CN115296519B - 一种级联型高压变频器旁路处理方法、系统、设备及介质 - Google Patents

一种级联型高压变频器旁路处理方法、系统、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种级联型高压变频器旁路处理方法、系统、设备及介质，其中，所述级联型高压变频器的每个相串联有多个功率单元；所述方法包括：响应于旁路信号向级联型变频器中发生功率单元旁路的相注入多次谐波；所述旁路信号为级联型变频器的功率单元发生故障触发旁路时生成；调整未发生故障的功率单元的电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的多次谐波并调整功率单元的基波输出，使级联型变频器多相输出达到平衡状态。本发明在不增加投资的情况下，在功率单元旁路时可控制变频器输出电压达到输出平衡，甚至实现额定输出的效果。

Description

一种级联型高压变频器旁路处理方法、系统、设备及介质
技术领域
本发明涉及电力电子控制与应用技术领域，尤其涉及一种级联型高压变频器旁路处理方法、系统、设备及计算机可读介质。
背景技术
现阶段，级联型高压变频器以其高-高输出能力、完美无谐波、价格低、维护方便等优势占据了高压变频器的主流机型。级联型高压变频器有三相，每相多个二电平H桥功率单元，利用叠加升压原理，将多个功率单元输出串联起来，形成三相星型高压直接输出驱动电机。为了保证系统的稳定性和可靠性，当级联型高压变频器中的某个功率单元发生故障时，故障功率单元能自动旁路并退出运行，系统对未故障的单元进行输出调整，使三相输出电压重新达到平衡，继续驱动电机运行。
目前，级联型高压变频器在故障功率单元，重新调整三相输出平衡的方案有三种，第一种是同级旁路法，第二种中性点漂移法，第三种是热备用功率单元法。但是，现有的同级旁路法和中性点漂移法在发生功率单元旁路时，都会造成级联型变频器输出电压减小，频率降低的情况。而热备用功率单元法在功率单元旁路时保证变频器的额定输出能力，但要多设计一组功率单元，硬件投资增大。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种级联型高压变频器旁路处理方法，在不增加投资的情况下，在功率单元旁路时可控制变频器输出电压达到输出平衡，甚至实现额定输出的效果。
本发明的目的之二在于提供一种级联型高压变频器旁路处理系统。
本发明的目的之三在于提供一种电子设备。
本发明的目的之四在于提供一种计算机可读存储介质。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种级联型高压变频器旁路处理方法，所述级联型高压变频器的每个相串联有多个功率单元；所述方法包括：
响应于旁路信号向级联型变频器中发生功率单元旁路的相注入多次谐波；所述旁路信号为级联型变频器的功率单元发生故障触发旁路时生成；
调整未发生故障的功率单元的电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的多次谐波并调整功率单元的基波输出，使级联型变频器多相输出达到平衡状态。
进一步地，向发生功率单元旁路的相注入三次谐波，三次谐波叠加后其幅值最大值为该功率单元的基波幅值的六分之一。
进一步地，当级联型变频器的任一相发生T级功率单元旁路时，还包括：
计算旁路最大输出相电压，将旁路最大输出相电压与变频器正常输出相电压进行比对，根据比对结果确定每个相中每个功率单元注入的谐波含量；
其中，旁路相最大输出相电压为
Figure 181191DEST_PATH_IMAGE001
；n为变频器功率单元级数，U为每个功率单元输出电压；变频器正常输出相电压为nU；T为功率单元旁路级数。
进一步地，当旁路最大输出相电压大于等于变频器正常输出相电压时，变频器旁路输出电压为nU，旁路相的其他功率单元注入谐波含量为
Figure 873203DEST_PATH_IMAGE002
；而变频器未旁路输出电压为nU，每个功率单元注入谐波含量为
Figure 141373DEST_PATH_IMAGE003
，同时调整基波输出为
Figure 320551DEST_PATH_IMAGE004
，使变频器三相输出达到平衡状态。
进一步地，当旁路最大输出相电压小于变频器正常输出相电压时，变频器旁路输出电压为
Figure 15974DEST_PATH_IMAGE001
