CN104143921A - 组合式模块化变频器及供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式模块化变频器及供电系统，组合式模块化变频器包括输入输出配电模块、监控显示模块、变频器功率单元模块、液体冷却管路模块。所述的供电系统包括可由多台相同的组合式模块化变频器组成。本发明中的组合式模块化变频器中的模块既可以独立运行，也可以通过并联控制系统并联运行，变频器功率模块可实现电气的快速连接，变频器中的故障模块可以在不影响变频器运行的状态下进行更换。可实现R+r冗余的组合式模块化变频器，并具备R+r+X灵活的扩展能力。由本发明中的组合式模块化变频器组成的供电系统，本供电系统中的组合式模块化变频器既可以独立运行，也可以通过并联控制系统并联运行。可以实现故障单元的快速切除和替换。

Description

组合式模块化变频器及供电系统

技术领域

本发明属于一种变频器及供电系统，具体涉及一种组合式模块化变频器及供电系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，应用于工业场合的变频器产品的可靠性得到了很好的保证。但是在一些对供电可靠性要求极为严格的场合，常常采用增加备用变频器的方式来提高供电的可靠性，保障供电设备的可靠运行。这样虽然可以提高供电系统的可靠性，但是却增加了系统的成本投入，为今后的运行维护也增加了负担。

在工业应用场合，有通过并联控制技术扩展容量的变频器产品。但是其控制系统往往采用的是统一控制，即控制器，只有一套或有限数量的冗余备份，一旦控制器被损坏，整套变频器系统就处于瘫痪状态，不能继续正常工作，仍然需要外部配备冗余变频器设备来保证整个供电系统的可靠性。

发明内容

本发明为解决上述问题而提出，其目的是提供一种组合式模块化变频器及供电系统。

本发明的技术方案是：一种组合式模块化变频器，包括输入输出配电模块、监控显示模块和液体冷却管路模块，还包括由多个相同变频器功率单元模块构成的R+r冗余组合式模块化变频器或者构成R+r+X冗余组合式模块化变频器，所述的变频器功率单元模块和监控显示模块 之间通过通讯总线、状态信号总线实现通讯，变频器功率单元模块、监控显示模块、通讯总线组成模块化变频器通讯网络，实现冗余并联均流控制。

所述输入输出配电模块与各模块间通过输入电气快速接头和输出电气快速接头连接。

变频器功率单元模块中包括变频器功率单元模块主回路和变频器功率单元模块控制系统；所述的变频器功率单元模块主回路包括依次连接的输入电气快速接头、输入空气开关、输入电抗器、直流母线预充电器、输入电流传感器、整流主功率器、直流母线电容、逆变器主功率器、输出滤波电感电容、输出电流传感器、输出继电器、输出空气开关和输出电气快速接头；所述的变频器功率单元模块控制系统包括控制及通讯信号快速接头、对整流器进行控制的整流控制器、对逆变器进行控制的逆变控制器、并机调节的并机及通讯控制器、实现通讯的通讯总线和状态信号总线，变频器功率单元模块具有冗余扩展功能，并且在不停机的情况下快速更换。

所述的液体冷却管路模块由冷却总水路、旁通水路、支水路组成，其中，其中冷却总水路由输入总水路阀门、输入总水路安装法兰、流量传感器和输出总水路安装法兰组成，为各支水路提供总水路开关、流量测量并提供安装接口；旁通水路由旁通阀门控制，用于安装过程中管道冲洗等作业；支水路由功率模块冷却水支路阀门和双封闭快速连接器组成，模块的冷却水输入、输出支路各有一组。

一种组合式模块化变频器组成的变频供电系统，包括多个相同的组合式模块化变频器组成的R台组合式模块化变频器供电系统、r台组合式模块化变频器供电系统，由通讯总线和状态信号总线组成的供电系统通讯网络将多个组合式模块化变频器连接，实现R+r冗余变频供电系统。

本发明的有益效果是：

本发明中的变频器中的模块既可以独立运行，也可以通过并联控制系统并联运行，变频器可实现电气的快速连接，变频器中的故障模块可以在变频器运行的状态下进行更换。本发明中的每个变频器中包含多个相同的功率单元模块，而且变频器中还存在功率单元模块的扩展空间，变频器中的冗余功率单元模块大大提升了变频器的可靠性，由多台上述变频器并机即可组成高可靠性的供电系统。而且本发明中的液体冷却系统也实现在运行状态下的更换，提高了操作性和稳定性。

