专利名称：单功率单元冗余的高压变频器及其控制方法
技术领域：
本发明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+l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+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。
本发明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+1单元冗余结构进行了结构设计，使其 实现成本降低。
发明内容
本发明的发明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 构的高压变频器及其控制方法。
本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的 单功率单元冗余的高压变频器，其特征在于由多副边绕组变压器、 3m+l个功率单元构成和三个开关组构成；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频器的一个相线，分别为第一、第二、第三相
线；所述三个开关组分别为第一、第二、第三开关组；
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
率单元的输出端分为正极和负极；
所述第一开关组与第一相线的一端相连，第二开关组与第二相线的
一端相连，第三开关组与第三相线的一端相连；每个所述开关组同时与 所述备用功率单元的两个输出端相连，所述第一、第二、第三相线分别 通过所述第一、第二、第三开关组的控制选择与所述备用功率单元输出 端的正极或负极相连通；所述第一、第二、第三相线未与开关组相连的
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
6路状态或输出零矢量，或者所述三个开关组同时与备用功率单元输出 端的同一极相连通。
所述三个开关组，每个开关组分别由两个切换开关构成，每个开关 组中的两个切换开关的一端分别与所述备用功率单元输出端的正极和负 极相连，另一端相互连接在一起并与连接至该开关组的相线的端相连。
所述三个开关组各为一个单刀双掷开关；该单刀双掷开关的动触点 与连接至该开关组的相线的端相连，两个静触点分别与所述备用功率单 元输出端的正极和负极相连。
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。
所述开关组为机械式开关或者电力电子器件。 一种单功率单元冗余的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，三个开关组同时与 该备用功率单元的一个接点相连通，或者备用功率单元处于旁路状态
或输出零矢量，并且三个开关组各与备用功率单元的某一接点或同时 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 频器检查该故障功率单元所处位置；
(3) 高压变频器控制与故障功率单元所在相线相连的开关组与备用 功率单元的一个接点相连通；高压变频器控制与非故障功率单元所在相 线相连的开关组与备用功率单元的另一接点相连通；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幅值和频率相同， 相位相同或相差180度。
所述步骤(3)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。
一种单功率单元冗余的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，三个开关组同时与该 备用功率单元的一个接点相连通，或者备用功率单元处于旁路状态或输出零矢量，并且三个开关组各与备用功率单元的某一接点或同时与 两个接点相连通；
(22) 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；
(23) 高压变频器控制与故障功率单元所在相线相连的开关组与 备用功率单元的一个接点相连通；高压变频器控制与非故障功率单元
所在相线相连的开关组与备用功率单元的另一接点相连通；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值相同或相反。
所述步骤(23)中备用功率单元输出电压值相同或相反，依据下 述方法控制
(2A)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，则输出相反电压值；
(2B)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，则输出相同电压值。
本发明的有益效果是该高压变频器仅需要3m+l个功率单元来 实现N+l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。同时，该该备用功率单元在变频器正 常工作时处于旁路状态可以不投入工作，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。
图1为现有高压变频器的结构示意图2为典型功率单元结构示意图3为单功率单元冗余的高压变频器的结构示意图4为单功率单元冗余的高压变频器的第一实施例结构示意图5为单功率单元冗余的高压变频器的第二实施例结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
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。而三个功率单元串联组则共同构成该高压变频器的三 相输出端，连接至负载，三个串联组分别作为高压变频器三相输出端的 一个相线。因此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。
本发明的发明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+l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。
