CN118100676A - 级联式h桥型变流器、旁路控制方法和变流器控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种级联式H桥型变流器、旁路控制方法和变流器控制器。级联式H桥型变流器包括：多个功率单元，每个功率单元包括H桥逆变电路、驱动电路和单元控制器；单元控制器采集并发送相应的功率单元的运行状态参数，以及根据旁路信号驱动H桥逆变电路进行交流旁路；与多个功率单元一一对应的多个旁路单元，旁路电源控制器根据旁路信号控制旁路接触器的导通；变流器控制器根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，依次向单元控制器和相应的旁路电源控制器发出发送旁路信号，以实现出现故障的功率单元的H桥逆变电路的交流旁路。将在线旁路与机械旁路相结合，利于提高级联式H桥型变流器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及变流器旁路技术领域，尤其涉及一种级联式H桥型变流器、旁路控制方法和变流器控制器。
背景技术
高压大功率变流器的使用场合越来越多，在配网和用户新能源并网接入、储能、电能质量治理等方面发挥着越来越大的作用。级联H桥型高压大功率变流器，如SVG(StaticVar Generator，静止无功发生器)、PCS(Power Convert System，储能变流器)等，在中高压电网应用中，随着级联数增多，对其可靠性指标(MTBF，Mean Time Between Failure，平均无故障工作时间)的要求也越来越高。因此，大幅度提高MTBF是每个生产企业不断努力的研究课题。根据可靠性工程理论，可以采用冗余技术提高复杂系统的可靠性，其中，级联H桥型变流器的自动旁路功能是提高系统可靠性的重要途径。旁路功能指的是当设备出现故障后断开故障点而使设备继续正常运行的功能。
相关技术中，级联H桥型变流器的功率单元的旁路方式主要包括以下两种。一是以晶闸管等电力电子器件作为开关的电子式旁路；二是以接触器作为开关的机械式旁路。其中旁路的控制方式一般包括两种。一种是基于单元本身的控制，另一种是总体控制。
电子式旁路一般与功率单元进行模块一体化，以实现模块化生产，维修方便。同时，电子式旁路采用电力电子器件，动作完成时间短，可以有效消除由于功率单元旁路造成的电压波动。然而，电子式旁路一般会受到功率单元本身的控制，如果功率单元损坏严重，那么此旁路可能会失效。
机械式旁路多使用接触器来实现开关功能，功率单元正常工作时，接触器处于分闸状态，当功率单元发生故障时，接触器执行合闸动作，旁路即工作。对于独立控制式的机械式旁路，每个功率单元都有独立的旁路控制电路，这种方式实现起来较为简单。集中控制式的机械式旁路，为总体控制，需要单独的隔离电源，可以不受单元模块影响。但如果旁路供电电源或总体控制板故障，整个功率单元都将失去旁路功能。另外，每个功率单元串联后处于不同电位，要求每个旁路接触器的触点和同一旁路控制板控制的线圈之间保证足够的高压绝缘，此方面高要求的耐压等级，会造成接触器成本上升。
因此，需要一种新的旁路方案，以提高变流器旁路的可靠性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种级联式H桥型变流器、旁路控制方法和变流器控制器，以提高级联式H桥型变流器的可靠性。
本发明提供一种级联式H桥型变流器，包括：多个功率单元，每个功率单元包括H桥逆变电路、驱动电路和单元控制器，多个功率单元的多个H桥逆变电路级联连接，每个功率单元中，单元控制器采集并发送该功率单元的运行状态参数，以及根据旁路信号通过驱动电路驱动H桥逆变电路进行交流旁路；其中，运行状态参数包括H桥逆变电路的功率开关管的状态参数；多个旁路单元，多个旁路单元与多个功率单元一一对应，每个旁路单元包括旁路接触器和旁路电源控制器，旁路电源控制器的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧，旁路接触器连接相应功率单元的H桥逆变电路的交流输出侧，旁路电源控制器根据旁路信号控制旁路接触器导通，实现H桥逆变电路的交流旁路；变流器控制器，用于根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，在确定出现故障时，封锁级联式H桥型变流器的触发脉冲信号，针对出现故障的功率单元，依次向单元控制器和相应的旁路电源控制器发送旁路信号，以实现出现故障的功率单元的交流旁路。
在一实施例中，旁路电源控制器的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧，包括：旁路电源控制器的电源端连接与相应功率单元相邻的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧。
