CN201426094Y - 具有n+1单元冗余结构的高压变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有N+1单元冗余结构的高压变频器，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个功率单元分为三个相线；第一相线、第二相线分别由m+1个功率单元串联构成；第三相线由m个功率单元串联构成；所述第一、第二、第三相线的尾部相互连接在一起，构成中性点；所述第一、第二、第三相线的首部作为变频器的输出端。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N+1单元冗余结构的高压变频器

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。

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N+1单元冗余结构的高压变频器，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个功率单元分为三个相线；第一相线、第二相线分别由m+1个功率单元串联构成；第三相线由m个功率单元串联构成；所述第一、第二、第三相线的尾部相互连接在一起，构成中性点；所述第一、第二、第三相线的首部作为变频器的输出端；

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；在功率单元的输出端设有旁路机构，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。功率单元的输出侧没有旁路机构的，通过控制该功率单元输出零矢量实现单元旁路。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。

在高压变频器处于正常运行状态下，所述3m+2个功率单元全部处于运行状态。

在高压变频器处于正常运行状态下，所述第一相线和第二相线分别有一个功率单元处于旁路状态。

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。

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N+1单元冗余结构的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，现有技术为了在高压变频器上实现N+1单元冗余功能通常是在3m个功率单元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。而本实用新型的实用新型目的就是提供一种解决方案，以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。

为了实现上述设计目的，本实用新型提供了以下几种具体实施例。

实施例一

在本实施例一中，对于所有在高压变频器中正常运行未被旁路退出的功率单元，变频器主控系统是按照电压指令偏移算法控制各功率单元进行输出的。

所述电压指令偏移算法为现有技术，该算法已在中国实用新型专利ZL03155826.7中公开。该算法可以根据高压变频器每相线所串联的功率单元个数不同调整各个功率单元的输出，最终使变频器输出的三相线电压是平衡的，即幅值相同，相位互差120度。由于该算法的具体控制方法已在专利ZL03155826.7中公开，在此就不再对其具体控制过程进行叙述。通过该算法对高压变频器中的功率单元进行输出控制能够保证，在变频器的三相线各串有j个，k个，p个正常输出的功率单元时，不失一般性，假设j≤k≤p，变频器能够输出的最大的平衡的线电压峰值为单个功率单元内直流母线电压的j+k倍。即高压变频器的最大电压输出能力(线电压峰值)是单个功率单元内直流母线电压的j+k倍。所述j+k是其三相线中串联功率单元个数最少的两相线所串联的个数之和。当j＝k＝p＝m时，即对于无单元旁路退出运行的三相线串联功率单元个数均为m的变频器，其最大电压输出能力(线电压峰值)为单个功率单元内直流母线电压的j+k＝2m倍。

基于上述的电压指令偏移算法，本实用新型第一实施例所设计的具有N+1单元冗余结构的高压变频器结构如图3所示。该具有N+1单元冗余结构的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)。所述3m+2个功率单元分为三组，其中两组分别由m+1个功率单元串联而成作为高压变频器的第一和第二相线，由剩下的m个功率单元串联而成作为高压变频器的第三相线。所述第一、第二、第三相线的尾部相互连接在一起，构成中性点，不对外引出。所述第一、第二、第三相线的首部为变频器的输出端，构成变频器的三相输出，连接至负载。

如图2所示，其中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。在其输出侧设有旁路机构能够在该功率单元需要退出运行时，在其输出的两个接点上建立低阻电流通路，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。

另外应当指出，上述多副边绕组变压器在实际应用时，并不应理解为局限于单个多副边绕组变压器的形式。它同样也可以用由原边相互串联或相互并联的能够等效为一个多副边绕组变压器的多个变压器来实现。因此，此处所提多副边绕组变压器，其具体的实现形式并不应作为本实用新型保护范围的限定性因素。

在本实施例中，对于如图3所示结构的高压变频器，在变频器处于正常运行状态时所述的3m+2个功率单元全部投入运行，并采用前述所提的电压指令偏移算法对各个功率单元进行控制。

这样，依前述电压指令偏移算法的控制原理，由于此时第一、第二相线中串联的m+1个功率单元，以及第三相线中串联的m个功率单元全部处于运行状态，因此该状态下变频器的最大电压输出能力(线电压峰值)为单个功率单元内直流母线电压的m+(m+1)＝2m+1倍。而变频器额定电压(线电压峰值)仅为单个功率单元内直流母线电压的2m倍，因此在该状态下变频器能够输出额定电压。

