CN109617422A - 四级串联的20mw级10kv高压大功率变频器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器及方法，由4个功率单元柜输入端并联、输出端串联构成；功率单元柜的逆变单元采用IEGT，变频器的输出侧为三相Y接，每个功率单元的额定输出相电压为1700V。当4个功率单元柜中符合旁路使用要求时，进行中性点偏移控制处理，否则直接进行主回路的跳闸处理；当每一相都有一个单元被旁路的工况时，结合调制技术的三次谐波注入控制，保持输出电压和输出功率满足供电需求。针对于四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器，每相的输出相电压留出一定的裕量，采用了单元功率电压裕度和特殊的三次谐波注入技术与中性点偏移技术的结合有效解决了单元旁路故障导致输出电压故障的问题。

Description

四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器及方法

技术领域

本发明涉及高压大功率变频器技术领域，特别涉及一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器及方法。

背景技术

目前在输出高压的变频器拓扑中普遍使用单元级联结构，单级功率单元为低电压逆变结构，输出电压较低，通过串联不同的单元级数，来保证总的输出可以达到较高的电压，6kV或者10kV。此种拓扑结构在功率单元发生故障时，为保证生产运行的连续性，经常采用功率单元旁路。但是单级的功率单元旁路后，会造成有旁路单元的相电压输出低，变频器三相输出电压不平衡。为解决功率单元旁路后输出电压不平衡的问题。常规采取的方法是将其他两相也进行功率单元旁路即同级旁路技术，这样输出电压可以平衡。但是这样非故障相功率单元也被旁路，大大降低了变频器的输出电压和输出功率能力。尤其是高压大功率变频器，器件电压高电流大，单元功率密度大，三相输出都对称的进行单元旁路会对变频器输出能力造成很大的影响。输出电压也不能达到额定值，需要生产单位紧急降负荷。

传统同级旁路控制技术会将输出电压和输出功率降至75％额定值，输出能力会大幅度降低，突然的降负荷还可能造成生产工艺的不稳定。

四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器是一种新型的高压大功率变频器，其逆变单元采用IEGT元件，实现只用四级功率单元即可实现20MW级10KV的高压大功率变频器。

针对于这种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器由于每级的电压等级高，不能直接采用中性点偏移技术，会导致系统电压故障。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器及方法，针对于四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器，每相的输出相电压留出一定的裕量，采用了单元功率电压裕度和特殊的三次谐波注入技术与中性点偏移技术的结合有效解决了单元旁路故障导致输出电压故障的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器，所述的变频器由4个功率单元柜输入端并联、输出端串联构成；所述的功率单元柜的逆变单元采用IEGT，所述的变频器的输出侧为三相Y接，每个功率单元的额定输出相电压为1700V。

一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器的中性点偏移控制方法，包括如下步骤：

步骤一、当所述的4个功率单元柜中出现三种旁路现象时，由控制系统的中央处理器进行中性点偏移计算；

步骤二、除了所述的三种旁路现象之外的旁路现象，不进行中性点偏移计算，由控制系统的中央处理器直接进行主回路的跳闸处理；

步骤三、符合所述的三种旁路现象之外的旁路现象的情况，在控制系统的中央处理器进行中性点偏移计算后，进行中性点偏移控制处理，根据中性点计算的偏移角调整相电压的输出幅值，达到线电压输出幅值满足供电要求；

步骤四、当每一相都有一个单元被旁路的工况时，结合调制技术的三次谐波注入控制，保持输出电压和输出功率满足使用需求。

所述的三种旁路现象包括：

(1)三相Y接结构中，其中一相中仅有一个功率单元被旁路；

(2)三相Y接结构中，其中两相中的每一相分别仅有一个功率单元被旁路；

(3)三相Y接结构中，三相中每一相均仅有一个功率单元被旁路；

所述的三次谐波注入控制具体为：

(1)三次谐波注入生成马鞍形调制波的计算方法基于三相正弦调制波的瞬时值；

(2)每个控制周期都计算比较三相正弦调制波的瞬时值，并取出三相正弦调制波的最大值和最小值；

(3)利用三相正弦调制波的最大值和最小值计算生成附加电压叠加在三相正弦调制波上，进而获得马鞍形调制波，提升直流电压利用率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用了1700V功率单元的额定输出相电压，整体单元功率电压裕度合理设计，使得四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器能够在有一相被旁路时，可以采用中性点偏移技术达到输出电压满足需要；

