专利名称：故障情况下用于实现带有分布储能器的多相变流器的冗余工作模式的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种在相位模块一个阀臂的至少 一个子系统发生故障的情 况下对变流器进行控制的方法，其中，所述变流器具有至少两个相位模块， 所述相位模块均具有一个上阀臂和一个下阀臂，所述上阀臂和下阀臂均具有 至少三个彼此串联的两极子系统。
背景技术：
DE 101 03 031 Al中公开过这种类型的变流电路，图l详细显示的是这 种变流电路的等效电路图。如这个等效电路图所示，这种已知的变流电路具 有三个都用IOO表示的相位模块。这些相位模块100的直流电压端分别与正 极直流电压母线P。和负极直流电压母线N。导电相连。这两根直流电压母线 P。和N。之间存在一个未详细标注的直流电压。构成多相变流器一个桥接旁路 的每个相位模块100均具有上部桥接旁路和下部桥接旁路，因为这些桥接旁 路分别表示带有复数个分布储能器的多相变流器的 一个变流阀，下文中将这 些桥接旁路称为阀臂T1、 T3、 T5和T2、 T4、 T6。这些阀臂Tl-T6中的任何 一个都具有一定数量的彼此导电串联的两极子系统10。这个等效电路图示出 了其中四个子系统IO。每个相位模块100的两个阀臂Tl和T2、 T3和T4、 T5和T6之间的连接点都构成这个相位模块100的交流电压端接点Ll、 L2、 L3。由于这个示意图中的变流电路具有三个相位模块100，因而可在这些相 位模块的交流电压端接点Ll、 L2和L3 (又称"负载端子")上连接三相负载，例如三相电动机。图2对两极子系统10的已知实施方式的等效电路图进行了详细图示。图3所示的电路布置图是一种就功能而言完全等效的实施方案，同样也是DE 101 03 031 Al中所公开的实施方案。这种已知的两极子系统IO具有两个可 断开半导体开关l和3、两个二极管2和4以及一个单极储能电容器9。两 个可断开半导体开关1和3彼此导电串联，这一串联连接又与储能电容器9 导电并联。每个可断开半导体开关1和3分别与两个二极管2和4中的一个 导电并联，且其连接方式使得二极管与对应的可断开半导体开关1或3反向 并联。子系统10的单极储能电容器9或者由一个电容器构成，或者由包括 多个这种电容器的一个总电容为C。的电容器组构成。可断开半导体开关1的 发射极与二极管2的正极之间的连接点构成子系统10的接线端子XI。两个 可断开半导体开关1和3之间的连接点与两个二极管2和4之间的连接点构 成子系统10的第二接线端子X2 。在图3所示的子系统10的实施方式中，这个连接点构成第一接线端子 XI。可断开半导体开关1的集电极与二极管2的阴极之间的连接点构成子系 统10的第二接线端子X2。在附图所示的子系统10的两种实施方式中，可断开半导体开关1和3 用的是如图2和图3所示的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。也可使用MOS场效 应晶体管(也称为"MOSFET")。此外，还可使用栅极可关断晶闸管(又称"GTO 晶闸管")或集成^^及换流晶闸管(IGCT)。根据DE 101 03 031 Al所述，可将图1所示的变流电路的任何一个相 位模块100的子系统IO控制在操作状态I 、 n和m。当处于操作状态I时， 可断开半导体开关1导通，可断开半导体开关3断开。子系统10的接线端 子XI和X2上产生的端电压Um等于零。当处于操作状态II时，可断开半导 体开关1断开，可断开半导体开关3导通。在此操作状态II下，所呈现的端 电压U^等于储能电容器9上的电容器电压Ue。当处于操作状态III时，两个可断开半导体开关1和3均断开，储能电容器9上的电容器电压Ue恒定不变。 为能使图1所示的带有分布储能器9的变流器以冗余方式工作，必须确保子系统10在发生故障的情况下，其接线端子XI和X2保持持续短接的状 态。也就是说，无论流过接线端子X1和X2的电流方向如何，故障子系统IO的端电压Um均为零。当子系统10中的一个可断开半导体开关1或3或者相应的控制电路发 生故障时，这个子系统10将无法正常工作。此外，当半导体开关的相关控 制电路、控制电路的供电装置、通讯系统和测量值记录装置发生故障时，也 会使子系统10出现功能失常现象。也就是说，无法将子系统10转换到预期的操作状态i、 n或ni。子系统io的接线端子xi和X2短接，意味着没有能量输送给这个子系统10。通过这一措施可在变换器的进一步工作过程中可靠地排除发生后续损害(例如过热和火灾)的可能性。