在一实施例中，每相邻的两个功率单元为一组；旁路电源控制器的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧，包括：旁路电源控制器的电源端连接与相应功率单元同组的另一功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧。
在一实施例中，旁路电源控制器包括：DC/DC模块，用于将直流输入侧的电压转换为适用于旁路电源控制器的电压；通信模块，用于接收旁路信号，随后向变流器控制器反馈旁路接触器的通断状态；旁路控制电路，用于根据旁路信号控制旁路接触器导通，并采集旁路接触器的通断状态；变流器控制器还用于，在向旁路电源控制器发出旁路信号之后，接收旁路接触器的通断状态，在旁路接触器仍为分断状态的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
在一实施例中，变流器控制器还用于，在确定出现故障时，判断出现故障的功率单元的数量是否超过数量阈值；在出现故障的功率单元的数量没有超过数量阈值的情况下，针对每个出现故障的功率单元，根据功率开关管的状态参数判断H桥逆变电路的功率开关管是否出现故障；在H桥逆变电路的功率开关管没有出现故障的情况下，向单元控制器发送旁路信号；单元控制器根据旁路信号通过驱动电路驱动H桥逆变电路进行交流旁路，包括：单元控制器根据旁路信号生成旁路驱动信号；驱动电路根据旁路驱动信号，驱动H桥逆变电路的两个桥臂电路的同侧的功率开关管导通。
在一实施例中，变流器控制器还用于，在出现故障的功率单元的数量超过数量阈值的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
在一实施例中，变流器控制器还用于，在H桥逆变电路的功率开关管出现故障的情况下，向旁路电源控制器发送导通信号；旁路电源控制器根据导通信号控制旁路接触器导通，随后向变流器控制器反馈旁路接触器的通断状态；变流器控制器还用于，在向旁路电源控制器发送导通信号之后，接收旁路接触器的通断状态，在旁路接触器仍为分断状态的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
在一实施例中，变流器控制器还用于，在对出现故障的功率单元H桥逆变电路进行交流旁路之后，根据当前剩余的功率单元的数量，重新确定当前剩余的各个功率单元的载波移相角和调制比，随后解锁级联式H桥型变流器的触发脉冲信号。
本发明提供一种旁路控制方法，应用于上述的级联式H桥型变流器，包括：根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，在确定出现故障时，封锁级联式H桥型变流器的触发脉冲信号，并判断出现故障的功率单元的数量是否超过数量阈值；在出现故障的功率单元的数量没有超过数量阈值的情况下，针对每个出现故障的功率单元，根据功率开关管的状态参数判断H桥逆变电路的功率开关管是否出现故障；在H桥逆变电路的功率开关管没有出现故障的情况下，依次向单元控制器和旁路电源控制器发送旁路信号，以控制H桥逆变电路的两个桥臂电路的同侧的功率开关管导通以及控制旁路接触器导通。
在一实施例中，该方法还包括：在H桥逆变电路的功率开关管出现故障的情况下，向旁路电源控制器发送导通信号，以控制旁路接触器导通。本发明提供一种变流器控制器，包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现上述的旁路控制方法的步骤。
本发明提供一种存储介质，用于计算机可读存储，存储介质中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现上述的旁路控制方法的步骤。
在本发明的级联式H桥型变流器中，在每个H桥逆变电路的交流输出侧并联旁路接触器，该旁路接触器从其他功率单元的直流侧取能，提高了级联式H桥型变流器的可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为根据本申请一实施例的级联式H桥型变流器中的H桥逆变电路的级联关系示意图；
图2为根据本申请一实施例的级联式H桥型变流器中的相邻功率单元之间的连接关系示意图；
图3为根据本申请一实施例的旁路电源控制器的结构示意图；
图4为根据本申请一实施例的旁路控制方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
首先对本申请用到的名词进行解释。
H桥(H-Bridge)：因外形与H相似而得名，常用于逆变器(DC-AC转换，即直流变交流)。通过开关的开合，将直流电(来自电池等)逆变为某个频率或可变频率的交流电。工作原理：参考图1，单相桥式逆变电路1的开关VT1、VT4闭合，VT2、VT3断开时，u12＝Ud；开关VT1、VT4断开，VT2、VT3闭合时，u12＝－Ud。当以频率fs交替切换开关VT1、VT4和VT2、VT3时，则在负载上获得交变电压波形(正负交替的方波)，其周期Ts＝1/fs，这样，就将直流电压E变成了交流电压u12。u12含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。H桥逆变(单相)电路开关VT1～VT4，它可以是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)、功率晶体管(Giant Transistor，GTR)、功率场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)、绝缘栅晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)等。
