CN104269998A - 一种单元串联变频器的单元旁路装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单元串联高压变频器的单元旁路装置，包括主控制器、单元旁路控制板和旁路接触器。当单元发生故障需要旁路时，单元旁路控制板接收来自主控制器的旁路信号，经光电转换模块转换为电信号，该电信号作为功率放大模块的输入，经功率放大模块驱动旁路接触器，旁路接触器触点闭合。各个单元旁路板由对应的单元进线供电，旁路控制板中的变压器无需高压绝缘，提高了系统的可靠性。在功率单元发生故障后，控制器检测到故障功率单元后，封锁所有单元功率开关管脉冲输出，根据上述硬件基础旁路故障功率单元，然后调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度，使得三相输出线电压平衡的同时，提高单元直流母线电压的利用率。

Description

一种单元串联变频器的单元旁路装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率单元串联式的旁路装置以及旁路后提高变频器处理的方法，适用于任何类似单元串联装置。

背景技术

由于功率单元串联式高压变频器具有低谐波、功率器件电压等级不高、可批量生产等优点，其在电力、冶金、石油、化工、市政等场合应用越来越广泛。

该高压变频器由于采用多个功率串联，不做处理的话，任何一个功率单元故障都将导致停机，影响其可靠性。在功率单元出现故障的情况下高压变频器能够继续运行成为验证高压变频器可靠性的技术关键。通常的做法是在各个功率单元输出侧并联旁路装置，在功率单元发生故障后，旁路装置动作，使功率单元输出短接，将与故障单元相邻的两个单元连接起来，高压变频器继续运行。

现在高压变频器采用的旁路装置有两种。一种是在功率单元输出侧加装二极管整流桥和晶闸管或其它类似的功率器件构成，其中二极管整流桥的输入与功率单元输出相连，二极管整流桥的直流输出侧与晶闸管相连，该旁路方法存在以下弊端：由于晶闸管不能承受过高的dv/dt，当功率单元输出电压为零时，晶闸管两端电压也为零，此时控制IGBT导通使得功率单元输出直流母线电压电平，该电平会直接加到晶闸管的阳阴极间，晶闸管会承受超过其耐受能力的dv/dt，导致其误导通，引发功率单元的短路故障。另一种是采用旁路接触器方式。常规的旁路接触器采用集中控制方式，即所有功率单元的旁路通过旁路集中控制模块控制，而旁路操作机构—接触器的线圈供电需通过高压隔离变压器供电，可靠性较低。

高压变频器在功率单元发生故障旁路之后，为了使输出线电压得到对称的电压，通常的处理方法有两种：一种是同级旁路法，即将与故障功率单元同级的另外两相功率单元一同旁路，但该方法会牺牲正常功率单元的输出能力，降低了整个变频器的输出能力；另一种是改变初相角法，即只旁路故障单元，通过改变各相的初相角来使输出线电压平衡。当使用改变初相角法时，其大部分情况最高输出电压均比同级旁路法高，但如果其各相旁路的单元个数与旁路同级法均相同时，由于同级旁路法很容易对其输出相电压注入三次谐波，此时改变初相角法的最高输出电压较同级旁路法低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种单元串联变频器的单元旁路装置，该旁路装置能使用常规接触器，旁路控制部分不需高压隔离，消除其它类型旁路装置误导通和可靠性低的隐患。与此同时本发明还提供一种提高母线电压利用率的单元旁路控制方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种单元串联变频器的单元旁路装置，包括单元旁路控制板和旁路接触器；所述单元旁路控制板接收旁路信号；所述单元旁路板的电源输入取自其所能旁路单元的交流输入侧；所述单元旁路控制板的输出端与旁路接触器连接，所述旁路接触器的输出端与相对应的功率单元连接。

进一步，所述单元旁路控制板通过光纤与主控制器连接；所述单元旁路控制板包括变压器、AC/DC模块、光电转换模块和功率放大模块；所述变压器的输入端与相应的功率单元的交流输入侧连接，所述变压器的输出端与AC/DC模块连接，所述AC/DC模块为单元旁路控制板内的各模块提供低压直流电源；所述光电转换模块将旁路信号转换为电信号，所述功率放大模块的输入端与光电转换模块的输出端连接，所述功率放大模块的输出端与旁路接触器的线圈连接。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种单元串联变频器的单元旁路控制方法，包括当检测到故障功率单元时，封锁所有功率单元的功率开关管脉冲调制输出，旁路所述故障功率单元；调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度，使得三相输出线电压平衡。

进一步，所述调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度包括，计算得到功率单元旁路后所能取得的调制度的最大值，若故障单元旁路前的电压幅值大于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则旁路后的调制度按最大调制度计算；若故障单元旁路前的电压幅值小于或者等于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则按该电压幅值对应的调制度计算。

