CN107317339A - 一种多重冗余配置的电压源型调节装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多重冗余配置的电压源型调节装置，包括储能单元、功率变换单元、滤波隔离单元、固态开关单元和断路器，其中，功率变换单元由四组带反并联二极管的功率半导体器件构成，第一、三功率半导体器件的源极与储能单元的正极连接，第二、四功率半导体器件的漏极与储能单元的负极连接，第一、二交流输出端与滤波隔离单元的原边连接；滤波隔离单元的副边与固态开关单元连接，断路器与固态开关单元并联连接；断路器的一端与电源侧连接，另一端与负荷侧连接；所述固态开关单元包含有功率半导体器件。此种装置既能实现快速补偿，又具备高可靠性。本发明还公开一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法。

Description

一种多重冗余配置的电压源型调节装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换器，特别涉及一种电压源型调节装置，以及此种电压源型调节装置的控制方法。

背景技术

电压源型调节装置串联于电源与负荷之间，正常时，装置处于旁路备用状态，当电源电压出现异常时，可以立即投入运行，输出补偿电压，维持负荷电压处于正常范围，该装置可以在电网短时电压异常的情况下，保证负荷连续运行，避免异常停电。中国专利CN103457283B中介绍了该装置典型的组成及工作原理，电压源型调节装置是通过固态开关进行旁路，原因在于固态开关分断时间很短。

固态开关，国际标准命名为：半导体交流电力控制器(Semiconductor ACPowerController)，属于无触点开关，与机械式有触点开关比较有以下优点：(1)寿命长，机械式分断时起弧、触头磨损，固态开关没有磨损；(2)分合速度快，机械式为4～10工频周波，固态开关<1ms。

固态开关的缺点有：(1)发热：需冷却器或短路开关；(2)无明显断点；由于固态开关主要由晶闸管、IGBT、GTR、MOSFET、GTO等电力电子器件组成，其可靠性不如机械式断路器，表现在其承受过电流能力以及过电压能力均不如机械式断路器。

由于装置串联于电网与负荷之间，因此本身的可靠性非常重要，仅仅依靠固态开关很难保证可靠性，中国专利CN 103457283B中也包含了机械式断路器，但机械式断路器的合闸速度很慢，当固态开关失效后，此时去合机械断路器，机械断路器完全闭合需要几十ms，而有些敏感负荷在5ms的时间内即会停止工作，因此需要同时考虑旁路的速度问题以及可靠性问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种多重冗余配置的电压源型调节装置及其控制方法，其既能实现快速补偿，又具备高可靠性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种多重冗余配置的电压源型调节装置，包括储能单元、功率变换单元、滤波隔离单元、固态开关单元和断路器，其中，功率变换单元由功率半导体器件构成，用于将直流电变换为交流电；功率变换单元的直流端与储能单元的输出侧连接，两个交流输出端与滤波隔离单元的原边连接；滤波隔离单元的副边与固态开关单元连接，断路器与固态开关单元并联连接；断路器的一端与电源侧连接，另一端与负荷侧连接；所述固态开关单元包含有功率半导体器件。

上述功率变换单元由四组带反并联二极管的功率半导体器件构成，第一功率半导体器件与第二功率半导体器件同向串联构成第一桥臂，第三功率半导体器件与第四功率半导体器件同向串联构成第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂同向并联；第一、三功率半导体器件的源极与储能单元的正极连接，第二、四功率半导体器件的漏极与储能单元的负极连接，第一、第二桥臂的中点分别定义为第一、第二交流输出端，第一、二交流输出端与滤波隔离单元的原边连接。

上述功率变换单元中的功率半导体器件采用IGBT。

上述滤波隔离单元包括电阻、电容以及隔离变压器，其中，电阻与电容构成阻容串联连接，隔离变压器的原边分别与第一、二交流输出端连接，隔离变压器的副边与阻容串联连接并联连接。

上述滤波隔离单元包括电阻、电容以及电感，其中，电阻与电容构成阻容串联连接，电感的一端与第一/第二交流输出端连接，另一端与阻容串联连接的一端相连接，阻容串联连接的另一端与第二/第一交流输出端连接。

上述固态开关单元包括第五、第六功率半导体器件和第一、第二二极管，其中，第五功率半导体器件与第一二极管反向并联，第六功率半导体器件与第二二极管反向并联；所述两个并联支路再反向串联连接。

