥链节相对应，设x相的第y个链节记为Hxy，其中x＝A、B、C，y＝1，2，…，N，与之对应的电源模块记为Pxy，所述电源模块Pxy的直流输入端IN+、IN-分别并联到链节Hxy的直流母线支撑电容的正负极上，电源模块Pxy的三个输出端分别给链节Hxy以及与Hxy最相邻的两个链节提供供电电源，其中与链节Hxy最相邻的两个链节的定义为：(1)当y＝1时，与Hx1最相邻的两个链节为Hx2和Hx3；(2)当1＜y＜N时，与Hxy最相邻的两个链节为Hx(y-1)和Hx(y+1)；(3)当y＝N时，与HxN最相邻的两个链节为Hx(N-1)和Hx(N-2)；所述的冗余供电电源方案中，每个H桥链节Hxy均有3路供电电源输入，分别来自与链节Hxy对应的电源模块Pxy以及与Hxy最相邻的两个链节所对应的电源模块，这3路电源输入直接并联在一起为链节Hxy提供供电电源。
2.一种用于如权利要求1所述H桥级联变流器冗余供电电源的可控均压电路，用于均衡各个链节的静态直流母线电压，其特征在于，所述电源模块的输入侧含有一个由均压电阻R与可控开关K构成的可控均压电路，用于调节直流母线支撑电容的静态电压平衡，其工作原理为：在H桥级联变流器的启动过程中或处于待机及热备用状态时，当链节Hxy的直流母线电压高于x相所有链接的平均电压或设定的最高充电电压时，其中x＝A、B、C，可控开关K导通，将链节Hxy的直流母线电压释放到平均电压或设定的最高充电电压，以保证电源模块Pxy工作于正常的电压范围，其它条件下可控开关K处于关断状态；所述的均压电阻R的选取原则是：可控开关K导通时，在链节Hxy额定的直流母线电压下均压电阻R上消耗的功率远大于电源模块Pxy的额定功率；所述的可控开关K是继电器、MOSFET、IGBT其中的任意一种全控型开关。
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