附图说明

图1 是本发明的组合式模块化变频器结构示意图；

图2 是本发明的变频器功率单元模块结构图；

图3 是本发明的变频器组合拓展示意图；

图4 是本发明的变频器中模块在运行中更换的示意图；

图5 是本发明的变频器功率单元模块并机分载的示意图；

图6 是本发明的变频器环形通讯与状态信号通讯网络示意图；

图7 是本发明的R＋r冗余变频供电系统结构示意图；

图8 是本发明变频供电系统环形通讯与状态信号通讯网络示意图；

图9 是本发明的变频器液体冷却系统示意图。

其中：

1 组合式模块化变频器       2 输入输出配电模块

3 监控显示模块             4-1～4-n变频器功率单元模块

5 液体冷却管路模块         6 变频器功率单元模块主回路

7 输入电气快速接头         8 输入空气开关

9 输入电抗器               10 直流母线预充电器

11 输入电流传感器          12 整流主功率器

13 直流母线电容            14 逆变器主功率器

15 输出滤波电感电容        16 输出电流传感器

17 输出继电器              18 输出空气开关

19 输出电气快速接头        20变频器功率单元模块控制系统

21 控制及通讯信号快速接头  22 整流器控制器

23 逆变器控制器            24 并机及通讯控制器

25 通讯总线                26 状态信号总线

27 机柜                    28 R个变频器功率单元模块

29 r个变频器功率单元模块  30 R＋r冗余组合式模块化变频器

31 X个变频器功率单元模块

32 R＋r＋X 冗余组合式模块化变频器

33 R台组合式模块化变频器供电系统

34 r台组合式模块化变频器供电系统

35 R＋r冗余变频供电系统  36 故障模块化变频器

37 故障模块               38 去除故障模块的模块化变频器

39 备用模块               40 恢复后的模块化变频器

41 输入总水路阀门         42 输入总水路安装法兰

43 冷却总水路

44 变频器功率模块冷却水支路阀门

45 旁通阀门                46 双封闭快速连接器

47 流量传感器              48 输出总水路安装法兰

49 通讯及状态信号通讯总线  50 输出母线

51 某一变频器功率单元模块输出电压波形

52 输出母线电压波形        53 模块化变频器通讯网络

54 供电系统通讯网络。

具体实施方式

以下，参照附图及实施例对本发明进行详细说明：

如图1～2所示，一种组合式模块化变频器1，包括输入输出配电模块2、监控显示模块3、多个相同的变频器功率单元模块4-1～4-n和液体冷却管路模块5（在选择液体冷却方式时使用）。

其中，输入输出配电模块2将市电经过线路分配提供给有需求的各个模块，并将功率模块输出的电能汇总到输出母线50，提供给负载。市电输入、输出母线50分别与各个模块之间采用输入电气快速接头7和输出电气快速接头19连接，可在通电但不通过大电流（负载电流）的情况下快速热插拔。

监控显示模块3通过通讯总线25的CAN总线，实现监控显示模块3和功率单元模块4-1～4-n之间的通讯工作，监控显示模块3采用MCU（微控制器）作为控制核心并具有一块带有触摸功能的显示屏作为人机交互界面，一方面将变频器功率单元模块收集到的各变频器模块的运行数据，传输给监控显示模块3的触摸屏上并将之显示出来；另一方面接收监控显示模块3的触摸屏的操作指令，传输给变频器功率单元模块，再由变频器功率单元模块通讯总线25的CAN总线传给并联系统中的所有变频器功率单元模块，进行统一的调节动作。

另外，监控显示模块3还具有独立的采集电路，可以采集组合式模块化变频器1的输入、输出电气参数及其他辅助参数（冷却液流量），监控显示模块3将通过通讯获取的数据和自身采集电路采集到的数据进行处理后，通过通讯总线25传输给“上位机”，实现远程的监视。同时，还可以接受“上位机”远程操作指令，实现远程的控制。

变频器功率单元模块4-1～4-n包括变频器功率单元模块主回路6和变频器功率单元模块控制系统20。

所述的变频器功率单元模块主回路6包括依次连接的输入电气快速接头7、输入空气开关8、输入电抗器9、直流母线预充电器10、输入电流传感器11、整流器主功率器12、直流母线电容13、逆变器主功率器14、输出滤波电感电容15、输出电流传感器16、输出继电器17、输出空气开关18和输出电气快速接头19。

其中，输入电抗器9、直流母线预充电器件10、输入电流传感器11和整流器主功率器件12组成整流器；由整流器控制器22控制，整流器控制器22采用32位数字MCU作为控制核心，可选用TI（美国德州仪器）公司的C2000系列MCU，同时由供电电路、采集电路、驱动电路、通讯电路、存储电路、同步电路等辅助电路共同组成整流器控制器22。