本发明即是基于这一设计思想设计该冗余结构。图3为本发明所设 计高压变频器的结构示意图。如图3所示，该单功率单元冗余的高压变 频器由多副边绕组变压器、3m+l个功率单元构成(m为正整数)和三 个开关组KG1、 KG2、 KG3构成。其中，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 率单元串联构成变频器的一个相线，分别为第一、第二、第三相线。
图2为功率单元的典型结构图。如图2所示，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。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。因此， 本发明所述"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。
所述第一开关组KG1与第一相线的一端相连，第二开关组KG2与 第二相线的一端相连，第三开关组KG3与第三相线的一端相连。所述第 一、第二、第三相线分别通过开关组KG1、 KG2、 KG3的控制选择与所 述备用功率单元输出端的两个接点相连通，设这两个接点分别为第一接点和第二接点。所述第一、第二、第三相线未与开关组相连的一端构成 变频器的三相输出端，连接至负载。
应当指出，上述第一、第二、第三相线为高压变频器中三个对称的 相线。此处将其标注为第一、第二、第三的表述只是为了下面叙述方便， 并不失其一般性。
在该高压变频器处于正常运行状态时，所述备用功率单元与开关
组KG1、 KG2、 KG3的状态可以有两种选择。第一种，备用功率单元 处于旁路状态或输出零矢量，则开关组KG1、 KG2、 KG3将每一相线 与之相连的端与备用功率单元的至少一端相连。第二种，开关组KG1、 KG2、 KG3同时将每一相线与之相连的端与备用功率单元的第一接点
相连通，或是将其同时与备用功率单元的第二接点相连通，则备用功 率单元可以处于任意状态。
这样该高压变频器在所有功率均无故障时时，以该三个开关组的 连通点为中性点，各个相线中各有m个功率单元在投入运行，即处于 上述高压变频器最精简的运行模式下，因此可以满足了变频器的额定 输出需要。
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 本发明保护范围的限定性因素。
图4、图5分别给出所述开关组KG1、 KG2、 KG3两种具体的实施方式。
如图4所示，每个开关组分别由两个切换开关构成，每个开关组中 的两个切换开关分别与所述备用功率单元输出端的第一接点和第二接点 相连。具体地说，第一开关组由切换开关Kl和K2构成，第二开关组由 切换开关K3和K4构成，第三开关组由切换开关K5和K6构成。所述 切换开关K1、 K3、 K5与备用功率单元的第一接点相连，所述切换开关 K2、 K4、 K6与备用功率单元的第二接点相连。
如图5所示，开关组KG1、 KG2、 KG3分别选用一个单刀双掷开关 K7、 K8、 K9来实现，通过单刀双掷开关的切换选择连接备用功率单元 的第一接点或第二接点。这里，所述切换开关及单刀双掷开关可以为接触器、断路器等机械
式开关，或者为可控硅、双向可控硅、GTO、 IGBT、 IGCT等电力电子 器件，或者为其它能够控制电路在导通状态(低阻抗状态)与分断状态 (高阻抗状态)间转换的器件、电路或设备。
上述如图3所示结构的高压变频器，在实际使用中是通过下述具体 步骤对各个功率单元实施控制，以实现对该高压变频器的N+l单元冗余
功能
(1) 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，或是开关组KG1、 KG2、 KG3同时与备用功率单元的同一接 点相连通；
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， 或是开关组KG1、 KG2、 KG3同时与备用功率单元的同一接点相连通。 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。
(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 器检查该故障功率单元所处位置；
(3) 高压变频器控制与故障功率单元所在相线相连的开关组与备用 功率单元的一个接点相连通；高压变频器控制与非故障功率单元所在相 线相连的开关组与备用功率单元的另一接点相连通；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幅值、频率相同， 相位相同或相差180度。
此时，三相线以与非故障功率单元所在相线相连的开关组与备用功 率单元相连的接点为变频器三相线间的中性点。而备用功率单元被接入 发生故障功率单元所在相线中，补偿故障功率单元的输出，使得三相线 仍能保持三相线各有m个功率单元在线运行的最精简方式运行，满足了 变频器的额定输出需要。
其中，所述步骤(3)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，即同为U端或同为V端，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，即U端与V端相连，则相位相同。在上述本发明的控制方法中，备用功率单元的输出电压之所以用电
压基波作为表述对象，是因为在电压的各个分量中，基波是起决定性作
用的分量。在实际应用中，针对不同硬件构成的控制系统，备用功率单 元与其代替的运行功率单元输出电压的载波分量可能相同，也可能不同。
但是，只要其基波满足上述控制方法，就不影响本发明高压变频器N+1 单元冗余控制的实现。
基于上述论述，本发明还给出当备用功率单元与其所代替的运行功 率单元输出电压的载波分量相同的情况下，该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，或是开关组KG1、 KG2、 KG3同时与备用功率单元的同一接点 相连通；
(22) 当有一个在运行功率单元因故障而旁路退出运行时，高压变 频器检查该故障功率单元所处位置；
(23) 高压变频器控制与故障功率单元所在相线相连的开关组与备 用功率单元的一个接点相连通；高压变频器控制与非故障功率单元所在