2)采用旁路判断原则结合中性点偏移控制技术，使得在单个功率单元发生故障时，变频器可以满功率输出，从而不需要用户生产工艺进行任何调节，比如紧急降负荷等措施，从而不但保证了生产工艺的连续性，也保证了生产工艺的稳定性；

3)采用了单元功率电压裕度和中性点偏移控制技术的结合，另外在每一相如果都有一个单元被旁路的工况下，结合调制技术的三次谐波注入控制，将可以保持输出电压和输出功率为额定功率。而传统同级旁路控制技术会将输出电压和输出功率降至75％额定值，输出能力会大幅度降低，突然的降负荷还可能造成生产工艺的不稳定。

4)特殊的三次谐波注入控制，不用像传统三次谐波注入计算方法那样计算每相电压的三次谐波，然后进行叠加。传统三次谐波注入计算方法需要三次谐波和正弦波时间基准要同步，容易有偏差，三相分别计算各相的三次谐波，计算量大，程序实现复杂。本发明的方法中利用三相正弦调制波瞬时值的最大值和最小值计算生成附加电压叠加在三相正弦调制波上，进而获得马鞍形调制波，提升直流电压利用率。通过仿真计算和实际应用该方法都获得了良好的效果。

附图说明

图1是本发明的四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器主回路结构示意图；

图2是四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器正常工作的功率单元拓扑图；

图3是四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器只有一个功率单元被旁路的情况；

图4是四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器每相有一个功率单元被旁路的情况；

图5是本发明的三次谐波注入控制方法的三相正弦调制波图；

图6是本发明的三次谐波注入控制方法的三相正弦调制波的瞬时值的最大值和最小值图；

图7是本发明的三次谐波注入控制方法的叠加计算后的马鞍形调制波图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器，所述的变频器由4个功率单元柜输入端并联、输出端串联构成；所述的功率单元柜的逆变单元采用IEGT，所述的变频器的输出侧为三相Y接，每个功率单元的输出相电压为1700V。

如图2所示，此拓扑为4级功率单元串联输出额定电压10kV的高压大功率变频器。变频器正常工作时，每个功率单元的输出相电压为1700V，4级功率单元串联输出相电压为1700×4＝6800V,线电压为6800×1.732＝11777V完全可以满足额定电压10kV的要求，并且有一定的裕量。

一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器的中性点偏移控制方法，包括如下步骤：

步骤一、当所述的4个功率单元柜中出现以下三种旁路现象时，由控制系统的中央处理器进行中性点偏移计算，所述的三种旁路现象包括：

(1)三相Y接结构中，其中一相中仅有一个功率单元被旁路；

(2)三相Y接结构中，其中两相中的每一相分别仅有一个功率单元被旁路；

(3)三相Y接结构中，三相中每一相均仅有一个功率单元被旁路；

步骤二、除了以上三种旁路现象之外的旁路现象，不进行中性点偏移计算，由控制系统的中央处理器直接进行主回路的跳闸处理；

步骤三、符合以上三种旁路现象之外的旁路现象的情况，在控制系统的中央处理器进行中性点偏移计算后，进行中性点偏移控制处理，根据中性点计算的偏移角调整相电压的输出幅值，达到线电压输出幅值满足使用要求。

当每一相都有一个单元被旁路的工况时，结合调制技术的三次谐波注入控制，保持输出电压和输出功率满足供电需求。

所述的三次谐波注入控制具体为：

(1)三次谐波注入生成马鞍形调制波的计算方法基于三相正弦调制波的瞬时值；见图5的三相正弦调制波图；

(2)每个控制周期都计算比较三相正弦调制波的瞬时值，并取出三相正弦调制波的最大值和最小值；见图5的三相正弦调制波图和图6的三相正弦调制波的瞬时值的最大值和最小值图。

(3)见图7，利用三相正弦调制波的最大值和最小值计算生成附加电压叠加在三相正弦调制波上，进而获得马鞍形调制波，提升直流电压利用率。

本发明特殊的三次谐波注入控制，不用像传统三次谐波注入计算方法那样计算每相电压的三次谐波，然后进行叠加。传统三次谐波注入计算方法需要三次谐波和正弦波时间基准要同步，容易有偏差，三相分别计算各相的三次谐波，计算量大，程序实现复杂。本发明的方法中利用三相正弦调制波瞬时值的最大值和最小值计算生成附加电压叠加在三相正弦调制波上，进而获得马鞍形调制波，提升直流电压利用率。通过仿真计算和实际应用该方法都获得了良好的效果。

