專利名稱：具有雙備用功率單元的n+1冗余高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高壓變頻器，特別是一種能夠確保在任意一個 功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行的情況下，仍具有額定電壓輸出能力，
即具有"N+1單元冗余"功能的高壓變頻器。屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器作為電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物， 在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域如冶金、石化、自來水、電力等行業(yè)得到廣泛的 應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是，高壓大功率變頻器的應(yīng)用 日漸廣泛。而由功率單元(又稱功率模塊，如圖2所示)串聯(lián)構(gòu)成的高 壓大功率變頻器(如圖1所示)作為適合中國國情、性能優(yōu)異的變頻器， 受到眾多變頻器生產(chǎn)廠商、科研院所、工程技術(shù)人員、用戶的青睞。
這種高壓變頻器結(jié)構(gòu)已經(jīng)在中國發(fā)明專利ZL97100477.3中公開。 該高壓變頻器在電網(wǎng)側(cè)有一個整流變壓器，此整流變壓器有多個副邊繞 組，為了抑制對電網(wǎng)的諧波，這些副邊繞組常常采用曲折繞法，達(dá)到移 相的效果，分別給各個串聯(lián)的功率單元供電。每個功率單元為3相輸入、 單相輸出的電壓源型變頻器。
在電路原理上，此整流變壓器起到了隔離的作用，使各功率單元相 互之間在輸入側(cè)隔離，這樣，由于功率單元的逆變橋在輸出側(cè)相互串聯(lián)， 功率單元的整體電位(電勢)就會逐級提高。
在每個功率單元中，設(shè)有旁路電路，能夠在功率單元需要退出運(yùn)行
時在其輸出側(cè)的2個接點(diǎn)間建立低阻電流通路，使得該功率單元退出運(yùn)
行后，整機(jī)仍能工作。功率單元的輸出側(cè)沒有旁路機(jī)構(gòu)的，可以通過控 制該功率單元輸出零矢量實現(xiàn)單元旁路。所謂"零矢量"是指功率單元
通過控制其內(nèi)部的電力電子開關(guān)的狀態(tài)，使其兩個輸出端之間輸出零電 壓，即為低阻抗短路狀態(tài)。
當(dāng)有功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行時，變頻器的電壓輸出能力必 然有所降低，無法輸出其額定輸出電壓，必然會影響負(fù)載的正常運(yùn)行。 因此，為了避免這種因個別功率單元故障影響負(fù)載的正常運(yùn)行的情況發(fā)生，有必要對高壓變頻器進(jìn)行故障冗余設(shè)計。這種為了確保高壓變頻器 在任意一個功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行的情況下，仍具有額定電壓 輸出能力的冗余結(jié)構(gòu)稱為N+l單元冗余結(jié)構(gòu)。
目前，為實現(xiàn)上述N+1單元冗余功能通常的做法是在已有變頻器的 基礎(chǔ)上增加一級共三個功率單元。即由原先的m級共3m個功率單元增 加到m+l級共3m+3個功率單元，整流變壓器相應(yīng)增加三組副邊繞組。 這種做法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)N+l單元冗余功能，但需要增加三個功率單元及 三組副邊繞組，可見其所需增加的成本也較高。
本實用新型即是針對現(xiàn)有技術(shù)中為實現(xiàn)N+l單元冗余功能所需成 本過高的問題，對高壓變頻器中的N+l單元冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計， 使其實現(xiàn)成本降低。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的實用新型目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中為實現(xiàn)N+1單元冗 余功能所需成本過高的問題，提供一種實現(xiàn)成本更為低廉的具有N+l單 元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器。
本實用新型的實用新型目的是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 具有雙備用功率單元的N+l冗余高壓變頻器，其特征在于由多副 邊繞組變壓器和3m+2個功率單元構(gòu)成；所述3m+2個功率單元中包括 有兩個備用功率單元；剩下3m個功率單元均分為三組，每組分別由m 個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相線；
所述兩個備用功率單元的一端相互連接在一起，并與所述第一相線的一 端相連；該兩個備用功率單元的另一端分別于所述第二、第三相線的一 端相連；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元相連的一端構(gòu)成 變頻器的三相輸出端；
所述功率單元為一個三相輸入、單相輸出的變頻器；各個功率單元
