專利名稱：高壓大功率變頻器在功率模塊故障時的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由多個功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成的高壓大功率變頻器，更具體地說，涉及當(dāng)一個或多個功率模塊故障時，仍可以使高壓大功率變頻器具有較高輸出的方法。
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，由如圖1所示的功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成的高壓大功率變頻器(如圖2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，顯示了其方興未艾的前景。
由于高壓大功率變頻器的每一相均是由若干個功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成的，為了避免某一相中的某一個或幾個功率模塊單元故障后，造成變頻器輸出缺相，故，通常在每個功率模塊單元旁邊并聯(lián)一個旁路電路。在變頻器運行過程中，當(dāng)某個模塊出現(xiàn)故障時，變頻器中的控制器輸出控制信號封鎖這個模塊的輸出，使其旁路電路工作，維持其余多個模塊的串聯(lián)關(guān)系，使變頻器的這一相仍有電壓輸出。
但是，由于變頻器三相模塊的輸出指令是均衡的，所以，當(dāng)有一只或多只模塊出現(xiàn)故障而退出運行時，就會出現(xiàn)變頻器實際輸出的三相電壓不平衡。
目前，為了維持變頻器三相輸出電壓的平衡，大家通常采用的方法是同時將變頻器另外兩相中相同數(shù)目的、正常的功率模塊旁路掉，達(dá)到使變頻器三相輸出電壓平衡的目的。這種做法雖然達(dá)到了使變頻器三相輸出電壓平衡的目的，但是，降低了變頻器輸出電壓的額定值，犧牲了正常、好的功率模塊單元。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述原因，本發(fā)明的目的是提供一種當(dāng)某個或某幾個功率模塊單元故障時，在不旁路其它正常功率模塊的前提下，仍然可使高壓大功率變頻器具有高輸出電壓的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種高壓大功率變頻器在功率模塊故障時，使高壓大功率變頻器仍具有高輸出的方法，該方法包括以下步驟
1、系統(tǒng)檢測到某相某個功率模塊出現(xiàn)故障，封鎖其輸出，然后，觸發(fā)其旁路電路，保持其它模塊的連接關(guān)系；2、調(diào)整功率模塊的電壓給定，使變頻器三相輸出的線電壓仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并盡量增大其電壓輸出能力。
本發(fā)明是通過相對降低沒有被旁路或旁路個數(shù)較小的相的功率模塊單元的電壓幅值給定的方法；或維持各功率模塊單元電壓幅值給定相等，只調(diào)整三相功率模塊單元給定電壓之間的相位角的方法，使變頻器三相輸出的線電壓保持平衡。
本發(fā)明還通過增大功率模塊電壓給定的峰值，使線電壓盡量與未發(fā)生功率模塊旁路前接近。
本發(fā)明還通過在每個功率模塊輸出相電壓的指令值上去掉一個偏移量，增大變頻器的電壓利用率，提高變頻器的輸出電壓的能力。
本發(fā)明控制方法簡單，思路巧妙，在不犧牲“健康”功率模塊的情況下，使變頻器三相輸出電壓保持平衡，且線電壓盡量與未發(fā)生功率模塊旁路前接近。另外，本發(fā)明還通過在每個功率模塊輸出相電壓的指令值上去掉一個偏移量的方法，增大變頻器的電壓利用率，提高變頻器的輸出電壓的能力。


圖1是構(gòu)成高壓大功率變頻器的功率模塊單元內(nèi)部電路圖；圖2是由圖1所示的功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成的高壓大功率變頻器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是當(dāng)一個功率模塊單元故障被旁路后，通過降低另外兩相模塊電壓給定維持變頻器三相輸出電壓平衡的原理圖；圖4是功率模塊單元故障被旁路后，通過調(diào)整三相功率模塊單元給定電壓之間的相位角的方法使變頻器輸出的三個不均衡的矢量構(gòu)成等邊三角形的原理圖；圖5是采用計算機(jī)迭代法計算圖4所示角度的基本算法；圖6為本發(fā)明的改變角度、提高電壓利用率的一個具體實施例具體實施方式
