开关切换型单元冗余高压变频器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种开关切换型单元冗余高压变频器，其特征在于：由多副边绕组变压器、３ｍ＋１个功率单元和两个开关组构成３ｍ＋１个功率单元中包括一个备用功率单元，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；备用功率单元的一个输出端与第二相线相连；所述第一、第三相线分别与第一、第二开关组相连，并在该两个开关组的控制下选择与所述备用功率单元的第一接点或第二接点相连通；所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元或开关组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＋１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个功率单元节省了两个功率单元，降低了实现成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。同时，还涉及到这种高压变频器的控制方法。属于电力电子

技术介绍
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专利技术专利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。5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+l单元冗余结构。目前，为实现上述N+l单元冗余功能通常的做法是在己有变频器的 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+l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+l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。本专利技术即是针对现有技术中为实现N+l单元冗余功能所需成本过 高的问题，对高压变频器中的N+l单元冗余结构进行了结构设计，使其 实现成本降低。
技术实现思路
本专利技术的专利技术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+l单元冗余结 构的高压变频器及其控制方法。本专利技术的专利技术目的是通过下述技术方案予以实现的 开关切换型单元冗余高压变频器，其特征在于由多副边绕组变压 器、3m+l个功率单元和两个开关组构成；所述3m+l个功率单元中包 括有一个备用功率单元；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濒器的一个相线，分别为第一、第二、第三相线；所述两个开关组分别为第一开关组和第二开关组；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 率单元的输出端分别为正极和负极；所述备用功率单元的一个输出端与第二相线相连；该备用功率单元 与第二相线相连的一端为第一接点，未与第二相线相连的一端为第二接 点；所述备用功率单元的两个输出端均与所述的第一、第二开关组相连； 所述第一、第三相线分别与所述第一、第二开关组相连，并在该两个开 关组的控制下选择与所述备用功率单元的第一接点或第二接点相连通； 所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元或开关组相连的一端构成 变频器的三相输出端。在该高压变频器处于正常运行状态下，所述备用功率单元处于旁 路状态或者输出零矢量，或者所述两个开关组将第一、第三相线与之 相连的一端同时与备用功率单元的第一接点相连通。所述第一、第二开关组分别由两个切换开关组成；所述第一开关组 的两个切换开关一端与所述第一相线的一端相连，另一端分别与所述备 用功率单元的第一接点和第二接点相连；所述第二开关组的两个切换开 关一端与所述第三相线的一端相连，另一端分别与所述备用功率单元的 第一接点和第二接点相连。所述两个开关组分别为一个单刀双掷开关；所述第一开关组的单刀 双掷开关的动触点与所述第一相线的一端相连，两个静触点分别与所述 备用功率单元的第一接点和第二接点相连；所述第二开关组的单刀双掷开关的动触点与所述第三相线的一端相连，两个静触点分别与所述备用 功率单元的第一接点和第二接点相连。所述多副边绕组变压器为单个多副边绕组变压器或是多个原边串联 或并联的变压器构成的变压器组。所述开关组为机械式开关或者电力电子器件。 一种开关切换型单元冗余高压变频器的控制方法，(1) 在该高压变频器处于正常运行状态时，第一、第二开关组同时 与该备用功率单元的第一接点相连通，或者备用功率单元处于旁路状态 或输出零矢量，并且第一、第二开关组与备用功率单元的第一接点或第 二接点相连通或同时与两个接点相连通；(2) 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 器检査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， 则执行步骤(3);如果该故障功率单元处于第二相线，则执行步骤(4); 如果该故障功率单元处于第三相线，则执行步骤(5);(3) 高压变频器控制第一开关组与备用功率单元的第二接点相连通，与备用功率单元的第一接点不连通，控制第二开关组与备用功率单元的第一接点相连通，与备用功率单元的第二接点不连通；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的幅值、频率相同，相位相同或相差180度；(4) 高压变频器控制第一开关组与备用功率单元的第二接点相连 通，与备用功率单元的第一接点不连通，控制第二开关组与备用功率单元的第二接点相连通，与备用功率单元的第一接点不连通；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的幅值、频 率相同，相位相同或相差180度；(5)高压变频器控制第一开关组与备用功率单元的第一接点相连 通，与备用功率单元的第二接点不连通，控制第二开关组与备用功率单 元的第二接点相连通，与备用功率单元的第一接点不连通；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的幅值、频率相同，相位相同或相差180度。所述步骤(3)、 (4)、 (5)中备用功率单元输出电压的相位是相同或 相差180度，依据下述方法控制(A) 如果所述备用功率单元与发生故障的相线的连接端为同极连 接，则相位相差180度；(B) 如果所述备用功率单元与发生故障的相线的连接端为异极连 接，则相位相同。一种开关切换型单元冗余高压变频器的控制方法，(21) 在该高压变频器处于正常运行状态时，备用功率单元处于旁 路状态或输出零矢量，或者第一、第二开关组同时与该备用功率单元的 第一接点相连通；(22) 当有一个在运行功率单元因故障而旁路退本文档来自技高网...

【技术保护点】
开关切换型单元冗余高压变频器，其特征在于：由多副边绕组变压器、３ｍ＋１个功率单元和两个开关组构成；所述３ｍ＋１个功率单元中包括有一个备用功率单元；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；所述两个开关组分别为第一开关组和第二开关组；　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别为正极和负极；　所述备用功率单元 的一个输出端与第二相线相连；该备用功率单元与第二相线相连的一端为第一接点，未与第二相线相连的一端为第二接点；所述备用功率单元的两个输出端均与所述的第一、第二开关组相连；所述第一、第三相线分别与所述第一、第二开关组相连，并在该两个开关组的控制下选择与所述备用功率单元的第一接点或第二接点相连通；所述第一、第二、第三相线未与备用功率单元或开关组相连的一端构成变频器的三相输出端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马永健，
申请(专利权)人：北京利德华福电气技术有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]