SVG(Static Var Generator，简称为SVG)，静止无功发生器，又称高压动态无功补偿发生装置，或静止同步补偿器，是指利用自由换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG是目前无功功率控制领域内的最佳方案。相对于传统的调相机、电容器电抗器、以晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)为主要代表的传统SVC等方式，SVG有着无可比拟的优势。静止无功发生器是将自换相桥式电路通过电抗器并联或者直接并联到电网上，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿的目的。
PCS(Power Convert System，简称PCS)，储能变流器，可以视为逆变器，也有能量转换的作用。
实施例一
本实施例提供一种级联式H桥型变流器，其中，级联式H桥型变流器中的三相之间的连接关系以及多个功率单元的多个H桥逆变电路c2之间的级联关系可以参考图1。
参考图2，本实施例的级联式H桥型变流器可以包括：多个功率单元1，每个功率单元1包括H桥逆变电路10、驱动电路20和单元控制器30，多个功率单元1的多个H桥逆变电路10级联连接，每个功率单元1中，单元控制器30采集并发送该功率单元的运行状态参数，以及根据旁路信号通过驱动电路20驱动H桥逆变电路10进行交流旁路；其中，运行状态参数包括H桥逆变电路10的功率开关管的状态参数；多个旁路单元，多个旁路单元与多个功率单元一一对应，每个旁路单元包括旁路接触器40和旁路电源控制器50，旁路电源控制器50的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路10的直流输入侧，旁路接触器40连接相应功率单元的H桥逆变电路10的交流输出侧，旁路电源控制器50根据旁路信号控制旁路接触器40导通，实现H桥逆变电路10的交流旁路；变流器控制器(包含在级联式H桥型变流器的控制柜中，图中未示出)，用于根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，在确定出现故障时，封锁级联式H桥型变流器的触发脉冲信号，针对出现故障的功率单元，依次向单元控制器30和相应的旁路电源控制器50发送旁路信号，以实现出现故障的功率单元H桥逆变电路10的交流旁路。
根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，例如，可以根据功率单元H桥逆变电路10的直流侧电压等参数来判断功率单元是否出现故障。当然，也可以采用其他方案进行判断，本申请对具体判断方案不做限定。
在本实施例的级联式H桥型变流器中，每个功率单元对应的旁路单元中的旁路接触器40从其他功率单元的直流侧取能，即使该功率单元中的H桥逆变电路10发生故障，该功率单元对应的旁路单元中的旁路接触器40同样能够正常工作，并将该故障功率单元的H桥逆变电路10旁路掉，以提高级联式H桥型变流器的可靠性。
在一实施方式中，旁路电源控制器50的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路10的直流输入侧，可以包括：旁路电源控制器50的电源端连接与相应功率单元相邻的其他功率单元的H桥逆变电路10的直流输入侧。
在本实施例中，出现故障的功率单元对应的旁路单元中的旁路接触器可以从其他任一功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧取能，从而大大提高了该级联式H桥型变流器的可靠性。
在一实施方式中，参考图2，每相邻的两个功率单元为一组；旁路电源控制器50的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路10的直流输入侧，可以包括：旁路电源控制器50的电源端连接与相应功率单元同组的另一功率单元的H桥逆变电路10的直流输入侧。
在本实施例中，将每相邻的两个功率单元设为一组，同组中的一功率单元对应的旁路单元中的旁路接触器40可以从该组中的另一功率单元的H桥逆变电路10的直流输入侧取能，从而使得电路连接关系简单而清晰，降低维护难度，同时提高了该级联式H桥型变流器的可靠性。
