CN201821274U - 一种功率单元直流电压可调的高压变频器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种功率单元直流电压可调的高压变频器，包括依次连接的三相移相变压器、若干功率单元以及主控制系统；其特征在于：所述功率单元包括与主控制系统连接的、用于控制功率单元内直流母线上的直流电压的功率单元控制器；在主控制系统向功率单元控制器发送的数据中，定义至少一位数据位来表示不同的直流电压给定值；功率单元控制器接收主控制系统发送的数据，判断当前直流电压是否为给定值，并控制功率单元直流母线上的直流电压跟随给定值；主控制系统根据高压变频器输出电压和功率单元直流电压给定值，实时计算当前所需的调节度。本实用新型有效地增强了高压变频器对电网电压波动的适应能力，同时还解决了高压变频器在功率单元旁路后输出额定电压的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种功率单元直流电压可调的高压变频器，其功率单元的直流电压既可以稳定在给定值，也可以在较宽的范围内调节。
背景技术
由于能源价格上涨和节能减排宏观政策的引导，随着电力电子技术的快速发展，多种类型的高压变频器得到了广泛的应用。其中功率单元串联型高压变频器具有输出电压正弦度高、对电网的污染小以及电压应力小等优点，成为目前高压变频器的优选方案。
现有的功率单元串联型高压变频器，其功率单元的整流电路普遍采用二极管整流，在电网电压有波动时整流电路输出的直流电压也会跟着波动。直流电压过低时，高压变频器将无法输出额定电压；直流电压过高时，将会威胁到装置的安全。所以高压变频器都设有保护电路，并对电网电压设定一个保护范围，当电网电压波动超过这个保护范围时，高压变频器的保护电路将会动作，导致系统停机。
另外，为了在功率单元出现故障被旁路后高压变频器仍可以输出额定电压，目前普遍采用的方案有两种：第一，在设计时增加冗余功率单元；第二，采用“中性点位移”技术。然而，增加冗余功率单元就会增大装置的体积，同时也增加了成本；采用“中性点位移”技术，输入功率因数将会下降，中性点电压升高。如果出现故障的功率单元有两个甚至两个以上，那么这两种方法都不能保证高压变频器输出额定电压。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种功率单元直流电压可调的高压变频器，有效地增强了高压变频器对电网电压波动的适应能力，同时还解决了高压变频器在功率单元旁路后输出额定电压的问题。
本实用新型采用以下的技术方案来实现上述目的：本功率单元直流电压可调的高压变频器，包括依次连接的三相移相变压器、若干功率单元以及主控制系统；所述功率单元包括与主控制系统连接的、用于控制功率单元内直流母线上的直流电压的功率单元控制器；在主控制系统向功率单元控制器发送的数据中，定义至少一位数据位来表示不同的直流电压给定值；功率单元控制器接收主控制系统发送的数据，判断当前直流电压是否为给定值，并控制功率单元直流母线上的直流电压跟随给定值；主控制系统根据高压变频器输出电压和直流电压给定值，实时计算当前所需的调节度。
所述功率单元还包括整流电路、支撑电容、逆变电路和旁路接触器；所述功率单元控制器分别与整流电路、支撑电容、逆变电路连接，旁路接触器与逆变电路的输出端并联。
所述整流电路采用IGBT构成的三相桥结构。
所述三相移相变压器的副边设有多个副边绕组，每一副边绕组与一个功率单元的输入端一一对应相连；同相的功率单元输出端串联后与负载相连。
所述功率单元控制器经过光纤与主控制系统连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1、功率单元的直流电压可以在电网电压出现波动时保持相对稳定，降低了电网电压波动对高压变频器的影响，提高了装置的可靠性.