的輸入端分別與所述多副邊繞組變壓器中的一個副邊繞組相連；所述功 率單元的輸出端分為正極和負(fù)極。
在該高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，所述兩個備用功率單元處 于旁路狀態(tài)或輸出零矢量。
所述多副邊繞組變壓器為單個多副邊繞組變壓器或是由多個變壓器 在原邊側(cè)相互串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的等效多副邊繞組變壓器。
本實用新型的有益效果是該高壓變頻器僅需要3m+2個功率單元來實現(xiàn)N+1單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個功率單元節(jié)省了 一個功率單元，降低了實現(xiàn)成本。同時，該兩個備用功率單元在變頻器 正常工作時處于旁路狀態(tài)并不投入工作，只有在有在運(yùn)行功率單元發(fā)生 故障時才投入運(yùn)行，因此降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率。

圖1為現(xiàn)有高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為典型功率單元結(jié)構(gòu)示意圖3為具有雙備用功率單元的N+l冗余高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進(jìn)一步描述。
如前所述，現(xiàn)有的高壓變頻器的結(jié)構(gòu)通常如圖1所示，由多副邊繞 組變壓器和三個功率單元串聯(lián)組構(gòu)成。其中，每個功率單元為3相輸入、 單相輸出的電壓源型變頻器。每個功率單元的輸入端分別與所述多副邊 繞組變壓器中的一個副邊繞組相連。在同一串聯(lián)組的功率單元相互串聯(lián)， 以提高輸出電壓。三個串聯(lián)組共同構(gòu)成該高壓變頻器的三相輸出端，連 接至負(fù)載。為了達(dá)到三相輸出平衡，該高壓變頻器的最精簡的實現(xiàn)形式 就是三個串聯(lián)組所串聯(lián)的功率單元的個數(shù)相等。即高壓變頻器中包括有 3m個功率單元，每個相線中分別串聯(lián)有m個功率單元，其中m為正整 數(shù)。這 一 結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)有高壓變頻器的典型結(jié)構(gòu)。
本實用新型的實用新型目的即是在上述最精簡的高壓變頻器基礎(chǔ)上 增加冗余結(jié)構(gòu)，使其在能夠?qū)崿F(xiàn)N+1單元冗余功能的同時，又盡量降低 實現(xiàn)成本。因此，這里所設(shè)計的冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)該是能使高壓變頻器中任一 相線中出現(xiàn)功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行的情況時，可以根據(jù)控制補(bǔ) 償該故障相線，使得三相線可以恢復(fù)為均等數(shù)量的在運(yùn)行功率單元或是 等效為均等數(shù)量的在運(yùn)行功率單元。
本實用新型即是基于這一設(shè)計思想設(shè)計該冗余結(jié)構(gòu)。如圖3所示， 該具有雙備用功率單元的N+l冗余高壓變頻器由多副邊繞組變壓器和 3m+2個功率單元構(gòu)成(m為正整數(shù))。其中，3m+2個功率單元中包括 有兩個備用功率單元。3m個功率單元均分為三組，每組分別由m個功 率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線。兩個備用功率單元的一端相互連接
在一起，并與變頻器的第一相線的一端相連。兩個備用功率單元的另一 端分別于第二、第三相線的一端相連。所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端，連接至負(fù)載。
圖2給出所述功率單元的一種典型結(jié)構(gòu)，兩電平H橋結(jié)構(gòu)功率單元
的結(jié)構(gòu)圖。高壓變頻器中的每個功率單元為一個三相輸入、單相輸出的 變頻器。其輸入端分別與所述多副邊繞組變壓器中的一個副邊繞組相連。
每個功率單元的輸出端有兩個接點(diǎn)，分別正向輸出端和負(fù)向輸出端。不
失一般性，在圖2中分別用U、 V標(biāo)記功率單元的正向輸出端和負(fù)向輸
出端。在功率單元輸出端設(shè)有旁路機(jī)構(gòu)能夠在該功率單元需要退出運(yùn)行
時，在其輸出端的兩個接點(diǎn)U和V之間建立低阻電流通路，使該功率單 元被旁路掉退出運(yùn)行。對于沒有旁路機(jī)構(gòu)的功率單元，可以通過控制其 輸出零矢量實現(xiàn)旁路功能。因此，本實用新型所述"處于旁路狀態(tài)"可
以是旁路電路導(dǎo)通，也可以是功率單元輸出零矢量。
在該高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，所述兩個備用功率單元處于 旁路狀態(tài)或輸出零矢量。這樣，變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，其三個 相線中分別有m個功率單元處于運(yùn)行狀態(tài)，即按照前述最精簡的高壓 變頻器運(yùn)行方式在運(yùn)行。
