專(zhuān)利名稱(chēng)：具有n+1單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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(gè) 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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域如冶金、石化、自來(lái)水、電力等行業(yè)得到廣泛的 應(yīng)用，并發(fā)揮著越來(lái)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(chēng)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(guó)國(guó)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(hù)的青睞。
這種高壓變頻器結(jié)構(gòu)已經(jīng)在中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利ZL97100477.3中公開(kāi)。 該高壓變頻器在電網(wǎng)側(cè)有一個(gè)整流變壓器，此整流變壓器有多個(gè)副邊繞 組，為了抑制對(duì)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(gè)串聯(lián)的功率單元供電。每個(gè)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(shì))就會(huì)逐級(jí)提高。
在每個(gè)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(shí)在其輸出側(cè)的2個(gè)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。
當(dāng)有功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行時(shí)，變頻器的電壓輸出能力必
然有所降低，無(wú)法輸出其額定輸出電壓，必然會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行。 因此，為了避免這種因個(gè)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(duì)高壓變頻器進(jìn)行故障冗余設(shè)計(jì)。這種為了確保高壓變頻器 在任意一個(gè)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(chēng)為N+l單元冗余結(jié)構(gòu)。目前，為實(shí)現(xiàn)上述N+1單元冗余功能通常的做法是在己有變頻器的
基礎(chǔ)上增加一級(jí)共三個(gè)功率單元。即由原先的m級(jí)共3m個(gè)功率單元增 加到m+l級(jí)共3m+3個(gè)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+1單元冗余功能，但需要增加三個(gè)功率單元及 三組副邊繞組，可見(jiàn)其所需增加的成本也較高。
本實(shí)用新型即是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中為實(shí)現(xiàn)N+l單元冗余功能所需成 本過(guò)高的問(wèn)題，對(duì)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(jì)， 使其實(shí)現(xiàn)成本降低。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中為實(shí)現(xiàn)N+1單元冗 余功能所需成本過(guò)高的問(wèn)題，提供一種實(shí)現(xiàn)成本更為低廉的具有N+1單 元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器。
本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的是通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 具有N+l單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組 變壓器和3m+2個(gè)功率單元構(gòu)成；所述3m+2個(gè)功率單元分為三個(gè)相線； 第一相線、第二相線分別由m+l個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成；第三相線由m 個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成；所述第一、第二、第三相線的尾部相互連接在一
起，構(gòu)成中性點(diǎn)；所述第一、第二、第三相線的首部作為變頻器的輸出
一山 頓；
所述功率單元為一個(gè)三相輸入、單相輸出的變頻器；各個(gè)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(gè)副邊繞組相連；在功率 單元的輸出端設(shè)有旁路機(jī)構(gòu)，在其輸出端的兩個(gè)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。功率單元的輸出側(cè)沒(méi)有 旁路機(jī)構(gòu)的，通過(guò)控制該功率單元輸出零矢量實(shí)現(xiàn)單元旁路。因此，本 實(shí)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。
在高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，所述3m+2個(gè)功率單元全部處 于運(yùn)行纟大態(tài)。
在高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，所述第一相線和第二相線分別 有一個(gè)功率單元處于旁路狀態(tài)。
所述多副邊繞組變壓器為單個(gè)多副邊繞組變壓器或是由多個(gè)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。僅需要3m+2個(gè)功率單元 來(lái)實(shí)現(xiàn)N+l單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個(gè)功率單元節(jié)省了 一個(gè)功率單元，降低了實(shí)現(xiàn)成本。


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N+1單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。
如前所述，現(xiàn)有技術(shù)為了在高壓變頻器上實(shí)現(xiàn)N+l單元冗余功能 通常是在3m個(gè)功率單元的基礎(chǔ)上增加一級(jí)共三個(gè)功率單元，即由原先 的m級(jí)共3m個(gè)功率單元增加到m+l級(jí)共3m+3個(gè)功率單元。而本實(shí)用 新型的實(shí)用新型目的就是提供一種解決方案，以實(shí)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。