為了易于維修，適應(yīng)不同電壓等級的需要，目前高壓大功率變頻器多采用模塊化設(shè)計，即變頻器的每一相均是由若干個功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成。通過改變功率模塊的電壓指令可以改變功率模塊單元的電壓輸出，從而改變變頻器的三相輸出電壓。
本發(fā)明所提供的方法就是當(dāng)變頻器某相中某一個或幾個模塊出現(xiàn)故障被旁路后，通過調(diào)整功率模塊的電壓給定，使變頻器三相輸出的線電壓仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并盡量增大其電壓輸出能力。
調(diào)整變頻器功率模塊單元的電壓給定，可以通過以下兩種具體方法實現(xiàn)方法一當(dāng)變頻器檢測出某相中某一個或幾個模塊出現(xiàn)故障，將其旁路后；相應(yīng)地降低其它兩相功率模塊的電壓幅值指令，使變頻器三相輸出電壓平衡。
圖3為此方法原理圖。如圖所示，假設(shè)每相有n個模塊，當(dāng)A相有一個模塊Ai出現(xiàn)故障，A相功率模塊的電壓指令仍舊為U時，相應(yīng)地將B、C相功率模塊的電壓幅值指令變?yōu)閁*(n-1)/n，這樣，不用犧牲正常的、好的功率模塊就可以使變頻器三相輸出電壓達(dá)到平衡。
這樣處理的結(jié)果，實際上與B相、C相各旁路掉一個健康的模塊，產(chǎn)生的電壓是一樣的。但是，這樣做的結(jié)果有很大的好處。傳統(tǒng)的、將正常模塊旁路掉以達(dá)到變頻器三相輸出平衡的措施，如果想取消旁路再次使正常的模塊恢復(fù)運行，在技術(shù)實現(xiàn)上比較復(fù)雜，往往存在一個過渡過程；而本發(fā)明并沒有將正常、“健康”的模塊旁路掉，所以，除故障模塊外，其它的模塊都在正常運行，此時，如果B相或C相又有一只模塊出現(xiàn)故障，則可以將相應(yīng)相的模塊的電壓指令恢復(fù)為U，系統(tǒng)電壓仍舊可以維持不變，控制更加簡便。而傳統(tǒng)的處理方法，如果B相或C相又有一只模塊出現(xiàn)故障，必須再次旁路3個模塊，變頻器輸出電壓的額定值又需要降低1/n。
方法二當(dāng)變頻器檢測出某相中某一個或幾個模塊出現(xiàn)故障，將其旁路后；維持各功率模塊單元電壓幅值給定相等，只調(diào)整三相功率模塊單元給定電壓之間的相位角，使變頻器三相線電壓輸出保持平衡。
假設(shè)每個功率模塊的輸出電壓為1，不管損壞的模塊發(fā)生在哪一相，為了方法的普遍性和易于理解，我們假設(shè)A相還剩下m個模塊是“健康的”功率模塊，B相還剩下k個“健康的”功率模塊，C相還剩下p個“健康的”功率模塊，則三相能輸出的電壓分別為m、k、p。
我們知道，作為本文所述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載的交流電機(jī)，只要線電壓平衡就可以了。如果將變頻器的輸出看作是一個黑匣子，電機(jī)是看不到變頻器的內(nèi)部構(gòu)造的，而只是關(guān)心變頻器的輸出U、V、W端子的電壓是否平衡。因此，為了使電機(jī)正常運行，變頻器應(yīng)該確保其A、B、C三相的矢量端點構(gòu)成一個等邊三角形如圖4所示即可。
剩下的問題就是簡單的純幾何問題了。如圖4所示，從端點O出發(fā)的三個矢量，長度分別為m、k、p，如何確定其相互之間的夾角，使其端點U、V、W構(gòu)成一個等邊三角形。可以用當(dāng)前通用的C、FORTRAN、MATLAB等數(shù)學(xué)工具，編一個簡單的程序，如圖5所示，通過迭代計算出需要的角度，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易計算出這個角度。角度計算出來之后，程序設(shè)計人員可以將離線計算的角度值與其對應(yīng)的變頻器系統(tǒng)故障情況存表，在嵌入式系統(tǒng)中直接應(yīng)用。當(dāng)然，也可以使用在線計算的方法，但在線計算會占用單片機(jī)過多的資源，如果處理不好，還會影響到控制的實時性，得不償失，因此一般不建議使用。
根據(jù)上述計算出的變頻器U、V、W三相輸出相電壓之間的角度，來改變所有“健康的”功率模塊相位角，所有“健康的”功率模塊的電壓幅值給定仍然是一致的，使變頻器三相輸出電壓平衡，三相輸出電壓的矢量圖為等邊三角形。
另外，根據(jù)交流電機(jī)對電壓的要求，設(shè)計人員可以修改每個功率模塊的電壓幅值給定(也得到一個表存在上文所述的嵌入式系統(tǒng)中)，得到需要的線電壓輸出，滿足交流電機(jī)對電壓的要求。