上述固态开关单元中的功率半导体器件采用全控型功率半导体器件。

上述固态开关单元包括反向并联连接的两组半控型功率半导体器件。

上述调节装置还包含快速机械开关，所述快速机械开关与断路器并联连接。

一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，当检测到电源电压下降时，包括如下步骤：

步骤1，分断固态开关单元中的功率半导体器件；

步骤2，功率变换单元中的功率半导体器件开始工作；

步骤3，控制功率变换单元输出电压的幅值与相位，使负荷侧电压维持在正常范围；

步骤4，当检测到电源电压恢复正常时，功率变换单元中的功率半导体器件停止工作，进入闭锁状态；同时开通固态开关单元中的功率半导体器件。

一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，当检测到固态开关单元工作状态异常时，包括如下步骤：

步骤1，关断固态开关单元中的功率半导体器件，同时导通功率变换单元中的第一、三功率半导体器件或同时导通第二、四功率半导体器件；

步骤2，闭合断路器；

步骤3，确认断路器已在合位后，关断功率变换单元中的功率半导体器件。

一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，当检测到固态开关单元以及功率变换单元中的功率半导体器件工作状态均发生异常时，包括如下步骤：

步骤1，同时关断固态开关单元与功率变换单元中的功率半导体器件；

步骤2，闭合所述快速机械开关；

步骤3，闭合断路器。

采用上述方案后，本发明通过多重冗余配置的方式，在保证性能的前提下，仅增加较小成本，极大地提高电压源型调节装置的可靠性。

本发明具有如下有益效果：

(1)采用固态开关单元作为电子旁路开关，可实现快速闭合和分断，当检测到电源侧电压下降后，可在us级时间范围内分开固态开关单元，功率变换单元立即启动，将直流电变换为交流电，补偿负荷侧电压。

(2)本发明中功率变换单元也可通过控制方法的调整实现旁路功能，作为固态开关单元的后备保护，当固态开关单元异常或损坏时，可在us级导通第一、三功率半导体器件或第二、四功率半导体器件，替代固态开关单元工作，切换时间小于1ms，不会影响负荷正常工作。本发明中还配置了快速机械开关，快速机械开关具备快速合闸的能力，可在5ms内实现快速合闸，用于在固态开关单元或功率变换单元均出现异常的情况下，短暂闭合回路，避免负荷失电，最终依靠断路器将设备旁路。快速机械开关与常规断路器不同，原理是基于真空接触器，当收到合闸命令后，通过固态开关驱动放电回路，短时提升真空接触器的驱动功率，实现快速合闸，其合闸速度快，但快速机械开关的其他性能，尤其是可靠性不如断路器。

(3)本发明还配置了断路器，断路器闭合时间在几十ms，可作为固态开关单元、功率变换单元以及快速机械开关的后备保护，可靠性极高，在设备需要检修时，可闭合断路器，保证负荷正常工作。

(4)本发明共包含4种旁路方式包括固态开关单元、功率变换单元、快速机械开关以及断路器；共3种开关，功率半导体器件、快速机械开关以及断路器，3种开关的合闸时间不同，开关原理以及可靠性也不同，通过逻辑上的设计以及开关时序的相互配合，既保证了旁路切换的快速性，又能够极大的提高装置的可靠性，全面保证负荷供电的可靠性。

附图说明

图1是本发明装置的第一实施例电路图；

图2是本发明装置的第二实施例电路图；

图3是本发明中固态开关单元的第一实施例电路图；

图4是本发明中固态开关单元的第二实施例电路图；

图5是本发明装置采用功率变换单元旁路的第一电流回路；

图6是本发明装置采用功率变换单元旁路的第二电流回路。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种多重冗余配置的电压源型调节装置，包括储能单元1、功率变换单元2、滤波隔离单元3、固态开关单元4和断路器6，其中，功率变换单元2由四组带反并联二极管的功率半导体器件构成，第一功率半导体器件S1与第二功率半导体器件S2同向串联构成第一桥臂，第三功率半导体器件S3与第四功率半导体器件S4同向串联构成第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂同向并联；第一、三功率半导体器件的源极与储能单元1的正极连接，第二、四功率半导体器件的漏极与储能单元1的负极连接，第一桥臂中点定义为第一交流输出端，第二桥臂中点定义为第二交流输出端，第一、二交流输出端与滤波隔离单元3的原边连接；滤波隔离单元3的副边与固态开关单元4连接，断路器6与固态开关单元4并联连接；断路器6的一端与电源侧连接，另一端与负荷侧连接。