故障子系统io的接线端子XI和X2之间的这种短接式导电连接至少须能安全可靠地承载故障子系统10所在的相位模块100中阀臂Tl.....T6的工作电流，且不发生过热。内部文件号为2005P12103 DE的在先国家专利申请中/^开了一种如何安 全可靠地将故障子系统10短接从而使这种带有分布储能器的已知变流器以 冗余方式继续进行工作的方法。下述说明基于如下假定所有子系统10的储能电容器9的电压仏都相 同。在工作过程中初步实现和保持这一状态的方法同样可从DE 101 G3 Q31 Al 获知。图4显示的是相位模块100的端子L与所选基准接地电位N之间的电 位差l^相对于时间t的曲线图。图5显示的是端子P与负载端子L之间的 电位差UpL相对于时间t的曲线图。这两条电位曲线1^和IW按照子系统10 的储能电容器9的电压Ue归一化。如这两条归一化电位曲线U^/lUt)和 U孔/Uc(t)所示，在时间点t2、 t3、 t4和t5及t7、 t8、 t9和t10上，阀臂 T2及T1的四个子系统10中分别有一个子系统IO被导通和断开以及被断开 和导通。此处的导通相当于从操作状态I转换到操作状态II 。断开相当于从操作状态II转换到操作状态I 。这两个曲线图分别显示了归一化电位曲线lWUc(t)和UpjUc(t)的一个周期Tp。在对称的三相电压系统中，带有分布储 能器9的多相变流器的相位模块100的输出电压IU中的相应谐波分量或直 流电压分量会消失在任意两个相移输出电压UUN、 IU或U固的差分电压中。 从这两条归一化电位曲线U^/lUt)和Upl/Uc(t)中还可看出，每个时间点上的 归一化电位的总和均为四。也就是说，直流电压母线P。和N。之间的直流电压总是等于处于操作状态n的子系统io的恒定数量与电容器9上的电容器电压U。的乘积。在所示实施例中，这个数量相当于图l所示的变流器布置在阀 臂T1.....T6中的子系统10的数量。举例而言，在时间点tO和tl上，阀臂Ti的四个子系统io都处于操作状态n (uX21=uc)，属于同一相位模块的另一阀臂T2的四个子系统IO都处于操作状态I (UX21=0)。在时间点t2、 t3、 t4和t5上，阀臂T1中分别有一个子模块IO从操作状态II转换到操作 状态I，与此同时，阀臂T2中分别有一个子模块10从操作状态I转换到操作状态n。在此情况下，如果图i所示的多相变流器的相位模块ioo的阀臂Tl、 T2或T3、 T4或T5、 T6中的某个子系统10因故障而失灵，那么这个带 有分布储能器9的多相变流器的三个输出电压IU、 U，或Uun中的至少一个 就会具有谐波分量和/或直流电压分量，这些谐波分量和/或直流电压分量可 能会使图1所示的变流器断路。发明内容因此，本发明的目的是提供一种控制方法，通过这种控制方法即使在带 有分布储能器的变流器的相位模块的至少一个子系统发生故障的情况下也 能保持对称条件。根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的特征而达成。 因此，根据本发明的方法，在故障情况下，通过在带有分布储能器的多 相变流器的无故障相位模块中，分别对与子系统发生故障的阀臂相对应的阀臂的一个子系统进行控制，使得这些子系统的端电压等于零，就可使带有分 布储能器的变流器的所有输出电压都相等，这些输出电压的差分电压就不再 具有可以被三整除的谐波分量和直流电压分量。所述方法的 一种有利方案是对故障相位模块中与故障阀臂相对应的阀 臂的一个子系统进行控制，使得这个子系统的端电压等于这个子系统的电容 器电压。借此可重新使故障相位模块的输出电压以这个梯形输出电压的基波 的中间值为对称轴呈对称分布。在无故障相位模块中采取相应的处理方式， 从而使带有分布储能器的三相变流器的三个输出电压重新构成一个对称的 三相电压系统。此外，中间电路电压值与无故障情况下的中间电路电压值相 符，这使得子系统的可断开半导体开关承载的电压也与无故障情况下承载的 电压相符。所述方法的另一种有利方案是，用于控制带有分布储能器的多相变流器 的相位模块的阀臂的子系统的控制信号的切换时间点在时间上存在偏移量。 用于控制每个相位模块的子系统的控制信号之间的这种时间偏移量，可在故 障情况下近似地保持相输出电压的基波的未受干扰的幅值曲线。通过本发明的这种控制方法在故障情况下也能保持带有分布储能器的 多相变流器的相位模块的输出电压。借此可实现变流器的冗余工作模式。与 这个带有分布储能器的多相变流器相连的多相负载并不能识别出这个多相 变流器的相位模块的阀臂中是否有或者有多少子系统发生了故障。唯一能引 起注意的一点是这个多相输出电压系统在相同的工作点上幅值有所减小，其 他方面与未故障工作点之间不存在任何区别。