2、功率单元因故障被旁路以后，升高剩余功率单元的直流电压，使得高压变频器仍能够输出额定电压，并且结构上无需增加冗余功率单元，同时确保输出侧三相平衡，输入侧功率因数高。
附图说明
图1为本实用新型所涉及的高压变频器结构图；
图2为本实用新型所涉及的功率单元主电路的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实用新型涉及的高压变频器包括三相移相变压器1、若干功率单元2、主控制系统3和光纤4；如图2所示，所述功率单元2包括：功率单元控制器5、整流电路6、支撑电容7、逆变电路8和旁路接触器9，功率单元控制器5分别与整流电路6、支撑电容7、逆变电路8连接，旁路接触器9与逆变电路8的输出端并联。功率单元的整流电路采用IGBT构成的三相桥结构，输出的直流电压由功率单元控制器调节，直流电压既可以稳定在一个确定的值，也可以在较宽的范围内调节。
三相移相变压器1的原边绕组为高压侧，经过隔离开关或者断路器与电网相连；副边绕组为低压侧，并且分为多个副边绕组，每一副边绕组与一个功率单元2的输入端直接相连。同相的功率单元输出端串联后与负载相连。主控制系统3和每个功率单元控制器5之间通过一对光纤4相连，由光纤传输主控制系统的控制信号和功率单元控制器的反馈信号。
在主控制系统3向功率单元控制器发送的数据当中，定义至少一位数据位表示直流电压给定值；功率单元控制器接收主控制系统发送的数据，判断当前直流电压是否为给定值，并控制整流电路输出的直流电压跟随给定值。该数据位如果定义一位，则有“0”和“1”两种状态，可以表示两个不同的直流电压给定值；如果定义两位，则有“00”、“01”、“10”和“11”四种状态，可以表示四个不同的直流电压给定值；如果定义三位，则有八种状态可以利用；归纳起来，表示直流电压的数位有n位，则可以表示2的n次方种不同的直流电压给定值，在实际应用当中一般将n选为1或者2。
主控制系统根据电网电压的波动和功率单元故障的情况，判断当前的直流电压给定值是否满足需要，如满足则保持上一次的计算值；如不满足则重新计算，再通过光纤把直流电压的给定值发送给功率单元控制器。
功率单元逆变电路输出电压与直流电压的关系可以用下面的公式来表示：
Uco＝M*Udc (1)
公式(1)中，Uco为一个功率单元逆变电路的输出电压；M为直流电压的利用率，也称为调节度，且M＜1；Udc为功率单元的直流电压。
高压变频器的输出电压Uo是功率单元叠加后合成的，可以表示为：
Uo＝N*Uco＝N*M*Udc (2)
公式(2)中，N是一相串联的功率单元的个数，也称为高压变频器的级数。
功率单元控制器采用高性能的控制策略(如矢量控制)对整流电路进行控制，一方面实现直流电压跟随给定值，同时保持功率单元输入侧为单位功率因数。在所有功率单元都正常的情况下，主控制系统发送的数据中关于直流电压给定值的数据位内容一直保持不变。所以即使电网电压出现波动，功率单元的直流电压仍将稳定在给定值。在功率单元出现故障的时候，主控制系统将故障的功率单元和同级的功率单元一起切除，并根据式(2)，用高压变频器的输出电压、允许的最大调节度和剩余功率单元的级数计算功率单元所需的直流电压，如果这个直流电压比当前给定的直流电压小，则无需调整直流电压给定，反之则需要更改给定值，把功率单元的直流电压给定值上升到更高的水平。当直流电压给定值变化之后，主控制系统根据高压变频器输出电压和直流电压给定值，实时计算当前所需的调节度，保证输出电压满足负载的要求。
本实用新型对功率单元直流电压的调整可用额定电压为6kV，额定级数为6级的高压变频器为例来说明：
用两位数据位来表示四种不同的直流电压给定值，分别是“00”、“01”、“10”和“11”，对应的直流电压给定值为850V、900V、950V和1000V。在功率单元正常的情况下，给定直流电压选最低的值850V，即主控制系统发送的表示直流电压给定值的数据为“00”，功率单元控制器接收后，控制整流电路输出的直流电压跟随给定值。所以，即使电网电压有较大的波动，功率单元的直流电压仍将稳定在给定值，不会对输出电压造成影响。一旦功率单元出现故障，主控制系统发出指令，功率单元控制器接收后驱动旁路接触器，将故障的功率单元和同级的功率单元一起切除；同时主控制系统计算当前的直流电压是否满足需要，如果满足则不调整，如果不满足则重新计算合适的直流电压，并发送至功率单元控制器以调整直流电压。当直流电压给定值变化之后，主控制系统根据高压变频器输出电压和直流电压给定值，实时计算当前所需的调节度，保证输出电压满足负载的要求。
所有基于本实用新型，在技术上采用主控制系统计算直流电压给定值、通过光纤传送特定的数据位表示直流电压给定值、功率单元控制器跟随指令控制整流电路输出的直流电压为给定值、主控制系统根据高压变频器输出电压和直流电压给定值实时计算当前所需的调节度的设计均在保护范围之内。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神、实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种功率单元直流电压可调的高压变频器，包括依次连接的三相移相变压器、若干功率单元以及主控制系统；其特征在于：所述功率单元包括与主控制系统连接的、用于控制功率单元内直流母线上的直流电压的功率单元控制器；在主控制系统向功率单元控制器发送的数据中，定义至少一位数据位来表示不同的直流电压给定值；功率单元控制器接收主控制系统发送的数据，判断当前直流电压是否为给定值，并控制功率单元直流母线上的直流电压跟随给定值；主控制系统根据高压变频器输出电压和功率单元直流电压给定值，实时计算当前所需的调节度。
2.根据权利要求1所述的功率单元直流电压可调的高压变频器，其特征在于：所述功率单元还包括整流电路、支撑电容、逆变电路和旁路接触器；所述功率单元控制器分别与整流电路、支撑电容、逆变电路连接，旁路接触器与逆变电路的输出端并联。
3.根据权利要求2所述的功率单元直流电压可调的高压变频器，其特征在于：所述整流电路采用IGBT构成的三相桥结构。
4.根据权利要求1所述的功率单元直流电压可调的高压变频器，其特征在于：所述三相移相变压器的副边设有多个副边绕组，每一副边绕组与一个功率单元的输入端一一对应相连；同相的功率单元输出端串联后与负载相连。
5.根据权利要求1所述的功率单元直流电压可调的高压变频器，其特征在于：所述功率单元控制器经过光纤与主控制系统连接。
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