以下为本发明中应用中性点偏移技术的具体计算方法：

如图2所示，正常情况下的电压控制算法如下：

本算法适应的高压大功率变频为级联型高压变频器，正常情况下控制输出电压幅值和三个相电压之间的夹角。三个相电压和三个线电压都是三相对称的，三个相电压幅值相等，相电压之间的夹角为120度，此时输出要求满足线电压幅值为10kV，三相对称。

此时变频器控制的相电压也为对称的三相电压，幅值为10000/1.732＝5773V，由说明书中可以看到，变频器输出电压留有一定的裕量，最高输出相电压可以达到6800V，因此可以调节幅值输出，满足线电压10000V的要求。

此时的相电压和线电压矢量图如图1所示。

此时输出相电压V_A＝V_B＝V_C＝5773V输出线电压V_AB＝V_BC＝V_AC＝10000V。

如图3所示，有一相的一个功率单元旁路时的中性点偏移控制算法(以A相为例)

由于变频器控制输出电压的幅值和夹角是直接控制的相电压，所以当A相有一级功率单元被旁路后，A相电压的输出能力降低，无法输出满足要求的电压，此时需要利用中性点偏移控制算法来调整相电压输出幅值和角度，满足线电压对称输出。

1)首先计算A相功率单元被旁路后，线电压V_AB最大能输出值。

当A相有一个功率单元被旁路后，此时的A相电压输出降低为4329V，此时AB相夹角为120度，根据余弦定理，计算V_AB线电压的幅值为8778V。

(V_AB)²＝5773²+4329²-2×5773×4329×COS120°

利用中性点偏移算法，重新平衡线电压的矢量三角形，使三相线电压对称，幅值相等，矢量三角形为等边三角形。

此等边三角形的边长为：(8778+8778+10000)/3＝9185V，即平衡后的输出线电压为91％输出对称线电压。

2)中性点偏移后，被控相电压夹角的计算。

利用余弦定理，先计算θ角，约为104度。

另外两个夹角为度。

以上是以A相中有一个功率单元被旁路为例的算法；当B相或C相中有一个功率单元被旁路时，计算方法与之相同。

如图4所示，当ABC三相都有一个功率单元被旁路的情况

ABC三相都有一个单元被旁路的情况下，三相相电压和三相线电压又重新满足对称条件，相电压和线电压夹角均为120度，为中性点偏移控制算法为特殊情况，只需调节相电压输出幅值。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (4)

1.一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器，其特征在于，所述的变频器由4个功率单元柜输入端并联、输出端串联构成；所述的功率单元柜的逆变单元采用IEGT，所述的变频器的输出侧为三相Y接，每个功率单元的额定输出相电压为1700V。

2.权利要求1所述的一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器的中性点偏移控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、当所述的4个功率单元柜中出现三种旁路现象时，由控制系统的中央处理器进行中性点偏移计算；

步骤二、除了所述的三种旁路现象之外的旁路现象，不进行中性点偏移计算，由控制系统的中央处理器直接进行主回路的跳闸处理；

步骤三、符合所述的三种旁路现象之外的旁路现象的情况，在控制系统的中央处理器进行中性点偏移计算后，进行中性点偏移控制处理，根据中性点计算的偏移角调整相电压的输出幅值，达到线电压输出幅值满足供电要求；

步骤四、当每一相都有一个单元被旁路的工况时，结合调制技术的三次谐波注入控制，保持输出电压和输出功率满足使用需求。

3.根据权利要求2所述的一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器的中性点偏移控制方法，其特征在于，所述的三种旁路现象包括：

(1)三相Y接结构中，其中一相中仅有一个功率单元被旁路；

(2)三相Y接结构中，其中两相中的每一相分别仅有一个功率单元被旁路；

(3)三相Y接结构中，三相中每一相均仅有一个功率单元被旁路。

4.根据权利要求2所述的一种四级串联的20MW级10KV高压大功率变频器的中性点偏移控制方法，其特征在于，所述的三次谐波注入控制具体为：

(1)三次谐波注入生成马鞍形调制波的计算方法基于三相正弦调制波的瞬时值；

(2)每个控制周期都计算比较三相正弦调制波的瞬时值，并取出三相正弦调制波的最大值和最小值；

(3)利用三相正弦调制波的最大值和最小值计算生成附加电压叠加在三相正弦调制波上，进而获得马鞍形调制波，提升直流电压利用率。