為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目的，本實(shí)用新型提供了以下幾種具體實(shí)施例。
實(shí)施例一
在本實(shí)施例一中，對(duì)于所有在高壓變頻器中正常運(yùn)行未被旁路退出 的功率單元，變頻器主控系統(tǒng)是按照電壓指令偏移算法控制各功率單元
進(jìn)行輸出的。
所述電壓指令偏移算法為現(xiàn)有技術(shù)，該算法已在中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利 ZL03155826.7中公開(kāi)。該算法可以根據(jù)高壓變頻器每相線所串聯(lián)的功率 單元個(gè)數(shù)不同調(diào)整各個(gè)功率單元的輸出，最終使變頻器輸出的三相線電 壓是平衡的，即幅值相同，相位互差120度。由于該算法的具體控制方 法已在專(zhuān)利ZL03155826.7中公開(kāi)，在此就不再對(duì)其具體控制過(guò)程進(jìn)行敘 述。通過(guò)該算法對(duì)高壓變頻器中的功率單元進(jìn)行輸出控制能夠保證，在 變頻器的三相線各串有j個(gè)，k個(gè)，p個(gè)正常輸出的功率單元時(shí)，不失一 般性，假設(shè)j^k^p，變頻器能夠輸出的最大的平衡的線電壓峰值為單 個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的j+k倍。即高壓變頻器的最大電壓輸出能 力(線電壓峰值)是單個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的j+k倍。所述j+k 是其三相線中串聯(lián)功率單元個(gè)數(shù)最少的兩相線所串聯(lián)的個(gè)數(shù)之和。當(dāng) j=k=p=m時(shí)，即對(duì)于無(wú)單元旁路退出運(yùn)行的三相線串聯(lián)功率單元個(gè)數(shù)均 為m的變頻器，其最大電壓輸出能力(線電壓峰值)為單個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的j+k=2m倍。
基于上述的電壓指令偏移算法，本實(shí)用新型第一實(shí)施例所設(shè)計(jì)的具 有N+l單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器結(jié)構(gòu)如圖3所示。該具有N+l單元 冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器由多副邊繞組變壓器和3m+2個(gè)功率單元構(gòu)成(m 為正整數(shù))。所述3m+2個(gè)功率單元分為三組，其中兩組分別由m+l個(gè) 功率單元串聯(lián)而成作為高壓變頻器的第一和第二相線，由剩下的m個(gè)功
率單元串聯(lián)而成作為高壓變頻器的第三相線。所述第一、第二、第三相 線的尾部相互連接在一起，構(gòu)成中性點(diǎn)，不對(duì)外引出。所述第一、第二、 第三相線的首部為變頻器的輸出端，構(gòu)成變頻器的三相輸出，連接至負(fù) 載。
如圖2所示，其中每個(gè)功率單元為一個(gè)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(gè)副邊繞組相連。在 其輸出側(cè)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(shí)，在其輸出的 兩個(gè)接點(diǎn)上建立低阻電流通路，使該功率單元被旁路掉退出運(yùn)行。對(duì)于 沒(méi)有旁路機(jī)構(gòu)的功率單元，可以通過(guò)控制其輸出零矢量實(shí)現(xiàn)旁路功能。
另外應(yīng)當(dāng)指出，上述多副邊繞組變壓器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，并不應(yīng)理解 為局限于單個(gè)多副邊繞組變壓器的形式。它同樣也可以用由原邊相互串
聯(lián)或相互并聯(lián)的能夠等效為一個(gè)多副邊繞組變壓器的多個(gè)變壓器來(lái)實(shí) 現(xiàn)。因此，此處所提多副邊繞組變壓器，其具體的實(shí)現(xiàn)形式并不應(yīng)作為 本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限定性因素。
在本實(shí)施例中，對(duì)于如圖3所示結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，在變頻器處于 正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)所述的3m+2個(gè)功率單元全部投入運(yùn)行，并采用前述所 提的電壓指令偏移算法對(duì)各個(gè)功率單元進(jìn)行控制。
這樣，依前述電壓指令偏移算法的控制原理，由于此時(shí)第一、第二 相線中串聯(lián)的m+l個(gè)功率單元，以及第三相線中串聯(lián)的m個(gè)功率單元 全部處于運(yùn)行狀態(tài)，因此該狀態(tài)下變頻器的最大電壓輸出能力(線電壓 峰值)為單個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的m+ (m+l) =2m+l倍。而變頻 器額定電壓(線電壓峰值)僅為單個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的2m倍， 因此在該狀態(tài)下變頻器能夠輸出額定電壓。
而當(dāng)該高壓變頻器中有一個(gè)功率單元因故障而被旁路退出運(yùn)行時(shí)， 該變頻器仍然采用電壓指令偏移算法來(lái)控制各個(gè)功率單元的功率輸出。 而無(wú)論該故障的功率單元是發(fā)生在變頻器三相線中的哪個(gè)相線，依據(jù)電壓指令偏移算法的控制原理，此時(shí)變頻器的最大電壓輸出能力(線電壓
峰值)為單個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的m+m或是(m-l) + (m+l)， 均為2m倍。因此，該高壓變頻器仍然能夠輸出額定電壓。
由此可見(jiàn)，實(shí)施例一中所設(shè)計(jì)的高壓變頻器僅通過(guò)3m+2個(gè)功率單 元即實(shí)現(xiàn)了在任意一個(gè)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(gè)功率單元來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能節(jié)省了一個(gè)功率單元，降低了實(shí)現(xiàn)成 本。
實(shí)施例二
本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的具有N+1單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器的結(jié)構(gòu)與上
述圖3所示第一實(shí)施例的高壓變頻器結(jié)構(gòu)基本相同。其區(qū)別在于在變
頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)所述第一相線和第二相線中各有一個(gè)功率單元 處于旁路狀態(tài)或輸出零矢量，其他功率單元正常投入運(yùn)行。