其中，逆变器主功率器14、输出滤波电感电容15和输出电流传感器16组成逆变器，由逆变器控制器23控制，逆变器控制器23由32位数字MCU作为核心控制芯片，可选用TI公司的C2000系列MCU，配有供电电路、采集电路、驱动电路、通讯电路、存储电路等辅助电路。

所述的变频器功率单元模块控制系统20包括控制及通讯信号快速接头21、整流器控制器22、逆变器控制器23、并机及通讯控制器24、通讯总线25和状态信号总线26。其中并机及通讯控制器24采用32位数字MCU作为控制核心，该可选用TI公司的C2000系列MCU，控制器还有供电电路、通讯电路、存储电路等配套电路，实现冗余并联均流控制和通讯控制功能。

变频器功率单元模块4-1～4-n中各部件的作用如下：

输入电气快速接头7、输出电气快速接头19为变频器功率单元模块提供与输入、输出母线快速电气连接。

输入空气开关8、输出空气开关18为变频器功率单元模块提供与输入、输出母线的电气开关隔离，并提供一定的保护功能。输出继电器17作为并机控制开关使用，在变频器功率单元模块控制系统检测到自身满足并机要求时，控制输出继电器17闭合，将变频器功率单元模块的输出通过输出电气快速接头19并联至输出母线。在变频器功率单元模块出现故障或是停机时，控制系统控制输出继电器17断开，使变频器功率单元模块脱离并联母线。

变频器功率单元模块4-1～4-n的整流器部分采用可控高功率因数整流器，将输入的市电进行电能变换，为逆变器提供稳定的直流电压源，同时通过控制算法使市电输入端即具有较高的功率因数又具有较低的输入电流失真度，降低对电网的污染。

其中输入电抗器9起到两个作用，一是作为升压电感使用；另外作为电网市电与整流器主回路输入端的隔离电感。直流母线预充电器10作为直流母线电容13、整流器主功率器12的缓冲保护电路使用，使直流母线电容13、整流器主功率器12两端的直流电压在上电时缓慢上升，保护部件免受瞬时尖峰电压的冲击。整流器主功率器12使用可控开关器件，可采用IGBT开关，整流器控制器22实现可控整流控制算法。

直流母线电容13是整流器和逆变器的共用部分，直流母线电容13既作为整流器的直流滤波环节又为逆变器提供无功电流。

逆变器采用标准的三相桥拓扑结构，将整流器提供的稳定的直流电能变换为一定可变频率的三相交流电能，同时通过控制算法保证实现多模块并联运行，控制并联系统的环流达到最小。

其中逆变器主功率器14采用可控开关器件，可采用IGBT开关，逆变器采用SPWM（正弦脉宽调制）算法，输出滤波电感电容15组成滤波电路对逆变器主功率器14输出的SPWM波进行滤波，逆变器控制器23实现控制算法及执行并联控制调节操作。

整流器控制器22、逆变器控制器23、并机及通讯控制器24，采集并计算向相应的模块接口提供相应的控制信号。整流器控制器22主要负责对整流器及相应的部件进行控制操作；逆变器控制器23主要负责对逆变器及相应的部件进行控制操作，并且执行并联控制及通讯控制器24发出的并联控制调节命令。

并机及通讯控制器24负责并机控制算法的实现，模块运行参数的采集以及与其他模块和上位机的通讯工作，在并联控制工作状态时提供相应的控制功能及接口。

液体冷却管路模块5为组合式模块化变频器1中的各个变频器功率单元模块4-1～4-n提供冷却液体的流通管路，为实现变频器功率单元模块4-1～4-n在运行状态下更换，将变频器功率单元模块4-1～4-n与冷却液体管路的连接部分设计为可快速连接形式。液体冷却管路模块5的具体结构将在后面结合图9进行详细说明。

如图3所示，可以根据实际需求按照变频器功率模块标准的容量进行灵活的功率配置,即进行变频器功率模块组合拓展，其结构包括由输入输出配电模块2、监控显示模块3和液体冷却管路模块5组成的机柜27，机柜27满足应用场合现阶段R+r冗余需求（即具有R+r个功率模块位置），同时也满足日后应用拓展X台功率模块的要求预留了位置，在配电、冷却液等配套方面也有余量。

在应用初期建设或前期需求时，由R个变频器功率单元模块28和r个变频器功率单元模块29组成的R+r冗余高可靠性组合式模块化变频器30，为负载提供电能。

在应用需求提高或后期建设时，需要增加X个功率模块扩展模块化变频器的容量。此时只需插入X个变频器功率单元模块31即可满足需求， 构成R+r＋X冗余高可靠性组合式模块化变频器32。