，旁路相的其他功率单元注入谐波含量为
Figure 664125DEST_PATH_IMAGE005
；变频器未旁路输出电压需调整为
Figure 391778DEST_PATH_IMAGE001
，每个功率单元注入谐波含量为
Figure 566407DEST_PATH_IMAGE006
，同时相应地调整基波输出为
Figure 308098DEST_PATH_IMAGE004
，使变频器三相输出达到平衡状态。
进一步地，调整功率单元的基波输出时，需确保未发生旁路的相的相电压输出等于发生旁路的相的相电压输出，使多相线电压平衡。
进一步地，当级联型高压变频器的功率单元级数大于或等于7级时，功率单元发生一级故障旁路后向发生功率单元旁路的相注入三次谐波后，级联型变频器的输出能力达到额定输出。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种级联型高压变频器旁路处理系统，包括旁路检测模块以及谐波注入模块；所述旁路检测模块用于检测级联型变频器的功率单元是否发生故障，并在发生故障并触发旁路时生成旁路信号；所述谐波注入模块则执行如上述的级联型高压变频器旁路处理方法。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的级联型高压变频器旁路处理方法。
本发明的目的之四采用如下技术方案实现：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的级联型高压变频器旁路处理方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
当级联型高压变频器发生功率单元旁路时，向有功率单元旁路的相注入三次谐波，提升未故障单元的电压输出以提高功率单元旁路的相电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的三次谐波并相应减小功率单元的基波输出，控制调整未发生旁路的相相电压输出等于发生旁路的相相电压输出，使得三相相电压输出平衡从而实现三相线电压输出平衡，达到变频器不降压、不降频或者少降压、少降频运行的效果。
附图说明
图1为本发明级联型高压变频器旁路处理方法的流程示意图；
图2为本发明级联型高压变频器的功率单元输出图；
图3为本发明功率单元一级旁路后注入三次谐波方法的输出图；
图4为本发明功率单元旁路后调节电压输出逻辑图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
本实施例提供一种级联型高压变频器旁路处理方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：响应于旁路信号向级联型变频器中发生功率单元旁路的相注入多次谐波；所述旁路信号为级联型变频器的功率单元发生故障触发旁路时生成；
步骤S2：调整未发生故障的功率单元的电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的多次谐波并调整功率单元的基波输出，使级联型变频器多相输出达到平衡状态。其中，调整功率单元的基波输出的原则是需确保未发生旁路的相的相电压输出等于发生旁路的相的相电压输出，从而使多相线电压平衡。
参考图2所示，级联型高压变频器典型特点是具有三相，每相多个二电平H桥功率单元串联起来形成高压星型输出。
所述级联型高压变频器发生故障并触发旁路时生成旁路信号，系统在接收到旁路信号后即可向有功率单元旁路的相注入三次谐波，提升未故障单元的电压输出以提高功率单元旁路的相电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的三次谐波并相应减小功率单元的基波输出，控制调整未发生旁路的相相电压输出等于发生旁路的相相电压输出，实现三相相电压输出平衡从而实现三相线电压输出平衡。
注入三次谐波的三相电压可以表示为：
Figure 302599DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，
Figure 833944DEST_PATH_IMAGE008
为角速度，t为周期，Um为基波幅值，A为三次谐波幅值；
虽然对相电压注入了三次谐波导致变频器输出相电压产生畸变，但线电压为相电压相减消去三次谐波，仍是完美正弦波。三次谐波无法过度注入，通过理论计算，叠加的三次谐波幅值最大值为其基波幅值的六分之一。即每个单元输出能力可以提升至