进一步，所述的调制度值最大值是通过数值计算取局部最优的方法得到。

有益技术效果：

本发明在检测到功率单元故障后，主控制器判断是否需要旁路故障单元；当需要旁路时，主控制器发出封锁所有开关管脉冲指令，封锁完成后，旁路所述故障单元，调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度；等待旁路动作完成后，检测电机反电动势的频率、幅值，根据当前的反电动势重新发送开关管脉冲指令，并使变频器逐渐恢复到单元旁路前的电压输出和频率，该方法提高了直流母线电压的利用率。

本发明采用了接触器旁路方式，故可消除旁路装置误导通的隐患；每个功率单元有独立的旁路控制装置，其电源取自所在功率单元的交流输入，故其所用变压器不需高压绝缘，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述的一种单元串联变频器的单元旁路装置实施例的结构示意图；

图2为本发明所述的一种旁路情况下提高单元直流母线电压利用率方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种三相输出电压矢量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，功率单元5主要由熔断器1、三相全波整流桥2、直流母线电容组3、功率开关器件IGBT(VT1、VT2、VT3、VT4)构成，六个二极管组(D1、D2、D3、D4、D5、D6)成三相全波整流桥2，三相交流电源经过熔断器1与三相整流桥2输入端连接，整流桥2的输出端与主流母线电容组3并联，4个IGBT(VT1、VT2、VT3、VT4)构成H桥逆变桥4，逆变桥4的输入与直流母线电容组3相连，输出端与旁路接触器6的触点并联，功率单元的结构作为单元串联高压变频器基本单元，其技术已相当成熟。

本发明所述单元旁路装置包括单元旁路控制板11和旁路接触器6。单元旁路控制板11由变压器7、AC/DC模块8、光电转换模块9、功率放大模块10构成。单元旁路控制板11的电源输入取自其所能旁路单元的交流输入侧；所述单元旁路控制板通过光纤与主控制器相连，接收来自主控制器的旁路信号，其中主控制器为基于一种芯片的嵌入式系统；单元旁路控制板的输出端与旁路接触器6相连。旁路接触器6与相对应的功率单元5相连。变压器7的输入与相对应单元的交流输入侧相连，其输出与AC/DC模块8相连。AC/DC模块8为单元旁路控制板11内的各模块提供低压直流电源。主控制器从故障单元接受到故障信号，判断是否需要旁路，需要时将旁路信号通过光纤或其它电气隔离通讯设备发送给单元旁路控制板，经光电转换模块9转换为电信号，光电转换模块9的输出与功率放大模块10的输入相连，由功率放大模块10功率放大后驱动旁路接触器6，进而旁路接触器线圈得电，旁路接触器触点闭合，功率单元输出侧短接，故障单元相邻的两个单元连接起来。

在本实施例中，旁路接触器为直流接触器，该接触器线圈无磁滞和涡流损耗，功耗小。

该旁路装置采用了接触器旁路方式，故可消除旁路装置误导通的隐患；每个功率单元有独立的旁路控制装置，其电源取自所在功率单元的交流输入，故其所用变压器不需高压绝缘，提高了系统的可靠性。

本发明所采用的旁路单元控制方法的技术方案如下：如图2中所示，检测到功率单元故障后，主控制器判断是否需要旁路故障单元；当需要旁路时，主控制器发出封锁所有功率单元的开关管脉冲指令，各功率单元的开关管封锁，封锁完成后，旁路所述故障单元；调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度；等待旁路动作完成后，检测电机反电动势的幅值、频率、相位，根据当前的反电动势重新发送开关管脉冲指令，并使变频器逐渐恢复到单元旁路前的电压输出和频率。

所述调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度包括，计算得到功率单元旁路后所能取得的调制度的最大值，若故障单元旁路前的电压幅值大于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则旁路后的调制度按最大调制度计算；若故障单元旁路前的电压幅值小于或者等于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则按该电压幅值对应的调制度计算。

通过数值计算取局部最优的方法得到功率单元旁路后所能取得的调制度的最大值，若故障单元旁路前的电压幅值大于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则旁路后的调制度按最大调制度计算；若故障单元旁路前的电压幅值小于或者等于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则按该电压幅值对应的调制度计算。

其中三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度的计算如下所述。

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，A、B、C相剩余正常单元个数分别为N_A、N_B、N_C，以单元输出电压为基值进行标幺化后，A、B、C相输出电压依然分别为N_A、N_B、N_C。当无故障时，或者三相正常单元数相同时，其相电压输出幅值N_A＝N_B＝N_C,各相之间夹角为120度，当然其线电压AB、BC、CA输出幅值亦相同,即三角形ΔABC为等边三角形。当三相正常单元数不相同时，将中性点由N移到N’，输出线电压依旧组成一个等边三角形ΔABC。将ΔABC放在直角坐标系中，B点位于坐标原点，A点位于X轴上，设三角形的边长为k，A、B、C三点的坐标如图3所示，分别为(k,0)、(0,0)、N_A、N_B、N_C的相交点N’的坐标为(x,y)。N_A、N_B、N_C夹角对应的角度分别为θ_A、θ_B、θ_C。所发调制波的形式为