在一实施方式中，参考图3，旁路电源控制器50可以包括：DC/DC模51，用于将直流输入侧的电压转换为适用于旁路电源控制器50的电压；通信模块52，用于接收旁路信号，随后向变流器控制器反馈旁路接触器40的通断状态；旁路控制电路53，用于根据旁路信号控制旁路接触器40导通，并采集旁路接触器40的通断状态；变流器控制器还用于，在向旁路电源控制器50发出旁路信号之后，接收旁路接触器40的通断状态，在旁路接触器40仍为分断状态的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
在本实施方式中，在向旁路电源控制器发出旁路信号之后，通过对旁路接触器的状态进行监测，在旁路接触器旁路失败的情况下，可以直接分断主断路器，使得级联式H桥型变流器停止工作，退出运行，提高旁路的可靠性以及系统整体的安全性。
在一实施方式中，参考图2，以功率单元1为例，H桥逆变电路10可以包括：相互并联的第一桥臂电路、第二桥臂电路和直流支撑电容器C1，第一桥臂电路和第二桥臂电路分别包括串联的上桥臂和下桥臂，第一桥臂电路的上、下桥臂之间的连接部分以及第二桥臂电路的上、下桥臂之间的连接部分组成H桥逆变电路的交流输出侧V1、V2，电容器C1与H桥逆变电路的直流侧电源并联，其中，每个上桥臂或下桥臂包括一个功率开关管以及与功率开关管反向并联的续流二极管。
在本实施方式中，单元控制器30可以从该H桥逆变电路10的直流侧取能，单元控制器30可以通过直流电容取能电路60与H桥逆变电路10的直流侧连接。
在一实施方式中，H桥逆变电路10还可以包括：放电支路，放电支路与电容器C1并联，放电支路包括相互串联的电阻R11、R12。
在本实施方式中，该放电支路可以作为电容器的放电回路。
在一实施方式中，变流器控制器还用于，在确定出现故障时，判断出现故障的功率单元的数量是否超过数量阈值；在出现故障的功率单元的数量没有超过数量阈值的情况下，针对每个出现故障的功率单元，根据功率开关管的状态参数判断H桥逆变电路10的功率开关管是否出现故障；在H桥逆变电路10的功率开关管没有出现故障的情况下，向单元控制器30发送旁路信号；单元控制器30根据旁路信号通过驱动电路20驱动H桥逆变电路10进行交流旁路，可以包括：单元控制器30根据旁路信号生成旁路驱动信号；驱动电路20根据旁路驱动信号，驱动H桥逆变电路10的两个桥臂电路的同侧的功率开关管导通。
例如，参考图2中的功率单元，驱动第一桥臂电路与第二桥臂电路中同处于上桥臂(或下桥臂)的两个功率开关管导通，例如，可以驱动VT1和VT3同时导通，也可以驱动VT2和VT4同时导通，从而驱动H桥逆变电路进行交流旁路。
在一实施方式中，变流器控制器还用于，在出现故障的功率单元的数量超过数量阈值的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
在本实施方式中，在出现故障的功率单元的数量不超过数量阈值(冗余数)的情况下，即使旁路掉出现故障的功率单元，也基本不会影响变流器的正常运行，但是，如果出现故障的功率单元的数量过多，超过数量阈值(冗余数)时，将过多的功率单元旁路掉则会影响变流器的正常工作，在这种情况下可以分开主断路器，令该级联式H桥型变流器停止工作，退出运行。通过本实施方式，有利于整个电力系统和用电负荷的正常运转。
在一实施方式中，变流器控制器还用于，在H桥逆变电路10的功率开关管出现故障的情况下，向旁路电源控制器50发送导通信号；旁路电源控制器50根据导通信号控制旁路接触器40导通，随后向变流器控制器反馈旁路接触器40的通断状态；变流器控制器还用于，在向旁路电源控制器50发送导通信号之后，接收旁路接触器40的通断状态，在旁路接触器40仍为分断状态的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
本实施方式将上述基于功率开关管的在线旁路，与基于旁路接触器的机械旁路相结合，既实现了快速旁路，又提高了级联式H桥型变流器的可靠性。在向旁路电源控制器发出导通信号之后，通过对旁路接触器的状态进行监测，在旁路接触器旁路失败的情况下，可以直接分断主断路器，使得级联式H桥型变流器停止工作，退出运行，提高系统整体的安全性。
在一实施方式中，变流器控制器还用于，在对出现故障功率单元1的H桥逆变电路10进行交流旁路之后，根据当前剩余的功率单元的数量，重新确定当前剩余的各个功率单元的H桥逆变电路10的载波移相角和调制比，随后解锁级联式H桥型变流器的触发脉冲信号。
通过本实施方式，通过重新确定载波移相角和调制比，有利于降低旁路H桥逆变电路后对输出电压的影响，保证正常的输出电压。
在本实施例的级联式H桥型变流器中，在每个H桥逆变电路的交流输出侧并联旁路接触器，该旁路接触器从其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧取能，由同一旁路单元中的旁路电源控制器对该旁路接触器进行单独控制，提高了级联式H桥型变流器的可靠性。在旁路过程中，在H桥逆变电路的功率开关管没有出现故障的情况下，借助该功率开关管实现了在线旁路，有利于缩短旁路过程所消耗的时间，减轻旁路H桥逆变电路所带来的电压波动，利于级联式H桥型变流器的平稳正常工作。