Figure 738446DEST_PATH_IMAGE010
，变频器整体的电压输出最高可以提升至基波电压的
Figure 41251DEST_PATH_IMAGE012
。
其中，三次谐波注入的幅值确定，是根据以下公式推导获得的：
正常三相对称正弦波电压：
Figure 647682DEST_PATH_IMAGE014
；①
注入三次谐波的电压：
Figure 795766DEST_PATH_IMAGE015
；②
以上公式转化成单项式：
Figure 554775DEST_PATH_IMAGE017
；③
其中，
Figure 949853DEST_PATH_IMAGE019
；④
对③求导:
Figure 918946DEST_PATH_IMAGE021
；⑤
根据三角函数三倍角公式：
Figure 746088DEST_PATH_IMAGE023
；⑥
Figure 749816DEST_PATH_IMAGE025
；⑦
将⑥代入到⑤中，计算得到：
Figure 519058DEST_PATH_IMAGE027
；⑧
再将⑧代入到⑦中，得到：
Figure 709868DEST_PATH_IMAGE029
；⑨
将⑧、⑨代入到③中，得到
Figure 340700DEST_PATH_IMAGE031
；⑩
再对⑩求导：
Figure 933356DEST_PATH_IMAGE033
；⑪
解得：
Figure 891077DEST_PATH_IMAGE035
；⑫
即三次谐波注入的最大幅值为基波幅值的六分之一。
⑫代入④再代入②，得到三次谐波注入的最大电压为：
Figure 506866DEST_PATH_IMAGE037
；⑬
图4为功率单元旁路后调节电压输出逻辑图，设变频器功率单元级数为n，每个功率单元输出电压为U，变频器正常输出相电压为nU。当发生变频器某相功率单元旁路T级后，旁路相的输出基波电压为
Figure 66023DEST_PATH_IMAGE039
，注入六分之一谐波，得到旁路相最大输出相电压为
Figure 903398DEST_PATH_IMAGE041
。将旁路最大输出相电压与变频器正常输出相电压进行比对，根据比对结果调整未发生故障的功率单元的电压输出，确定每个相中每个功率单元注入的谐波含量。具体地：
当旁路最大输出相电压大于等于变频器正常输出相电压nU时，变频器旁路输出电压为nU，旁路相的其他功率单元注入谐波含量为
Figure 624229DEST_PATH_IMAGE002
，变频器未旁路输出电压为nU，每个功率单元注入谐波含量为
Figure 664998DEST_PATH_IMAGE003
，同时相应地调整基波输出为
Figure 762267DEST_PATH_IMAGE004
，变频器三相输出达到新的平衡，实现不降压、不降频运行，此时三次谐波注入含量为其基波的
Figure 719727DEST_PATH_IMAGE043
倍。
当旁路最大输出相电压小于变频器正常输出相电压nU时，变频器旁路输出电压为
Figure 17985DEST_PATH_IMAGE041
，旁路相的其他功率单元注入谐波含量为
Figure 936262DEST_PATH_IMAGE005
，变频器未旁路输出电压需调整为
Figure 758593DEST_PATH_IMAGE041
，每个功率单元注入谐波含量为
Figure 55714DEST_PATH_IMAGE006
，同时相应地调整基波输出为
Figure 118348DEST_PATH_IMAGE004
，变频器三相输出达到新的平衡，实现降压、降频运行，此时三次谐波注入含量为其基波的
Figure 382976DEST_PATH_IMAGE045
倍。
以下以图2、图3为例，对一种典型的10kV、8级功率单元高压变频器为例对本实施例方法进行详细说明。
正常无单元旁路时，变频器三相输出电压为：
Figure 759730DEST_PATH_IMAGE047
；
所得到的线电压为
Figure 301570DEST_PATH_IMAGE048
。
设A相功率单元发生一级故障旁路，如不对电压做任何调整，此时变频器三相输出电压为：
Figure 659739DEST_PATH_IMAGE050
；