下面借助附图所示的多个实施例对本发明的控制带有分布储能器的多相变流器的方法作进一步说明，其中图i为带有分布储能器的已知变流电路的等效电路图；图2为已知子系统的第一实施方式的等效电路图； 图3为已知子系统的第二实施方式的等效电路图；图4和图5分别为图l所示的变流器的相位模块的两个阀臂上的归一化 电位曲线与时间t之间的曲线图；图6和图7为图1所示的变流器的下阀臂中的一个子系统发生故障时图 4和图5所示的电位曲线与时间t之间的曲线图；图8和图9为图1所示的变流器的上阀臂中的一个子系统发生故障时图 4和图5所示的电位曲线与时间t之间的曲线图；图IO和图11为图6和图7所示的电位曲线与时间t之间的曲线图，其 中，控制信号的切换时间点之间存在时间偏移量；以及图12和图13为图8和图9所示的电位曲线与时间t之间的曲线图，其 中，控制信号的切换时间点之间存在时间偏移量。
具体实施方式
现在假定，图1所示的带有分布储能器9的变流器的相位模块100的阔 臂T2中的一个子系统10因故障而发生了安全短路。在图1所示的等效电路 图中，这个故障子系统IO用阴影线表示。这样就只能用三个子系统10来生 成归一化输出电位lU/Uc(t)的时间特性曲线，^f旦依然可用四个子系统10来生成归一化电位Upu的时间特性曲线。这意"^未着，电位曲线UUc;(t)比图4所示的电位曲线少一个电位级。也就是说，这个电位曲线U，/lUt)符合图6 所示的电位曲线IU/Ujt)。电位曲线Upu/lUt)并未受到阀臂T2的故障子系 统10的影响，因此，这个电位曲线Upu/UJt)仍与图5所示的电位曲线Ua/Uc(t) 相符。在此情况下，在两个时间单位t6 t5和t7 t6内，故障相位模 块100中直流电压母线P。和N。之间的直流电压等于3 Uc，而无故障相位冲莫 块100中的直流电压等于4 Ik由于使用了直流电压母线P。和N。之间的直 流电压，因此，在故障相位模块100中流动的阀电流会增大，这会使故障相位模块100中的每个子系统10的组件都承受额外负荷。当这个阀电流超过 这个相位模块100的子系统10的组件的允许电流值时，带有分布储能器9 的多相变流器就会受过电流的影响而断路。为避免这种情况，可用本发明的方法对带有分布储能器9的多相变流器 进行控制。为此，首先需要确定相位模块100中哪个阀臂Tl、 T2; T3、 T4 或T5、 T6具有故障子系统10。这种子系统10可能出现在阀臂T2、 T4、 T6 或阀臂T1、 T3、 T5中。当故障子系统10出现在阀臂T2、 T4或T6中时，相 应的电位曲线LU/lUt)、 U/Ue(t)或U』/Ujt)就会符合图6所示的曲线。 当故障子系统IO出现在阀臂T1、T3或T5中时，电位曲线Upu/lUt)、Upu/Uc(t) 或U^/lUt)就会对应于图9中相应方式所示的曲线。确定哪个阀臂T1.....T6的子系统IO发生故障后，就在与这个故障阀臂T2或T1 (举例而言)对应的阀臂T4和T6或T3和T5中，分别对与出 现在阀臂T2或Tl中相应的数量的故障子系统10进行控制，使得这些子系 统的端电压UX21= 0。借此可在带有分布储能器9的多相变流器的所有相位模 块100内，将直流电压母线P。和N。之间施加的直流电压分配到相同数量的子 系统10上。通过本发明的这种对带有分布储能器9的多相变流器的控制， 意味着即使在故障情况下也能保持对称条件，从而使得负载端子Ll、 L2和 L3之间的差分电压不会具有可以被三整除的谐波分量和直流电压分量。也就 是说，相连的负载无法识别带有分布储能器9的多相变流器是在故障状态还 是在无故障状态下进行工作。借此可实现带有分布储能器9的多相变流器的 冗余工作模式。如果需要在故障状态下也能保持直流电压母线P。和N。之间正确的直流 电压和带有分布储能器9的多相变流器的相位模块100中的子系统10的可 断开半导体开关1和3上承载的电压，那么，在故障相位模块100内，根据 故障子系统10的数量，在与故障阀臂T2、 T4、 T6或T1、 T3、 T5对应的阀 臂T1、 T3、 T5或T2、 T4、 T6中，对相同数量的子系统进行控制，使这些子系统的端电压UX21= Uc。在带有分布储能器9的多相变流器的无故障相位才莫块100中采取相应的处理方式。通过本发明的方法的这个附加处理步骤，可 使这个带有分布储能器9的多相变流器的相位模块IOO在故障和无故障情况 下还能使用相同数量的子系统10。在此情况下，电位曲线1U/lUt)和UPL1/UC(t)、lU/Uc(t)和Upu/lUt)以及相应的UL3N/Ue(t)和Upu/Uc(t)符合图6和图7所示的曲线。