這樣在本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的高壓變頻器正常運(yùn)行時(shí)，變頻器無(wú)需采用 前述電壓指令偏移算法來(lái)控制各個(gè)功率單元的功率輸出，僅需要采用標(biāo)
準(zhǔn)的空間矢量PWM算法即可。而標(biāo)準(zhǔn)的空間矢量PWM算法是一種在 現(xiàn)有高壓變頻器中較為常用的控制算法，因此在此就不再對(duì)其作進(jìn)一步 說(shuō)明。此時(shí)，變頻器三相線中投入運(yùn)行的功率單元均為m個(gè)。因此，此 時(shí)變頻器的最大電壓輸出能力(線電壓峰值)為單個(gè)功率單元內(nèi)直流母 線電壓的2m倍，變頻器能夠輸出額定電壓。
而當(dāng)有一個(gè)在運(yùn)行功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行時(shí)，高壓變頻器 需要檢查該故障功率單元所處的位置。
如果該故障功率單元處于第一或第二相線，高壓變頻器將該故障功 率單元所在相線中原被旁路的功率單元投入運(yùn)行。這樣，該高壓變頻器 三個(gè)相線中投入運(yùn)行的功率單元個(gè)數(shù)仍然保持為各m個(gè)。因此，此時(shí)變 頻器的最大電壓輸出能力(線電壓峰值)仍然能保持為單個(gè)功率單元內(nèi) 直流母線電壓的2m倍，變頻器能夠輸出額定電壓。
如果該故障功率單元處于第三相線，高壓變頻器將所述第一和第二 相線中原被旁路的功率單元投入運(yùn)行；同時(shí)，高壓變頻器采用電壓指令 偏移算法來(lái)控制各個(gè)在運(yùn)行功率單元的功率輸出。這時(shí)，高壓變頻器三 個(gè)相線中投入運(yùn)行的功率單元個(gè)數(shù)分別為m+l， m+l， m-l個(gè)。由于采 用了電壓指令偏移算法對(duì)各個(gè)功率單元進(jìn)行功率輸出控制，根據(jù)電壓指令偏移算法的控制原理，此時(shí)變頻器的最大電壓輸出能力(線電壓峰值) 為單個(gè)功率單元內(nèi)直流母線電壓的2m倍，變頻器能夠輸出額定電壓。
由此可見(jiàn)，實(shí)施例二中所設(shè)計(jì)的高壓變頻器在正常運(yùn)行時(shí)僅需要3m 個(gè)功率單元投入運(yùn)行即可滿(mǎn)足輸出額定電壓的需要。而當(dāng)高壓變頻器中
有一個(gè)功率單元因故障而旁路退出運(yùn)行時(shí)，僅需通過(guò)上述方法步驟將兩 個(gè)備用的功率單元投入運(yùn)行，仍然能夠保證額定電壓的輸出。因此，如
實(shí)施例二結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高壓變頻器僅通過(guò)3m+2個(gè)功率單元仍然實(shí)現(xiàn)了 N+l單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個(gè)功率單元來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功 能節(jié)省了一個(gè)功率單元，降低了實(shí)現(xiàn)成本。而該實(shí)施例與實(shí)施例一相比， 該方法在所有功率單元均無(wú)故障時(shí)，參與輸出電壓的功率單元數(shù)量減少 了2個(gè)，降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率。
綜上所述，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的高壓變頻器只需要3m+2個(gè)功率單 元就能實(shí)現(xiàn)高壓變頻器的N+l單元冗余功能。這種3m+2個(gè)功率單元的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個(gè)功率單元來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能節(jié)省了一 個(gè)功率單元，降低了實(shí)現(xiàn)成本。
權(quán)利要求1、具有N+1單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器和3m+2個(gè)功率單元構(gòu)成；所述3m+2個(gè)功率單元分為三個(gè)相線；第一相線、第二相線分別由m+1個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成；第三相線由m個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成；所述第一、第二、第三相線的尾部相互連接在一起，構(gòu)成中性點(diǎn)；所述第一、第二、第三相線的首部作為變頻器的輸出端；所述功率單元為一個(gè)三相輸入、單相輸出的變頻器；各個(gè)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(gè)副邊繞組相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的具有N+l單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，其 特征在于在高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，所述3m+2個(gè)功率單元 全部處于運(yùn)行狀態(tài)。
3、 如權(quán)利要求1所述的具有N+l單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，其 特征在于在高壓變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，所述第一相線和第二相 線分別有一個(gè)功率單元處于旁路狀態(tài)或輸出零矢量。
4、 如權(quán)利要求1所述的具有N+l單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，其 特征在于所述多副邊繞組變壓器為單個(gè)多副邊繞組變壓器或是由多個(gè) 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(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種具有N+1單元冗余結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器和3m+2個(gè)功率單元構(gòu)成；所述3m+2個(gè)功率單元分為三個(gè)相線；第一相線、第二相線分別由m+1個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成；第三相線由m個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成；所述第一、第二、第三相線的尾部相互連接在一起，構(gòu)成中性點(diǎn)；所述第一、第二、第三相線的首部作為變頻器的輸出端。該高壓變頻器僅需要3m+2個(gè)功率單元來(lái)實(shí)現(xiàn)N+1單元冗余功能，相比現(xiàn)有技術(shù)需要3m+3個(gè)功率單元節(jié)省了一個(gè)功率單元，降低了實(shí)現(xiàn)成本。
文檔編號(hào)H02M5/16GK201426094SQ20092010778
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司