很明显，三相输出电压不平衡，必将导致变频器运行出现故障。本实施例采用的方案是向故障单元所在的A相注入三次谐波。A相注入三次谐波后最大输出能力
Figure 287030DEST_PATH_IMAGE052
，按照图2、图3所述方案，每个单元注入谐波含量为
Figure 405158DEST_PATH_IMAGE054
。
为了保证三相平衡，未故障旁路的BC两相必须注入等量的谐波，相当于每个单元必须注入
Figure 722876DEST_PATH_IMAGE056
的谐波，并将基波输出必须下调至
Figure 392892DEST_PATH_IMAGE058
。谐波占比为基波的
Figure 117265DEST_PATH_IMAGE060
，三次谐波未超过基波的六分之一，功率单元对此电压输出水平可以实现。
所以最终得到的三相电压为：
Figure 898139DEST_PATH_IMAGE062
；
需要说明的是，如果B、C相同时发生一级单元故障旁路，B、C相电压也会相应的调整。所得到的线电压仍为
Figure 70364DEST_PATH_IMAGE063
，达到变频器故障前输出水平的100%。变频器实现不降压、不降频运行。
设A相功率单元发生两级故障旁路，本实施例方法采用的方案是相故障单元所在的A相注入三次谐波。A相注入三次谐波后最大输出能力为：
Figure 583385DEST_PATH_IMAGE064
；
按照图2、图3所述方案，每个单元注入谐波含量为
Figure 50181DEST_PATH_IMAGE066
。
变频器未旁路输出电压需调整为7U,每个功率单元注入谐波含量为
Figure 306850DEST_PATH_IMAGE068
，同时相应地调整基波输出为
Figure 333581DEST_PATH_IMAGE070
。得到最终得到的三相电压为：
Figure 79820DEST_PATH_IMAGE072
；
需要说明的是，如果B、C相同时发生两级单元故障旁路，B、C相电压也会相应的调整以保证三相线电压平衡。所得到的线电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，为到变频器故障前输出水平的87.5%。变频器实现降压、降频运行。
可见，本实施例方法向发生功率旁路的级联型变频器注入三次谐波，可提升变频器输出，以实现变频器不降压、不降频或者少降压、少降频运行。尤其是在级联型高压变频器单元级数大于等于7级时，采用本实施例方法能够实现变频器在旁路一级时不降压、不降频运行，极大程度地满足现场工艺工况要求，避免因变频器单元故障导致现场降速减产。
实施例二
本实施例提供一种级联型高压变频器旁路处理系统，其特征在于，包括旁路检测模块以及谐波注入模块；所述旁路检测模块可以是现有的旁路检测器，用于检测级联型变频器的功率单元是否发生故障，并在发生故障并触发旁路时生成旁路信号；所述谐波注入模块则执行如实施例一所述的级联型高压变频器旁路处理方法。
所述谐波注入模块的工作原理为：当级联型高压变频器发生功率单元旁路时，向有功率单元旁路的相注入三次谐波，提升未故障单元的电压输出以提高功率单元旁路的相电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的三次谐波并相应减小功率单元的基波输出，控制调整未发生旁路的相相电压输出等于发生旁路的相相电压输出，实现三相相电压输出平衡从而实现三相线电压输出平衡。
由于注入三次谐波的幅值理论上不能超过基波幅值的六分之一，当旁路相注入三次谐波后电压有效值大于等于正常时输出有效值，此时变频器输出能力能够达到变频器正常运行时水平。其典型特点是功率单元级数大于等于7级时，旁路一级后通过注入三次谐波的方法能使级联型变频器输出能力达到额定输出，实现系统不降压、不降频运行。
由于注入三次谐波的幅值理论上不能超过基波幅值的六分之一，旁路相注入三次谐波后电压有效值小于正常时输出有效值，此时变频器输出能力不能够达到变频器正常运行时水平。其典型特点是功率单元级数小于7级时，旁路后通过注入三次谐波的方法不能使级联型变频器输出能力达到额定输出，系统降压、降频运行。但功率单元级数为5级或6级时，旁路一级后通过注入三次谐波的方法输出能力优于传统方法中的同级旁路法和中性点漂移法。