作为本发明的一种优选实施例，功率变换单元2中的功率半导体器件采用IGBT，四组带反并联二极管的IGBT构成单相全桥变换器，实现功率变换的功能。

如图1所示，是本发明中滤波隔离单元3的第一种实施电路图，包含电阻、电容以及隔离变压器，其中，电阻与电容构成阻容串联连接，隔离变压器的原边分别与前述第一、二交流输出端连接，隔离变压器的副边与阻容串联连接并联连接；采用隔离变压器、电阻以及电容构成滤波隔离回路，其中隔离变压器的漏感可作为滤波支路的滤波电抗器，在起到滤波效果的同时，还能起到隔离升压的作用。

如图2所示，是本发明中滤波隔离单元3的第二种实施电路图，包含电阻、电容以及电感，其中，电阻与电容构成阻容串联连接，电感一端与第一或第二交流输出端连接，另一端与阻容串联连接的其中一端相连接，阻容串联连接的另外一端与第二或第一交流输出端连接；此处滤波隔离单元采用了电力电子常见的LCR二阶滤波器结构。

如图3所示，是本发明中固态开关单元4的第一种实施电路图，包括第五、第六功率半导体器件和第一、第二二极管，其中，第五功率半导体器件与第一二极管反向并联；第六功率半导体器件与第二二极管反向并联；所述两个并联支路再反向串联连接；所述功率半导体器件采用全控型功率半导体器件，具有开通关断能力，具体可以为IGBT。

如图4所示，是本发明中固态开关单元4的第二种实施电路图，包括反向并联连接的两组半控型功率半导体器件，半控型功率半导体器件具体可以采用晶闸管。

在本实施例中，调节装置还可以设置快速机械开关5，所述快速机械开关5与断路器6并联连接，可在5ms内闭合回路，具体可采用真空接触器，合闸时间在3ms内。

基于以上调节装置，本发明还提供一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，包含有如下几种情况下的控制策略：

情况一：当检测到电源电压下降时，包括如下步骤：

步骤1，分断固态开关单元中的功率半导体器件；

步骤2，功率变换单元中的功率半导体器件开始工作；

步骤3，控制功率变换单元输出电压的幅值与相位，使负荷侧电压维持在正常范围；

步骤4，当检测到电源电压恢复正常时，功率变换单元中的功率半导体器件停止工作，进入闭锁状态；同时开通固态开关单元中的功率半导体器件。

上述控制方法为电压源型调节装置正常进入补偿状态的操作流程(定义为操作状态1)，当电压跌落时，固态开关单元闭锁，同时功率变换单元开始工作，补偿负荷侧电压，此时储能单元将为功率变换单元提供所需能量，电压跌落时间通常为秒级，在电网电压恢复正常后，功率变换单元停止工作，固态开关单元重新使设备进入旁路状态，正常操作流程中，均是功率半导体器件起作用，切换速度更快，使整个补偿过程的切换实现平滑过渡。

情况二：当检测到固态开关单元工作状态异常时，包括如下步骤：

步骤1，关断固态开关单元中的功率半导体器件，同时导通功率变换单元中的第一、三功率半导体器件或同时导通第二、四功率半导体器件；

当导通功率变换单元的第一、三功率半导体器件时，电流通路如图5所示；

当导通功率变换单元的第二、四功率半导体器件时，电流通路如图6所示；

步骤2，闭合所述断路器；

步骤3，确认断路器已在合位后，关断功率变换单元中的功率半导体器件。

当检测到固态开关单元工作状态异常时(定义为操作状态2)，实际上考虑固态开关在旁路状态时失效的情况，此时如不加任何控制上的处理，负荷侧会迅速失电，此时去闭合断路器需要几十ms，敏感负荷仍然会失电，本发明采用的方式是首先关断固态开关单元中的IGBT，确保在操作过程中固态开关单元中的IGBT不会遭受二次损坏，然后同时导通功率变换单元中的上管S1、S3或同时导通下管S2、S4，使电流转移到功率变换单元中，充分利用了导通功率变换单元中的IGBT，形成了对固态开关单元的后备保护，在操作状态1中，功率变换单元中的IGBT是实现由直流到交流变换的作用，在未增加成本的前提下，再次利用功率变换单元中的IGBT实现了冗余。

