CN201426093Y - 具有双备用功率单元的n+1冗余高压变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器，其特征在于：由多副边绕组变压器和3m+2个功率单元构成；所述3m+2个功率单元中包括有两个备用功率单元；剩下3m个功率单元均为分为三组，每组分别由m个功率单元串联构成变频器的一个相线，分别为第一、第二、第三相线；所述两个备用功率单元的一端相互连接在一起，并与所述第一相线的一端相连；该两个备用功率单元的另一端分别于所述第二、第三相线的一端相连；所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元相连的一端构成变频器的三相输出端。该高压变频器仅需要3m+2个功率单元来实现N+1单元冗余功能，相比现有技术需要3m+3个功率单元节省了一个功率单元，降低了实现成本。

Description

具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器

技术领域

本实用新型涉及一种高压变频器，特别是一种能够确保在任意一个功率单元因故障而旁路退出运行的情况下，仍具有额定电压输出能力，即具有“N+1单元冗余”功能的高压变频器。属于电力电子技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，变频器作为电力电子技术发展的产物，在国民经济的各个领域如冶金、石化、自来水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用，特别是，高压大功率变频器的应用日渐广泛。而由功率单元(又称功率模块，如图2所示)串联构成的高压大功率变频器(如图1所示)作为适合中国国情、性能优异的变频器，受到众多变频器生产厂商、科研院所、工程技术人员、用户的青睐。

这种高压变频器结构已经在中国发明专利ZL97100477.3中公开。该高压变频器在电网侧有一个整流变压器，此整流变压器有多个副边绕组，为了抑制对电网的谐波，这些副边绕组常常采用曲折绕法，达到移相的效果，分别给各个串联的功率单元供电。每个功率单元为3相输入、单相输出的电压源型变频器。

在电路原理上，此整流变压器起到了隔离的作用，使各功率单元相互之间在输入侧隔离，这样，由于功率单元的逆变桥在输出侧相互串联，功率单元的整体电位(电势)就会逐级提高。

在每个功率单元中，设有旁路电路，能够在功率单元需要退出运行时在其输出侧的2个接点间建立低阻电流通路，使得该功率单元退出运行后，整机仍能工作。功率单元的输出侧没有旁路机构的，可以通过控制该功率单元输出零矢量实现单元旁路。所谓“零矢量”是指功率单元通过控制其内部的电力电子开关的状态，使其两个输出端之间输出零电压，即为低阻抗短路状态。

当有功率单元因故障而旁路退出运行时，变频器的电压输出能力必然有所降低，无法输出其额定输出电压，必然会影响负载的正常运行。因此，为了避免这种因个别功率单元故障影响负载的正常运行的情况发生，有必要对高压变频器进行故障冗余设计。这种为了确保高压变频器在任意一个功率单元因故障而旁路退出运行的情况下，仍具有额定电压输出能力的冗余结构称为N+1单元冗余结构。

目前，为实现上述N+1单元冗余功能通常的做法是在已有变频器的基础上增加一级共三个功率单元。即由原先的m级共3m个功率单元增加到m+1级共3m+3个功率单元，整流变压器相应增加三组副边绕组。这种做法虽然能够实现N+1单元冗余功能，但需要增加三个功率单元及三组副边绕组，可见其所需增加的成本也较高。

本实用新型即是针对现有技术中为实现N+1单元冗余功能所需成本过高的问题，对高压变频器中的N+1单元冗余结构进行了结构设计，使其实现成本降低。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的在于解决现有技术中为实现N+1单元冗余功能所需成本过高的问题，提供一种实现成本更为低廉的具有N+1单元冗余结构的高压变频器。

本实用新型的实用新型目的是通过下述技术方案予以实现的：

具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器，其特征在于：由多副边绕组变压器和3m+2个功率单元构成；所述3m+2个功率单元中包括有两个备用功率单元；剩下3m个功率单元均分为三组，每组分别由m个功率单元串联构成变频器的一个相线，分别为第一、第二、第三相线；所述两个备用功率单元的一端相互连接在一起，并与所述第一相线的一端相连；该两个备用功率单元的另一端分别于所述第二、第三相线的一端相连；所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元相连的一端构成变频器的三相输出端；

所述功率单元为一个三相输入、单相输出的变频器；各个功率单元的输入端分别与所述多副边绕组变压器中的一个副边绕组相连；所述功率单元的输出端分为正极和负极。

在该高压变频器处于正常运行状态时，所述两个备用功率单元处于旁路状态或输出零矢量。

所述多副边绕组变压器为单个多副边绕组变压器或是由多个变压器在原边侧相互串联或并联构成的等效多副边绕组变压器。

本实用新型的有益效果是：该高压变频器仅需要3m+2个功率单元来实现N+1单元冗余功能，相比现有技术需要3m+3个功率单元节省了一个功率单元，降低了实现成本。同时，该两个备用功率单元在变频器正常工作时处于旁路状态并不投入工作，只有在有在运行功率单元发生故障时才投入运行，因此降低了系统损耗，提高了系统效率。

附图说明

图1为现有高压变频器的结构示意图；

图2为典型功率单元结构示意图；

图3为具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步描述。

如前所述，现有的高压变频器的结构通常如图1所示，由多副边绕组变压器和三个功率单元串联组构成。其中，每个功率单元为3相输入、单相输出的电压源型变频器。每个功率单元的输入端分别与所述多副边绕组变压器中的一个副边绕组相连。在同一串联组的功率单元相互串联，以提高输出电压。三个串联组共同构成该高压变频器的三相输出端，连接至负载。为了达到三相输出平衡，该高压变频器的最精简的实现形式就是三个串联组所串联的功率单元的个数相等。即高压变频器中包括有3m个功率单元，每个相线中分别串联有m个功率单元，其中m为正整数。这一结构也是现有高压变频器的典型结构。