在一些实施例中，还提供一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中的级联型高压变频器旁路处理方法；另外，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的级联型高压变频器旁路处理方法。
本实施例中的系统、设备及存储介质与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的多个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的系统、设备及存储介质的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种级联型高压变频器旁路处理方法，其特征在于，所述级联型高压变频器的每个相串联有多个功率单元；所述方法包括：
响应于旁路信号向级联型高压变频器中发生功率单元旁路的相注入多次谐波；所述旁路信号为级联型高压变频器的功率单元发生故障触发旁路时生成；
调整未发生故障的功率单元的电压输出，同时向未发生旁路的相注入同等幅值的多次谐波并调整功率单元的基波输出，使级联型高压变频器多相输出达到平衡状态；
其中，当级联型高压变频器的任一相发生T级功率单元旁路时，计算旁路最大输出相电 压，将旁路最大输出相电压与变频器正常输出相电压nU进行比对；当旁路最大输出相电压 大于等于变频器正常输出相电压nU时，变频器旁路输出电压为变频器正常输出相电压nU， 旁路相的其他功率单元注入谐波含量为
Figure 749447DEST_PATH_IMAGE001
；变频器未旁路输出电压为变频器正常输出 相电压nU，每个功率单元注入谐波含量为
Figure 666587DEST_PATH_IMAGE002
，同时调整基波输出为
Figure 446325DEST_PATH_IMAGE003
，使变频器三相输 出达到平衡状态；其中，n为变频器功率单元级数，U为每个功率单元输出电压，T为功率单元 旁路级数。
2.根据权利要求1所述的级联型高压变频器旁路处理方法，其特征在于，向发生功率单元旁路的相注入三次谐波，三次谐波叠加后其幅值最大值为该功率单元的基波幅值的六分之一。
3.根据权利要求2所述的级联型高压变频器旁路处理方法，其特征在于，所述旁路最大 输出相电压为
Figure 841534DEST_PATH_IMAGE004
；n为变频器功率单元级数，U为每个功率单元输出电压；变频器 正常输出相电压为nU；T为功率单元旁路级数。
4.根据权利要求3所述的级联型高压变频器旁路处理方法，其特征在于，当旁路最大输 出相电压小于变频器正常输出相电压nU时，变频器旁路输出电压为
Figure 92124DEST_PATH_IMAGE005
，旁路 相的其他功率单元注入谐波含量为
Figure 914587DEST_PATH_IMAGE006
；变频器未旁路输出电压需调整为
Figure 181620DEST_PATH_IMAGE007
， 每个功率单元注入谐波含量为
Figure 380520DEST_PATH_IMAGE008
，同时相应地调整基波输出为
Figure 252661DEST_PATH_IMAGE009
，使变频器三相输 出达到平衡状态。
5.根据权利要求1所述的级联型高压变频器旁路处理方法，其特征在于，调整功率单元的基波输出时，需确保未发生旁路的相的相电压输出等于发生旁路的相的相电压输出，使多相线电压平衡。
6.根据权利要求2所述的级联型高压变频器旁路处理方法，其特征在于，当级联型高压变频器的功率单元级数大于或等于7级时，功率单元发生一级故障旁路后向发生功率单元旁路的相注入三次谐波后，级联型高压变频器的输出能力达到额定输出。
7.一种级联型高压变频器旁路处理系统，其特征在于，包括旁路检测模块以及谐波注入模块；所述旁路检测模块用于检测级联型高压变频器的功率单元是否发生故障，并在发生故障并触发旁路时生成旁路信号；所述谐波注入模块则执行如权利要求1~6任一所述的级联型高压变频器旁路处理方法。
8.一种电子设备，其特征在于，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1~6任一所述的级联型高压变频器旁路处理方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1~6任一所述的级联型高压变频器旁路处理方法。
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