在阀臂T1、 T3或T5中的子系统10发生故障，并用本 发明的有利控制方法操作带有分布储能器9的多相变流器的情况下，电位曲 全戋UUN/UC (t)禾口 UPU/Ue (t) 、 UL2N/UC (t)和Upu/Uc (t)或Uun/Uc (t) ,口 Um/Uc (t)才寻合 图8和图9所示的曲线。借此可^f吏图6、 8和7、 9所示的电位曲线与图4和 图5所示的曲线基本相符，其区别仅在于，例如在故障条件下工作时少用一 个子系统10来生成电位曲线。也就是说，带有分布储能器9的多相变流器 的输出电压IU、 IU和U园在故障条件下的工作过程中幅值有轻微减小。与 无故障条件下的工作状态之间的差值等于子系统10的电容器电压Ue。正常 工作状态下用于产生带有分布储能器9的多相变流器的输出电压UUN、 U和 IU的子系统10的数量越多，这些输出电压在故障条件下的工作过程中幅值 的减小程度就越小。但如果需要近似地保持带有分布储能器9的多相变流器的每个输出电压 UUN、 U，和IU的基波的正常幅值，就须对本发明的有利控制方法进行改进，使得用于控制阀臂Tl.....T6的子系统10的可断开半导体开关1和3的控制信号的切换时间点在时间上存在偏移量。图10、 11、 12和13显示的是 由此生成的电位曲线。布储能器9的多相变流器的阀臂T1.....T6中只有一个子系统IO发生故障的情况。即使在其中一个阀臂T1、 T2、 T3、 T4、 T5或T6中的复数个子系 统IO发生故障的情况下，通过这种控制方法也能如上文所述生成输出电压 UUN、 IU和IU。需要注意的是，为了确保输出电压U，、 IU和IU中的谐波幅值保持较低，阀臂T1.....T6中的剩余子系统10的数量不得小于三。本发明的这种控制方法特别适用于供电系统所用的带有分布储能器9的 多相变流器。这类变流器包括供电系统中的联网变流器、功率因数校正变流 器和稳压变流器。由于供电系统中的电压通常都比较高，因而在带有分布储能器9的多相变流器中，每个阀臂Tl.....T6所具有的子系统10的数量也比较大，例如十个至一百个以上。
权利要求
1.一种在一个阀臂(T1，...，T6)中的至少一个子系统(10)发生故障的情况下对变流器进行控制的方法，所述变流器具有至少两个相位模块(100)，所述相位模块(100)具有一个上阀臂和一个下阀臂(T1，...，T6)，所述上阀臂和下阀臂均具有至少三个串联的两极子系统(10)，该方法包括测定带有所述故障子系统(10)的阀臂(T1，...，T6)，分别对每个无故障相位模块(100)中与故障阀臂(T1，...，T6)相对应的阀臂(T1，...，T6)的一个子系统(10)进行控制，使得这些子系统(10)的端电压(UX21)均等于零。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对故障相位模块(100)中与故障阀臂(Tl， ...， T6)相对应的阀臂 (T1, T6)的一个子系统(10)进行控制，使得这个子系统(10)的端电压(UX21)等于这个子系统(10)的电容器电压(IU，以及分别对每个 无故障相位模块(100)中与这个阀臂(T1， ... ， T6)相对应的阀臂(T1，...， T6)的一个子系统(10)进行控制，使得它们的端电压(UX21)均等于这个子 系统(10)的电容器电压(Uc)。
3. 根据权利要求1或2中任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于，所述变流电路的相位模块(100)的阀臂(Tl， ...， T6)的子系统(10) 的控制信号的切换时间点(tl， ...， tll)在时间上存在偏移量。
全文摘要
本发明涉及一种在一个相位模块的一个阀臂的至少一个子系统发生故障的情况下对变流器进行控制的方法，所述变流器具有至少两个相位模块，所述相位模块均具有上阀臂和下阀臂，所述上阀臂和下阀臂均具有至少三个串联的两极子系统。根据本发明，测定带有故障子系统(10)的阀臂(T1，…，T6)，并分别对每个无故障相位模块(100)中与故障阀臂(T1，…，T6)相对应的阀臂(T1，…，T6)的一个子系统(10)进行控制，使得这些子系统的端电压(U<sub>X21</sub>)均等于零。借此可实现带有分布储能器(9)的多相变流器工作在冗余工作模式。
文档编号H02M7/48GK101268606SQ200680034853
公开日2008年9月17日 申请日期2006年8月2日 优先权日2005年9月21日
发明者雷纳·萨默, 马克·希勒 申请人:西门子公司