相线相连的开关组与备用功率单元的另一接点相连通；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值相同或相反。 所述相同或相反指的是电压数值相同，而正负极性相同或相反。 相应的，其中所述步骤(23)中备用功率单元输出电压值相同或相 反，依据下述方法控制
(2A)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，则输出相反电压值；
(2B)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，则输出相同电压值。
综上所述，本发明所设计的单功率单元冗余的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+l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两个功率 单元，降低了实现成本。同时，由于本发明所设计的该备用功率单元在 变频器正常工作时可以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。
1权利要求
1、单功率单元冗余的高压变频器，其特征在于由多副边绕组变压器、3m+1个功率单元构成和三个开关组构成；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、第三相线所述三个开关组分别为第一、第二、第三开关组；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为正极和负极；所述第一开关组与第一相线的一端相连，第二开关组与第二相线的一端相连，第三开关组与第三相线的一端相连；每个所述开关组同时与所述备用功率单元的两个输出端相连，所述第一、第二、第三相线分别通过所述第一、第二、第三开关组的控制选择与所述备用功率单元输出端的正极或负极相连通；所述第一、第二、第三相线未与开关组相连的一端构成变频器的三相输出端。
2、 如权利要求1所述的单功率单元冗余的高压变频器，其特征在于 在该高压变频器处于正常运行状态下，所述备用功率单元处于旁路状 态或输出零矢量，或者所述三个开关组同时与备用功率单元输出端的 同一极相连通。
3、 如权利要求1所述的单功率单元冗余的高压变频器，其特征在 于所述三个开关组，每个开关组分别由两个切换开关构成，每个开关组中的两个切换开关的一端分别与所述备用功率单元输出端的正极和负 极相连，另一端相互连接在一起并与连接至该开关组的相线的端相连。
4、 如权利要求1所述的单功率单元冗余的高压变频器，其特征在 于.-所述三个开关组各为一个单刀双掷开关；该单刀双掷开关的动触点 与连接至该开关组的相线的端相连，两个静触点分别与所述备用功率单 元输出端的正极和负极相连。
5、 如权利要求1所述的单功率单元冗余的高压变频器，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。
6、 如权利要求1、 3或4所述的具有单功率单元冗余的高压变频器，其特征在于所述开关组为机械式开关或者电力电子器件。
7、 一种单功率单元冗余的高压变频器的控制方法，基于权利要求l 所述高压变频器实现，其特征在于(1) 在该高压变频器处于正常运行状态时，三个开关组同时与 该备用功率单元的一个接点相连通，或者备用功率单元处于旁路状态或输出零矢量，并且三个开关组各与备用功率单元的某一接点或同时 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，高压变频器检查该故障功率单元所处位置；(3) 高压变频器控制与故障功率单元所在相线相连的开关组与备用功率单元的一个接点相连通；高压变频器控制与非故障功率单元所在相线相连的开关组与备用功率单元的另一接点相连通；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幅值和频率相同， 相位相同或相差180度。
8、 如权利要求7所述的单功率单元冗余的高压变频器的控制方法， 其特征在于所述步骤(3)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。
9、 一种单功率单元冗余的高压变频器的控制方法，基于权利要求l所述高压变频器实现，其特征在于(21) 在该高压变频器处于正常运行状态时，三个开关组同时与该备用功率单元的一个接点相连通，或者备用功率单元处于旁路状态或输 出零矢量，并且三个开关组各与备用功率单元的某一接点或同时与两个接点相连通；(22) 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；(23) 高压变频器控制与故障功率单元所在相线相连的开关组与备 用功率单元的一个接点相连通；高压变频器控制与非故障功率单元所在相线相连的开关组与备用功率单元的另一接点相连通；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值相同或相反。
10、如权利要求9所述的单功率单元冗余的高压变频器的控制方法， 其特征在于所述步骤(23)中备用功率单元输出电压值相同或相反， 依据下述方法控制(2A)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，则输出相反电压值；(2B)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，则输出相同电压值。
全文摘要
本发明提供了一种单功率单元冗余的高压变频器，其特征在于由多副边绕组变压器、3m+1个功率单元构成和三个开关组构成；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；所述第一、第二、第三相线分别通过所述第一、第二、第三开关组的控制选择与所述备用功率单元输出端的正极或负极相连通；所述第一、第二、第三相线未与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。
文档编号H02M5/16GK101594061SQ20091008332
公开日2009年12月2日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者原纪鹏, 李柄才 申请人:北京利德华福电气技术有限公司