而当该高压变频器中有一个功率单元因故障而被旁路退出运行时，该变频器仍然采用电压指令偏移算法来控制各个功率单元的功率输出。而无论该故障的功率单元是发生在变频器三相线中的哪个相线，依据电压指令偏移算法的控制原理，此时变频器的最大电压输出能力(线电压峰值)为单个功率单元内直流母线电压的m+m或是(m-1)+(m+1)，均为2m倍。因此，该高压变频器仍然能够输出额定电压。

由此可见，实施例一中所设计的高压变频器仅通过3m+2个功率单元即实现了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，降低了实现成本。

实施例二

本实施例所设计的具有N+1单元冗余结构的高压变频器的结构与上述图3所示第一实施例的高压变频器结构基本相同。其区别在于：在变频器处于正常运行状态时所述第一相线和第二相线中各有一个功率单元处于旁路状态或输出零矢量，其他功率单元正常投入运行。

这样在本实施例所设计的高压变频器正常运行时，变频器无需采用前述电压指令偏移算法来控制各个功率单元的功率输出，仅需要采用标准的空间矢量PWM算法即可。而标准的空间矢量PWM算法是一种在现有高压变频器中较为常用的控制算法，因此在此就不再对其作进一步说明。此时，变频器三相线中投入运行的功率单元均为m个。因此，此时变频器的最大电压输出能力(线电压峰值)为单个功率单元内直流母线电压的2m倍，变频器能够输出额定电压。

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

如果该故障功率单元处于第一或第二相线，高压变频器将该故障功率单元所在相线中原被旁路的功率单元投入运行。这样，该高压变频器三个相线中投入运行的功率单元个数仍然保持为各m个。因此，此时变频器的最大电压输出能力(线电压峰值)仍然能保持为单个功率单元内直流母线电压的2m倍，变频器能够输出额定电压。

如果该故障功率单元处于第三相线，高压变频器将所述第一和第二相线中原被旁路的功率单元投入运行；同时，高压变频器采用电压指令偏移算法来控制各个在运行功率单元的功率输出。这时，高压变频器三个相线中投入运行的功率单元个数分别为m+1，m+1，m-1个。由于采用了电压指令偏移算法对各个功率单元进行功率输出控制，根据电压指令偏移算法的控制原理，此时变频器的最大电压输出能力(线电压峰值)为单个功率单元内直流母线电压的2m倍，变频器能够输出额定电压。

由此可见，实施例二中所设计的高压变频器在正常运行时仅需要3m个功率单元投入运行即可满足输出额定电压的需要。而当高压变频器中有一个功率单元因故障而旁路退出运行时，仅需通过上述方法步骤将两个备用的功率单元投入运行，仍然能够保证额定电压的输出。因此，如实施例二结构设计的高压变频器仅通过3m+2个功率单元仍然实现了N+1单元冗余功能，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，降低了实现成本。而该实施例与实施例一相比，该方法在所有功率单元均无故障时，参与输出电压的功率单元数量减少了2个，降低了系统损耗，提高了系统效率。

综上所述，本实用新型所设计的高压变频器只需要3m+2个功率单元就能实现高压变频器的N+1单元冗余功能。这种3m+2个功率单元的结构设计相比现有技术需要3m+3个功率单元来实现这一功能节省了一个功率单元，降低了实现成本。

Claims (4)

1、具有N+1单元冗余结构的高压变频器，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个功率单元分为三个相线；第一相线、第二相线分别由m+1个功率单元串联构成；第三相线由m个功率单元串联构成；所述第一、第二、第三相线的尾部相互连接在一起，构成中性点；所述第一、第二、第三相线的首部作为变频器的输出端；

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。

2、如权利要求1所述的具有N+1单元冗余结构的高压变频器，其特征在于：在高压变频器处于正常运行状态下，所述3m+2个功率单元全部处于运行状态。

3、如权利要求1所述的具有N+1单元冗余结构的高压变频器，其特征在于：在高压变频器处于正常运行状态下，所述第一相线和第二相线分别有一个功率单元处于旁路状态或输出零矢量。

4、如权利要求1所述的具有N+1单元冗余结构的高压变频器，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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