在目前电力电子器件的可靠性和功率单元的可靠性还处于有限水平的情况下，级联式H桥型变流器的上述自动旁路功能是一项切实提高系统可靠性的高级冗余技术，采用这种冗余技术可以使变流器的工作可靠性提高2－3倍。
实施例二
本实施例提供一种旁路控制方法，应用于上述的级联式H桥型变流器，可以包括：
S100：根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，在确定出现故障时，封锁级联式H桥型变流器的触发脉冲信号，并判断出现故障的功率单元的数量是否超过数量阈值。
S300：在出现故障的功率单元的数量没有超过数量阈值的情况下，针对每个出现故障的功率单元，根据功率开关管的状态参数判断H桥逆变电路的功率开关管是否出现故障。
S500：在H桥逆变电路的功率开关管没有出现故障的情况下，依次向单元控制器和旁路电源控制器发送旁路信号，以控制H桥逆变电路的两个桥臂电路的同侧的功率开关管导通以及控制旁路接触器导通。
在一实施方式中，在H桥逆变电路的功率开关管出现故障的情况下，向旁路电源控制器发送导通信号，以控制旁路接触器导通。
利用本实施例的旁路控制方法，将上述基于功率开关管的在线旁路，与基于旁路接触器的机械旁路相结合，充分利用在线旁路的动作完成时间少(十几毫秒至几十毫秒)、旁路造成的电压波动小的优点，以及机械旁路(完成动作需几百毫秒)的简单可靠的优点，实现了级联式H桥型变流器的自动旁路。
实施例三
本实施例提供一种级联式H桥型变流器，通过在每个功率单元的H桥逆变电路的交流输出侧并联旁路接触器，使旁路接触器的电能取自相邻功率单元，解决了故障状态下旁路接触器无法从本功率单元的直流输入侧取能的问题，结合旁路单元对应的控制流程，实现了将在线旁路与离线旁路相结合，实现了级联式H桥型变流器的自动旁路功能，显著提升了级联式H桥型变流器的可靠性。
参考图2，本实施例的级联式H桥型变流器的每个功率单元的交流输出侧并联有一个旁路接触器和一个旁路电源控制器，变流器控制器可以通过控制旁路电源控制器，来控制旁路接触器导通，从而实现自动旁路功能。
以功率单元1为例对功率单元进行说明，参考图2，每个功率单元包括：H桥逆变电路10、驱动电路20和单元控制器30，每个旁路单元包括旁路接触器40和旁路电源控制器50等。
在H桥逆变电路中，直流支撑电容C1可以为无极性金属膜式电容，电容耐压高，膜式电容一般采用并联方式增加容量。支撑电容左侧可以并联超级电容或电池等直流电源，实现有功功率的输入和输出。超级电容器可以通过串并联方式增加容量，但是其两端电压在充放电时变化范围大，需要经过直流变换器接入直流支撑电容，为H桥逆变电路提供稳定的直流输入侧电压。
在H桥逆变电路中，放电电阻可以包括并联在直流支撑电容两端的放电电阻R11和R12，作为变流器停机后直流支撑电容的放电回路。
其中，H桥逆变电路10包括由4个功率开关管和4个二极管构成的H桥逆变拓扑。功率开关管为全控型功率半导体器件，可以包括IGBT、IGCT(Integrated Gate-CommutatedThyristor，集成门极换流晶闸管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)等，本实施例以IGBT为例进行说明。
级联式H桥型变流器每相由多个H桥逆变电路级联而成，实现交流输出电压和系统容量的提升。一般地，对于输出10kV电压等级，H桥逆变电路级联数可以为10～12(三相星接)或18～21(三相角接)，对于输出35kV电压等级，H桥逆变电路级联数可以为36～42(三相星接)或62～72(三相角接)。
其中，单元控制器30采集功率单元的运行状态参数，通过对外通信模块反馈给变流器控制器，并接收变流器控制器的旁路信号。
单元控制器30的数据采集和通信可以通过硬件电路方式实现，例如，采用光纤通信。功率单元的运行状态参数可以包括：直流支撑电容电压、IGBT驱动故障反馈、驱动电源掉电等。单元控制器将上述运行状态参数反馈给变流器控制器，以使得变流器控制器能判断出不同故障类型，并针对不同故障类型进行相应处理。
其中，旁路接触器40可以为单相交流电磁式真空接触器，控制电源为DC直流电源，主触头常开，通电后触头闭合并能够自保持，具备常开和常闭状态信号触点。相同原理，旁路接触器也可以替换为真空断路器等用于旁路的开关器件。需要注意的是，这里所使用的旁路接触器仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
其中，参考图3，旁路电源控制器50可以包括旁路控制电路53、DC/DC模块51和通信模块52组成。
例如，每一相中，功率单元的序号从1开始，每一个奇数序号和后面偶数序号的功率单元组成一对，功率单元对应的旁路单元的取能回路，都引自成对的另一个功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧支撑电容。