此时，如负载需求降低，增加的X个模块可作为备用模块使用。还可以不做任何变动，使用R+r＋X冗余模块化变频器进一步提高模块化变频器的可靠性。

可见，模块化变频器在容量拓展方面具有明显的优势，可根据需求进行灵活的功率配置。

其中，R（Rated）表示提供额定负载容量所需的功率单元模块的数量；r（redundancy）表示除额定负载容量所需的功率单元模块的数量外冗余模块的数量；X表示增加的备用模块的数量。

如图4所示，表示模块化变频器的某一模块发生故障时，模块在线热插拔更换的过程，如当故障模块化变频器36中的故障模块37发生故障时，此时只需将故障模块37（模块种类包含监控、显示模块3和变频器功率单元模块4-1～4-n 所述模块）拔出即可。拔出故障模块后仍在运行的组合式模块化变频器38在冗余允许的条件下模块化变频器不会因此模块故障而停机。

此时将储备的备用模块39（模块种类包含监控、显示模块3和变频器功率单元模块4-1～4-n 所述模块）插入原位置即可，恢复后的组合式模块化变频器40与故障前没有任何差别，在此过程中模块化变频器的运行不会受到影响。此处，备用模块39与故障模块37都是同样的模块，为标准化产品，没有差别。

如图5所示，为了保证变频器功率单元模块4-1～4-n 分担负载电流，不产生较为严重的环流，最基本的要求就是所有变频器功率单元模块4-1～4-n 的输出电压的频率、幅值和相位要保持严格的一致。即某一变频器功率单元模块输出电压波形51要与输出母线50上由其他模块输出并联构成的输出母线电压波形52在频率、幅值和相位上保持严格的一致。

为实现电压频率和相位的控制，通过通讯及状态信号通讯总线49保证所有变频器功率单元模块4-1～4-n ，在并联控制系统“主机”的统一控制信号下进行同步操作。具体控制过程如下所述：

通讯及状态信号通讯总线49的通讯信号中包含一个频率同步信号，所有的变频器模块都要检测这个频率同步信号，并与此同步信号进行锁相技术处理，以保证各变频器功率单元模块并联运行后输出电压的频率相同。即某一变频器功率单元模块输出电压波形51要与输出母线电压波形52在频率上保持严格的一致。

通讯及状态信号通讯总线49的通讯信号中还包含一个输出电压过零触发信号，所有的变频器功率单元模块都需要检测这个过零触发信号，并与此同步信号进行锁相技术处理，以保证各变频器功率单元模块并联运行后输出电压的相位相同。即某一变频器功率单元模块输出电压波形51要与输出母线电压波形5其在相位上保持严格的一致。

如图6所示，通讯总线25选用可靠性较高的CAN总线，该通讯的拓扑结构采用环形结构。由变频器功率单元模块4-1～4-n 和监控显示模块3组成的通信节点，采用环形网络拓扑结构组成变频器通讯网络53，该网络拓扑的优势在于即使在某一点出现故障，也不会影响整个控制系统通讯，保障系统的正常运行。

如图7所示，表示了R+r冗余变频供电系统，类似模块化变频器与功率模块之间的关系，这里将它们之间的关系及概念延伸拓展到高可靠性变频供电系统中，将“功率模块”的概念延伸拓展为“一台模块化变频器”，这样就组成了图中所示的R+r冗余变频供电系统35。

根据先前所述，由组合式模块化变频器的机柜27，R个变频器功率单元模块28和r个变频器功率单元模块29，即可组成具备R+r冗余组合式模块化变频器30。

再由上面提及的概念延伸拓展，由R台组合式模块化变频器30组成的R台组合式模块化变频器供电系统33和由r台组合式模块化变频器30组成的r台组合式模块化变频器供电子系统34，即组成R+r冗余变频供电系统35。

其工作过程及控制原理类似于模块化变频器的功率模块并联控制，只是这里的基本“单元”由功率模块拓展为一台模块化变频器。

如图8所示，由R+r冗余高可靠性组合式模块化变频器30作为类似变频器功率单元模块4-1～4-n 的角色和概念，通过供电系统网络54，将作为“主机柜”的模块化变频器的“并机柜”控制指令送达各个“从机柜”。控制过程与模块化变频器内部“并机”控制相同，只是此处“单元模块”的概念被做了延伸拓展。