本实用新型的实用新型目的即是在上述最精简的高压变频器基础上增加冗余结构，使其在能够实现N+1单元冗余功能的同时，又尽量降低实现成本。因此，这里所设计的冗余结构应该是能使高压变频器中任一相线中出现功率单元因故障而旁路退出运行的情况时，可以根据控制补偿该故障相线，使得三相线可以恢复为均等数量的在运行功率单元或是等效为均等数量的在运行功率单元。

本实用新型即是基于这一设计思想设计该冗余结构。如图3所示，该具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器由多副边绕组变压器和3m+2个功率单元构成(m为正整数)。其中，3m+2个功率单元中包括有两个备用功率单元。3m个功率单元均分为三组，每组分别由m个功率单元串联构成变频器的一个相线。两个备用功率单元的一端相互连接在一起，并与变频器的第一相线的一端相连。两个备用功率单元的另一端分别于第二、第三相线的一端相连。所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元相连的一端构成变频器的三相输出端，连接至负载。

图2给出所述功率单元的一种典型结构，两电平H桥结构功率单元的结构图。高压变频器中的每个功率单元为一个三相输入、单相输出的变频器。其输入端分别与所述多副边绕组变压器中的一个副边绕组相连。每个功率单元的输出端有两个接点，分别正向输出端和负向输出端。不失一般性，在图2中分别用U、V标记功率单元的正向输出端和负向输出端。在功率单元输出端设有旁路机构能够在该功率单元需要退出运行时，在其输出端的两个接点U和V之间建立低阻电流通路，使该功率单元被旁路掉退出运行。对于没有旁路机构的功率单元，可以通过控制其输出零矢量实现旁路功能。因此，本实用新型所述“处于旁路状态”可以是旁路电路导通，也可以是功率单元输出零矢量。

在该高压变频器处于正常运行状态时，所述两个备用功率单元处于旁路状态或输出零矢量。这样，变频器处于正常运行状态时，其三个相线中分别有m个功率单元处于运行状态，即按照前述最精简的高压变频器运行方式在运行。

当有一个在运行功率单元因故障而旁路退出运行时，高压变频器检查该故障功率单元所处位置。

如果该故障功率单元处于第一相线，高压变频器控制所述两个备用功率单元投入运行；每个备用功率单元的输出电压与原应由所述故障功率单元输出的电压基波幅值、频率相同，相位相同或相差180度。此时，在两个备用功率单元未相互连接的一端，由于输出电压基波电位相同，因此可以视为变频器三相线间的中性点。以此中性点为基准，有故障功率单元的相输出的相电压，包含两个备用功率单元输出的电压，仍为m个功率单元输出电压之和，变频器各相的相电压与故障前相同，因此，变频器整体输出电压与故障前相同。

如果该故障功率单元处于第二相线或第三相线，高压变频器控制与该故障功率单元所在相线相连的备用功率单元投入运行；该备用功率单元的输出电压与原应由所述故障功率单元输出的电压基波幅值、频率相同，相位相同或相差180度。此时，该发生故障的相线中有m-1个原功率单元和一个备用功率单元在线运行，因此变频器整体输出电压与故障前相同。

这里，所述第一、第二、第三相线并非特指高压变频器中的某一特定相线，而是与前述高压变频器的结构描述相一致的表述。其中，第一相线是指同时与两个备用功率单元相连的相线，而第二、第三相线是指只与一个备用功率单元相连接的相线。因此，此处这样的表述并不失其一般性。

综上所述，如图3所示本实用新型所设计的具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器在上述冗余控制方法的控制下，可以满足在任意一个功率单元因故障而旁路退出运行的情况下，变频器仍具有额定电压输出能力的N+1单元冗余功能。这相比现有技术需要3m+3个功率单元来实现这一功能节省了一个功率单元和1组变压器副边绕组，降低了实现成本。同时，由于本实用新型所设计的两个备用功率单元在变频器正常工作时处于旁路状态并不投入工作，只有在有在运行功率单元发生故障时才投入运行，因此降低了系统损耗，提高了系统效率。

Claims (3)

1、具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器，其特征在于：由多副边绕组变压器和3m+2个功率单元构成；所述3m+2个功率单元中包括有两个备用功率单元；剩下3m个功率单元均分为三组，每组分别由m个功率单元串联构成变频器的一个相线，分别为第一、第二、第三相线；所述两个备用功率单元的一端相互连接在一起，并与所述第一相线的一端相连；该两个备用功率单元的另一端分别于所述第二、第三相线的一端相连；所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元相连的一端构成变频器的三相输出端；

所述功率单元为一个三相输入、单相输出的变频器；各个功率单元的输入端分别与所述多副边绕组变压器中的一个副边绕组相连；所述功率单元的输出端分为正极和负极。

2、如权利要求1所述的具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器，其特征在于：在该高压变频器处于正常运行状态时，所述两个备用功率单元处于旁路状态或输出零矢量。

3、如权利要求1所述的具有双备用功率单元的N+1冗余高压变频器，其特征在于：所述多副边绕组变压器为单个多副边绕组变压器或是由多个变压器在原边侧相互串联或并联构成的等效多副边绕组变压器。

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