例如，参考图2，功率单元1和功率单元2组成一对，旁路电源控制器50中的DC/DC模块51的输入口直流电压取自功率单元2的直流输入侧支撑电容C2。旁路电源控制器50中的旁路控制电路53通过通信模块52接收变流器控制器的旁路信号，然后控制DC/DC模块51输出直流电压，实现对旁路接触器40的合闸控制。旁路接触器40的分合闸位置状态信息通过旁路电源控制器50的旁路控制电路53接入旁路电源控制器50。
本实施例的级联式H桥型变流器，在其中某个功率单元故障需旁路时，针对除功率开关管之外的故障，可以实现一种基于功率开关管(如IGBT器件)的在线旁路。
对于高压级联H桥变流器，a、b、c三相各由一定数量的功率单元级联而成，每个功率单元也称为一个链节单元，功率单元的级联数也称为链节数。
根据本实施例的级联式H桥型变流器，如某个功率单元发生故障(如c2)，只需将该功率单元旁路即可，其他功率单元无需动作。当变流器某相需要旁路的链节数超过允许冗余链节数时，则分开主断路器，各链节单元进行放电，该变流器装置退出运行。当变流器某相需要旁路的链节数没有超过允许冗余链节数时，发生故障的功率单元被旁路后，输出的电压可以由剩余链节单元重新分担。因此，为了不影响变流器的输出端电压，保持输出电压的三相平衡，需要调整脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)的调制比和载波移相角。
在变流器正常运转情况下，冗余链节单元也投入工作，可以降低每个链节单元的电压应力；在某一链节由于发生故障而被旁路后，不影响其他链节的正常工作；且算法简单，可靠性高。
其中，旁路的具体实现过程如下。
旁路单元为整个链节提供保护，当链节正常运行时，H桥逆变电路投入工作，旁路单元退出运行，当链节单元内部出现故障(例如，直流过压、直流欠压、主功率器件开通/关断故障、电源故障等)时，变流器控制器封锁所有链节的触发脉冲信号，同时导通旁路单元，输出电路转移至旁路单元，使故障链节退出运行。其中，旁路单元可以包括旁路接触器和旁路电源控制器。
在故障相链节的故障类型为功率开关管之外的故障时，在线旁路过程可以包括如下过程：首先触发导通VT1和VT3(或VT2和VT4)，以将H桥逆变电路旁路掉，待旁路接触器闭合后，关断VT1和VT3，完成旁路动作，与此同时，变流器控制器调整控制指令，以使故障相输出电压不变，维持输出电压的三相平衡，变流器在线旁路执行过程中仅需要毫秒级的闭锁时间。
其中，变流器控制器调整控制指令的过程包括：更新载波移相角和PWM调制比。
(1)载波移相角的重新计算
变流器每相链节数为N，载波频率为f，采用单极性载波移相方式，正常运行时，各链节单元的载波移相角为：
Aj＝j/(2fN)，其中，j为链节序号，j＝1,2,…N。
为了保证整个变流器中某个链节单元被旁路后，其余链节单元串联后的输出电压仍为正弦波，需对旁路后的正常链节单元的脉冲触发角进行移相。
在第k个链节单元发生故障的情况下，在旁路第k个链节单元后，剩余链节单元的移相角为：
Aj＝j/(2f(N-1))，其中，j＝1,2,…N-1。
(2)调制波幅值的重新计算
以bc相间线电压为例，旁路前其输出电压为：
ui＝m×Uci，ubc＝u1+u2+…+uN
其中，i＝1,2,…N，ui、Uci分别为第i个链节的输出交流电压和其直流电容电压，ubc为旁路前bc相输出线电压，m为调制比，m＝A/Q，A为调制波幅值，Q为载波幅值。
在各链节单元直流电容电压大致相等的情况下，上式可以简化为：ubc＝N×m1×Uc。
当有X个链节单元被旁路时，上式转化为：ubc＝(N-X)×m2×Uc；
若要ubc前后一致，需满足：N×A1×Uc/Q＝(N-X)×A2×Uc/Q；
得到旁路后调制波幅值为：A2＝A1×N/(N-X)。
由此可见，通过改变调制波幅值实现了旁路前后变流器输出电压的恒定。
本实施例还提供一种旁路控制方法，应用于上述的级联式H桥型变流器。如图4所示，本实施例的方法可以包括以下步骤：
(1)变流器控制器从每个链节的单元控制器获取该链节单元的运行状态参数，根据各个链节的运行状态参数判断各个链节是否出现故障，当确定有链节出现故障时，封锁变流器三相所有链节的触发脉冲信号。
(2)变流器控制器根据步骤(1)获得的链节故障类型，判断需要旁路的链节数是否小于等于每相链节的冗余数。若为是，则进一步判断各个故障链节的故障类型是否为功率开关管之外的故障。若仍为是，则控制执行基于功率开关管的在线旁路；若故障类型为其它情况则执行基于旁路接触器等机械开关的离线旁路。
其中，可以通过控制H桥左、右桥臂的同上侧(或下侧)的功率开关管同时导通，来实现在线旁路；同时或随后，还可以直接向故障链节对应的旁路单元的旁路电源控制器发出闭合旁路接触器的旁路信号。
若需要旁路的链节数大于每相链节的冗余数，则直接分开主断路器，该变流器退出运行。
(3)在执行在线旁路时，变流器控制器向故障链节对应的旁路单元的旁路电源控制器发出闭合旁路接触器的指令。旁路电源控制器的控制电源取自除该链节单元之外的其他链节单元的H桥逆变电路的直流输入侧，旁路电源控制器中的旁路控制电路，通过控制DC/DC模块输出直流电压，实现对旁路接触器的合闸控制。旁路接触器的分合闸位置状态信息通过旁路控制电路接入旁路电源控制器，旁路电源控制器再通过通信模块，将旁路接触器的分合闸位置状态信息上传给变流器控制器。