由此拓展的R＋r冗余变频器供电系统35，在功率容量方面得到了进一步的增加，适合于大功率、高可靠性变频供电需求。

如图9所示，该冷却管路的设计原则是快速冷却管路连接和高可靠性。液体冷却管路由冷却总水路43、旁通水路、支水路组成。

其中冷却总水路43由输入总水路阀门41、输入总水路安装法兰42、  流量传感器47和输出总水路安装法兰48组成，为各支水路提供总水路开关、流量测量并提供安装接口。

旁通水路主要由旁通阀门45控制，用于安装过程中管道冲洗等作业。

支水路由功率模块冷却水支路阀门44和双封闭快速连接器46组成，模块的冷却水输入、输出支路各有一组。双封闭快速连接器46为双封闭快速连接器，可为功率模块的支水路和主水路之间提供快速的水路连接，并且具备双封闭特性，在连接器插头拔出和插入的过程中不会有冷却液流出。为了进一步提高支水路的可靠性在模块的冷却水输入、输出支路各增加了一个功率模块冷却水支路阀门44，进一步保证在冷却水路快速连接器插拔时的封闭特性并且提供了各支水路的开关控制功能。这样就实现了液体冷却管路的快速连接，进一步提高了管路系统的可靠性。

只有在变频器功率单元模块4-1～4-n 选用液体冷却方式时，液体冷却管路模块5将会在模块化变频器中应用。如变频器功率单元模块4-1～4-n 选用强制风冷的冷却方式时，模块化变频器不需要液体冷却管路模块5。

本发明中的每个变频器中包含多个相同的功率单元模块，而且变频器中还存在功率单元模块的扩展空间，变频器中的冗余功率单元模块大大提升了变频器的可靠性，由多台上述变频器并机即可组成高可靠性的供电系统。而且本发明中的液体冷却系统也实现在运行状态下的更换，提高了操作性和稳定性。

Claims (5)

1.一种组合式模块化变频器，包括输入输出配电模块（2）、监控显示模块（3）和液体冷却管路模块（5），其特征在于：还包括由多个相同变频器功率单元模块（4-1～4-n）构成的R+r冗余组合式模块化变频器或者构成R+r+X冗余组合式模块化变频器，所述的变频器功率单元模块（4-1～4-n）和监控显示模块 （3）之间通过通讯总线（25）、状态信号总线（26）实现通讯，变频器功率单元模块（4-1～4-n）、监控显示模块（3）、通讯总线（25）组成模块化变频器通讯网络（53），实现冗余并联均流控制。

2.根据权利要求1所述的组合式模块化变频器，其特征在于：所述输入输出配电模块（2）与各模块间通过输入电气快速接头（7）和输出电气快速接头（19）连接。

3.根据权利要求1所述的组合式模块化变频器，其特征在于：变频器功率单元模块（4-1～4-n）中包括变频器功率单元模块主回路（6）和变频器功率单元模块控制系统（20）；所述的变频器功率单元模块主回路（6）包括依次连接的输入电气快速接头（7）、输入空气开关（8）、输入电抗器（9）、直流母线预充电器（10）、输入电流传感器（11）、整流主功率器（12）、直流母线电容（13）、逆变器主功率器（14）、输出滤波电感电容（15）、输出电流传感器（16）、输出继电器（17）、输出空气开关（18）和输出电气快速接头（19）；所述的变频器功率单元模块控制系统（20）包括控制及通讯信号快速接头（21）、对整流器进行控制的整流控制器（22）、对逆变器进行控制的逆变控制器（23）、并机调节的并机及通讯控制器（24）、实现通讯的通讯总线（25）和状态信号总线（26），变频器功率单元模块（4-1～4-n）具有冗余扩展功能，并且在不停机的情况下快速更换。

4.根据权利要求1所述的组合式模块化变频器，其特征在于：所述的液体冷却管路模块（5）由冷却总水路（43）、旁通水路、支水路组成，其中，其中冷却总水路（43）由输入总水路阀门（41）、输入总水路安装法兰（42）、流量传感器（47）和输出总水路安装法兰（48）组成，为各支水路提供总水路开关、流量测量并提供安装接口；旁通水路由旁通阀门（45）控制，用于安装过程中管道冲洗等作业；支水路由功率模块冷却水支路阀门（44）和双封闭快速连接器（46）组成，模块的冷却水输入、输出支路各有一组。

5.按照权利要求1所述的组合式模块化变频器组成的变频供电系统，其特征在于：包括多个相同的组合式模块化变频器（1）组成的R台组合式模块化变频器供电系统（33）、r台组合式模块化变频器供电系统（34），由通讯总线（25）和状态信号总线（26）组成的供电系统通讯网络（54）将多个组合式模块化变频器（1）连接，实现R+r冗余变频供电系统。