其中，a₃、γ决定了三次谐波的幅值和初相角，m为当前所需调制度。根据图3可得以下方程：

${(x-k)}^2+y^2=N_A^2$

$x^2+y^2=N_B^2$

${(x-\frac{k}{2})}^2+{(y-\frac{\sqrt{3}}{2}k)}^2=N_c^2$

计算可得

$k=\sqrt{\frac{N_A^2+N_B^2+N_c^2+\sqrt{3[{(N_A^2+N_B^2+N_c^2)}^2-2(N_A^4+N_B^4+N_c^4)}}{2}}$

${\mathrm{\θ}}_A={\cos }^{-1}\left(\frac{N_B^2+N_C^2-k^2}{2N_B{N}_C}\right)$

${\mathrm{\θ}}_B={\cos }^{-1}\left(\frac{N_A^2+N_C^2-k^2}{2N_A{N}_C}\right)$

${\mathrm{\θ}}_C={\cos }^{-1}\left(\frac{N_A^2+N_B^2-k^2}{2N_A{N}_B}\right)$

在保证没有过调制的情况下，以所能输出的最大调制度取到最大值为原则，求得a₃、γ、m值。三相输出的三次谐波幅值和相位完全一致，保证线电压平衡。

根据正常单元的数目分为两种情况：

一种情况为：假设变频器每相的全部单元数为8，无任何一个单元旁路时，其输出最大线电压有效值为1.15(标幺值)。A、B、C三相剩余正常单元数均为6，此时按本发明所述方法，θ_B、θ_C均为120度，a₃＝6，γ为0度，m值最大为1.15，输出线电压最大有效值为0.866，同级旁路方法输入三次谐波方法输出线电压的最大有效值为0.866，而不注入三次谐波的初相角法输出线电压的最大有效值为0.75。

一种情况为：假设变频器每相的全部单元数为8，无任何一个单元旁路时，其输出最大线电压有效值为1.15(标幺值)。A、B、C三相剩余正常单元数分别为7、8、6，此时按本发明所述方法，θ_B为135.52度，θ_C为106.57度，a₃＝5.01，γ为7.8度，输出线电压最大有效值为0.938，同级旁路方法注入三次谐波方法输出线电压的最大有效值为0.866，而不注入三次谐波的初相角法输出线电压的最大有效值为0.869。

本发明中所述的旁路情况下提高直流母线电压利用率的方法不仅仅限于以上两种情况，对于任何类似单元串联装置，不同的剩余正常单元数组合该发明均适用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种单元串联变频器的单元旁路装置，其特征在于：包括单元旁路控制板和旁路接触器；所述单元旁路控制板接收旁路信号；所述单元旁路板的电源输入取自其所能旁路单元的交流输入侧；所述单元旁路控制板的输出端与旁路接触器连接，所述旁路接触器的输出端与相对应的功率单元连接。

2.根据权利要求1所述的单元串联变频器的单元旁路装置，其特征在于：所述单元旁路控制板通过光纤与主控制器连接；所述单元旁路控制板包括变压器、AC/DC模块、光电转换模块和功率放大模块；所述变压器的输入端与相应的功率单元的交流输入侧连接，所述变压器的输出端与AC/DC模块连接，所述AC/DC模块为单元旁路控制板内的各模块提供低压直流电源；所述光电转换模块将旁路信号转换为电信号，所述功率放大模块的输入端与光电转换模块的输出端连接，所述功率放大模块的输出端与旁路接触器的线圈连接。

3.根据权利要求2所述的单元串联变频器的单元旁路装置，其特征在于：所述旁路接触器为直流接触器。

4.一种单元串联变频器的单元旁路控制方法，其特征在于：包括

当检测到故障功率单元时，封锁所有功率单元的开关管脉冲调制输出，旁路所述故障功率单元；

调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度，使得三相输出线电压平衡。

5.根据权利要求4所述的单元串联变频器的单元旁路控制方法，其特征在于：

所述调整三相输出基波初相角和叠加三次谐波初相角及幅值、调制度包括，

计算得到功率单元旁路后所能取得的调制度的最大值，若故障单元旁路前的电压幅值大于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则旁路后的调制度按最大调制度计算；若故障单元旁路前的电压幅值小于或者等于故障单元旁路后最大调制度对应的电压幅值，则按该电压幅值对应的调制度计算。

6.根据权利要求5所述的单元串联变频器的单元旁路控制方法，其特征在于：所述的调制度值最大值是通过数值计算取局部最优的方法得到。