(4)在旁路之后，变流器控制器获取旁路接触器的分合闸位置状态信息，判断是否旁路成功，若为是，则变流器控制器更新各剩余链节的载波移相角和PWM调制比，随后解锁三相所有链节触发脉冲信号，重新启动变流器。若旁路失败，则直接分开主断路器，该变流器退出运行。
本实施例的旁路控制方法，通过判断故障类型、是否功率开关管之外的故障、在线调整控制指令等关键控制流程，实现在线旁路与机械旁路相结合的自动旁路功能。各链节对应的旁路单元的旁路接触器从相邻链节单元的H桥逆变电路的直流输入侧取能，解决了链节单元故障时，旁路接触器无法从对应的链节单元直流输入侧取能的问题。结合在线旁路和机械旁路的优势，既可以实现快速旁路，又提高了旁路的可靠性。通过上述方式，显著提升了级联式H桥型变流器的可靠性指标和自动旁路过程的平稳性。
实施例四
本实施例提供一种变流器控制器，包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现上述的旁路控制方法的步骤。
在一个实施例中，该变流器控制器可以包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(FLASH RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
实施例五
本实施例提供一种存储介质，用于计算机可读存储，存储介质中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现上述的旁路控制方法的步骤。
计算机程序可以采用一个或多个存储介质的任意组合。存储介质可以是可读信号介质或可读存储介质。
可读存储介质例如可以包括电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)可以包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述的任意合适的组合。
可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读计算机程序。这种传播的数据信号可以采用多种形式，例如可以包括电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何存储介质，该存储介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
存储介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，例如可以包括无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序。程序设计语言可以包括面向对象的程序设计语言——例如Java、C++等，还可以包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。计算机程序可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网(例如可以包括局域网或广域网)连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换。
应当理解的是，本说明书中的示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，而不应当理解为对本发明的限制。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (12)
1.一种级联式H桥型变流器，其特征在于，包括：
多个功率单元，每个功率单元包括H桥逆变电路、驱动电路和单元控制器，多个功率单元的多个H桥逆变电路级联连接，每个功率单元中，单元控制器采集并发送该功率单元的运行状态参数，以及根据旁路信号通过驱动电路驱动H桥逆变电路进行交流旁路；其中，所述运行状态参数包括H桥逆变电路的功率开关管的状态参数；
多个旁路单元，所述多个旁路单元与所述多个功率单元一一对应，每个旁路单元包括旁路接触器和旁路电源控制器，旁路电源控制器的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧，旁路接触器连接相应功率单元的H桥逆变电路的交流输出侧，旁路电源控制器根据旁路信号控制旁路接触器导通，实现H桥逆变电路的交流旁路；
变流器控制器，用于根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，在确定出现故障时，封锁所述级联式H桥型变流器的触发脉冲信号，针对出现故障的功率单元，依次向单元控制器和相应的旁路电源控制器发送旁路信号，以实现出现故障的功率单元H桥逆变电路的交流旁路。