當(dāng)有一個在運(yùn)行功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行時，高壓變頻器檢 査該故障功率單元所處位置。
如果該故障功率單元處于第一相線，高壓變頻器控制所述兩個備用 功率單元投入運(yùn)行；每個備用功率單元的輸出電壓與原應(yīng)由所述故障功
率單元輸出的電壓基波幅值、頻率相同，相位相同或相差180度。此時， 在兩個備用功率單元未相互連接的一端，由于輸出電壓基波電位相同， 因此可以視為變頻器三相線間的中性點(diǎn)。以此中性點(diǎn)為基準(zhǔn)，有故障功 率單元的相輸出的相電壓，包含兩個備用功率爭元輸出的電壓，仍為m 個功率單元輸出電壓之和，變頻器各相的相電壓與故障前相同，因此， 變頻器整體輸出電壓與故障前相同。
如果該故障功率單元處于第二相線或第三相線，高壓變頻器控制與 該故障功率單元所在相線相連的備用功率單元投入運(yùn)行；該備用功率單
元的輸出電壓與原應(yīng)由所述故障功率單元輸出的電壓基波幅值、頻率相 同，相位相同或相差180度。此時，該發(fā)生故障的相線中有m-l個原功 率單元和一個備用功率單元在線運(yùn)行，因此變頻器整體輸出電壓與故障
前相同。
這里，所述第一、第二、第三相線并非特指高壓變頻器中的某一特定相線，而是與前述高壓變頻器的結(jié)構(gòu)描述相一致的表述。其中，第一 相線是指同時與兩個備用功率單元相連的相線，而第二、第三相線是指 只與一個備用功率單元相連接的相線。因此，此處這樣的表述并不失其
一般性。
綜上所述，如圖3所示本實用新型所設(shè)計的具有雙備用功率單元的 N+l冗余高壓變頻器在上述冗余控制方法的控制下，可以滿足在任意一 個功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行的情況下，變頻器仍具有額定電壓輸 出能力的N+l單元冗余功能。這相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個功率單元來 實現(xiàn)這一功能節(jié)省了一個功率單元和l組變壓器副邊繞組，降低了實現(xiàn) 成本。同時，由于本實用新型所設(shè)計的兩個備用功率單元在變頻器正常 工作時處于旁路狀態(tài)并不投入工作，只有在有在運(yùn)行功率單元發(fā)生故障 時才投入運(yùn)行，因此降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率。
權(quán)利要求1、具有雙備用功率單元的N+1冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器和3m+2個功率單元構(gòu)成；所述3m+2個功率單元中包括有兩個備用功率單元；剩下3m個功率單元均分為三組，每組分別由m個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相線；所述兩個備用功率單元的一端相互連接在一起，并與所述第一相線的一端相連；該兩個備用功率單元的另一端分別于所述第二、第三相線的一端相連；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端；所述功率單元為一個三相輸入、單相輸出的變頻器；各個功率單元的輸入端分別與所述多副邊繞組變壓器中的一個副邊繞組相連；所述功率單元的輸出端分為正極和負(fù)極。
2、 如權(quán)利要求1所述的具有雙備用功率單元的N+l冗余高壓變頻 器，其特征在于在該高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，所述兩個備 用功率單元處于旁路狀態(tài)或輸出零矢量。
3、 如權(quán)利要求1所述的具有雙備用功率單元的N+l冗余高壓變頻 器，其特征在于所述多副邊繞組變壓器為單個多副邊繞組變壓器或是 由多個變壓器在原邊側(cè)相互串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的等效多副邊繞組變壓器。
專利摘要本實用新型提供了一種具有雙備用功率單元的N+1冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器和3m+2個功率單元構(gòu)成；所述3m+2個功率單元中包括有兩個備用功率單元；剩下3m個功率單元均為分為三組，每組分別由m個功率單元串聯(lián)構(gòu)成變頻器的一個相線，分別為第一、第二、第三相線；所述兩個備用功率單元的一端相互連接在一起，并與所述第一相線的一端相連；該兩個備用功率單元的另一端分別于所述第二、第三相線的一端相連；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端。該高壓變頻器僅需要3m+2個功率單元來實現(xiàn)N+1單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個功率單元節(jié)省了一個功率單元，降低了實現(xiàn)成本。
文檔編號H02M5/16GK201426093SQ20092010778
公開日2010年3月17日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者馬永健 申請人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司