情况三：当检测到固态开关单元以及功率变换单元中的功率半导体器件工作状态均发生异常时，包括如下步骤：

步骤1，同时关断固态开关单元与功率变换单元中的功率半导体器件；

步骤2，闭合所述快速机械开关；

步骤3，闭合断路器。

当检测到固态开关单元以及功率变换单元中的功率半导体器件工作状态均发生异常时(定义为操作状态3)，此时相当于功率半导体器件全损坏的情况，该情况发生时，此时去闭合断路器需要几十ms，敏感负荷仍然会失电，本发明采用的方式是首先关断固态开关单元以及功率变换单元中的IGBT，确保在操作过程中IGBT不会遭受二次损坏，然后闭合快速机械开关，快速机械开关闭合时间通常在3-5ms，可保证负荷不失电，同时闭合断路器，最终电流流过断路器，快速机械开关作为过渡。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：包括储能单元、功率变换单元、滤波隔离单元、固态开关单元和断路器，其中，功率变换单元由功率半导体器件构成，用于将直流电变换为交流电；功率变换单元的直流端与储能单元的输出侧连接，两个交流输出端与滤波隔离单元的原边连接；滤波隔离单元的副边与固态开关单元连接，断路器与固态开关单元并联连接；断路器的一端与电源侧连接，另一端与负荷侧连接；所述固态开关单元包含有功率半导体器件。

2.如权利要求1所述的一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：所述功率变换单元由四组带反并联二极管的功率半导体器件构成，第一功率半导体器件与第二功率半导体器件同向串联构成第一桥臂，第三功率半导体器件与第四功率半导体器件同向串联构成第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂同向并联；第一、三功率半导体器件的源极与储能单元的正极连接，第二、四功率半导体器件的漏极与储能单元的负极连接，第一、第二桥臂的中点分别定义为第一、第二交流输出端，第一、二交流输出端与滤波隔离单元的原边连接。

3.如权利要求1所述的一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：所述滤波隔离单元包括电阻、电容以及隔离变压器，其中，电阻与电容构成阻容串联连接，隔离变压器的原边分别与第一、二交流输出端连接，隔离变压器的副边与阻容串联连接并联连接。

4.如权利要求1所述的一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：所述滤波隔离单元包括电阻、电容以及电感，其中，电阻与电容构成阻容串联连接，电感的一端与第一/第二交流输出端连接，另一端与阻容串联连接的一端相连接，阻容串联连接的另一端与第二/第一交流输出端连接。

5.如权利要求1所述的一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：所述固态开关单元包括第五、第六功率半导体器件和第一、第二二极管，其中，第五功率半导体器件与第一二极管反向并联，第六功率半导体器件与第二二极管反向并联；所述两个并联支路再反向串联连接。

6.如权利要求1所述的一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：所述固态开关单元包括反向并联连接的两组半控型功率半导体器件。

7.如权利要求1所述的一种多重冗余配置的电压源型调节装置，其特征在于：所述调节装置还包含快速机械开关，所述快速机械开关与断路器并联连接。

8.一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，其特征在于：当检测到电源电压下降时，包括如下步骤：

步骤1，分断固态开关单元中的功率半导体器件；

步骤2，功率变换单元中的功率半导体器件开始工作；

步骤3，控制功率变换单元输出电压的幅值与相位，使负荷侧电压维持在正常范围；

步骤4，当检测到电源电压恢复正常时，功率变换单元中的功率半导体器件停止工作，进入闭锁状态；同时开通固态开关单元中的功率半导体器件。

9.一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，其特征在于：当检测到固态开关单元工作状态异常时，包括如下步骤：

步骤1，关断固态开关单元中的功率半导体器件，同时导通功率变换单元中的第一、三功率半导体器件或同时导通第二、四功率半导体器件；

步骤2，闭合断路器；

步骤3，确认断路器已在合位后，关断功率变换单元中的功率半导体器件。

10.一种多重冗余配置的电压源型调节装置的控制方法，其特征在于：当检测到固态开关单元以及功率变换单元中的功率半导体器件工作状态均发生异常时，包括如下步骤：

步骤1，同时关断固态开关单元与功率变换单元中的功率半导体器件；

步骤2，闭合所述快速机械开关；

步骤3，闭合断路器。