2.根据权利要求1所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，旁路电源控制器的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧，包括：
旁路电源控制器的电源端连接与相应功率单元相邻的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧。
3.根据权利要求1所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，每相邻的两个功率单元为一组；
旁路电源控制器的电源端连接除了相应功率单元之外的其他功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧，包括：
旁路电源控制器的电源端连接与相应功率单元同组的另一功率单元的H桥逆变电路的直流输入侧。
4.根据权利要求1所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，所述旁路电源控制器包括：
DC/DC模块，用于将所述直流输入侧的电压转换为适用于所述旁路电源控制器的电压；
通信模块，用于接收旁路信号，随后向所述变流器控制器反馈旁路接触器的通断状态；
旁路控制电路，用于根据旁路信号控制所述旁路接触器导通，并采集旁路接触器的通断状态；
所述变流器控制器还用于，在向旁路电源控制器发出旁路信号之后，接收旁路接触器的通断状态，在所述旁路接触器仍为分断状态的情况下，控制所述级联式H桥型变流器停止工作。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，所述变流器控制器还用于，在确定出现故障时，判断出现故障的功率单元的数量是否超过数量阈值；在出现故障的功率单元的数量没有超过数量阈值的情况下，针对每个出现故障的功率单元，根据功率开关管的状态参数判断H桥逆变电路的功率开关管是否出现故障；在H桥逆变电路的功率开关管没有出现故障的情况下，向单元控制器发送旁路信号；
单元控制器根据旁路信号通过驱动电路驱动H桥逆变电路进行交流旁路，包括：
单元控制器根据旁路信号生成旁路驱动信号；
驱动电路根据旁路驱动信号，驱动H桥逆变电路的两个桥臂电路的同侧的功率开关管导通。
6.根据权利要求5所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，所述变流器控制器还用于，在出现故障的功率单元的数量超过数量阈值的情况下，控制级联式H桥型变流器停止工作。
7.根据权利要求5所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，所述变流器控制器还用于，在H桥逆变电路的功率开关管出现故障的情况下，向旁路电源控制器发送导通信号；
所述旁路电源控制器根据所述导通信号控制所述旁路接触器导通，随后向变流器控制器反馈旁路接触器的通断状态；
所述变流器控制器还用于，在向旁路电源控制器发送导通信号之后，接收旁路接触器的通断状态，在所述旁路接触器仍为分断状态的情况下，控制所述级联式H桥型变流器停止工作。
8.根据权利要求1所述的级联式H桥型变流器，其特征在于，所述变流器控制器还用于，在对出现故障的功率单元H桥逆变电路进行交流旁路之后，根据当前剩余的功率单元的数量，重新确定当前剩余的各个功率单元H桥逆变电路的载波移相角和调制比，随后解锁所述级联式H桥型变流器的触发脉冲信号。
9.一种旁路控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任一项所述的级联式H桥型变流器，包括：
根据每个功率单元的运行状态参数，判断每个功率单元是否出现故障，在确定出现故障时，封锁所述级联式H桥型变流器的触发脉冲信号，并判断出现故障的功率单元的数量是否超过数量阈值；
在出现故障的功率单元的数量没有超过数量阈值的情况下，针对每个出现故障的功率单元，根据功率开关管的状态参数判断H桥逆变电路的功率开关管是否出现故障；
在H桥逆变电路的功率开关管没有出现故障的情况下，依次向单元控制器和旁路电源控制器发送旁路信号，以控制H桥逆变电路的两个桥臂电路的同侧的功率开关管导通以及控制旁路接触器导通。
10.根据权利要求9所述的旁路控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
在H桥逆变电路的功率开关管出现故障的情况下，向旁路电源控制器发送导通信号，以控制旁路接触器导通。
11.一种变流器控制器，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求9或10所述的旁路控制方法的步骤。
12.一种存储介质，用于计算机可读存储，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求9或10所述的旁路控制方法的步骤。
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