在具體實施中，還需要解決一些問題。在現(xiàn)有的技術(shù)中，對于多級串聯(lián)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，一般采用多級正弦PWM調(diào)制方法。在此方法中，為了提高電壓利用率，可以在載波不變的情況下，在三相給定參考波形(即正弦基波波形)上疊加一個同相位的3次諧波，這樣，3次諧波在相電壓中出現(xiàn)，而在線電壓中，由于3次諧波相位相同，互相抵消。但是，對于基波電壓來說，由于避免了過調(diào)制，可以得到更高的電壓。
當(dāng)某個功率模塊發(fā)生故障時，按照上述的方法，調(diào)整了三相功率模塊電壓之間的相位，相位不再是120度，此時，不能再依靠三次諧波來提高電壓利用率；因為三次諧波不能互相抵消了。
為此，本發(fā)明提出了一種新方法，即在每個功率模塊輸出相電壓的指令值上去掉一個偏移量的方法，去掉一個偏移量只影響到相電壓，對線電壓沒有影響。這種方法與上文所述的調(diào)整相位的方法相結(jié)合，用于功率模塊串聯(lián)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PWM控制，可提高電壓利用率。
如圖6所示，首先，應(yīng)該保證線電壓峰值相等，相位互差120度。在已知故障現(xiàn)象(即m、k、p)的情況下，根據(jù)圖5所示的方法重新確定a、b、c相間的三個角度，就能保證這一點；同時，圖5的算法中，也能知道根據(jù)線電壓的要求，每個模塊(或每一相)的電壓峰值指令是多少。此時需要的相位差，相對于本次旁路未發(fā)生時，有一個偏差，將此偏差加到三相電壓的瞬時相位角上，就可以得出當(dāng)前三相的相位角Φa、Φb、Φc。如果采用正弦控制，用電壓峰值乘相位角的正弦值，可以得到三相電壓當(dāng)前的瞬時值Ua、Ub、UcUa＝V1*SINΦaUb＝V1*SINΦbUc＝V1*SINΦc為了提高電壓利用率，不能將此三個值直接送至PWM發(fā)生器中，本發(fā)明提出了圖6所示的方法，計算上述偏移量。圖6中，偏移量Uoffset可以由以下兩種方法得到(1):Uoffset=n*max(Ua,Ub,Uc)+min(Ua,Ub,Uc)2]]>(2):Uoffset=max(mUa,kUb,pUc)+min(mUa,kUb,pUc)2]]>通過驗證可以知道，這兩種方法都可以有效提高電壓利用率，但是根據(jù)已旁路的模塊數(shù)量和系統(tǒng)原有模塊數(shù)量的具體差異，兩種方法的效果會有所差別。當(dāng)然，用戶可以在程序中做一個判定程序，哪個好就用哪個。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載，一般為交流電機(jī)，考慮到交流電機(jī)調(diào)速的需要，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般并不在額定輸出電壓和額定輸出頻率下運行。眾所周知，交流電機(jī)在調(diào)速時，為了避免磁通飽和，一般采取電壓與頻率成正比的協(xié)調(diào)控制方式，即在速度低于額定轉(zhuǎn)速時，電壓也較低；此時，如果發(fā)生功率模塊故障而被旁路的情況，系統(tǒng)輸出電壓能力有所降低，但是，通過適當(dāng)調(diào)整功率模塊的電壓峰值指令，卻仍舊可能滿足在較低轉(zhuǎn)速下交流電機(jī)完全正常工作的需要。如圖4中，外部虛線所示的等邊三角形，代表了交流電機(jī)的線電壓大小，此線電壓與未旁路時的線電壓的比值是可以在圖5所示的算法中計算出來的。此時，可將給定圖6中的給定V1進(jìn)行適當(dāng)增大，如果此時，PWM未出現(xiàn)過調(diào)制的情況，則輸出電壓仍舊可以與未旁路時相等，電機(jī)仍舊可以正常運行。
本發(fā)明中，并未限定m、k、p的具體數(shù)值，因此，對于任意個功率模塊串聯(lián)構(gòu)成的系統(tǒng)，本發(fā)明提出的方法都是適用的。
權(quán)利要求
1.一種在功率模塊故障時使高壓大功率變頻器具有高輸出的方法，該高壓大功率變頻器的每一相由若干個功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成，每一功率模塊單元并聯(lián)有一個旁路電路，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)系統(tǒng)檢測到某相某個功率模塊出現(xiàn)故障，封鎖其輸出，觸發(fā)其旁路電路，保持其它模塊的連接關(guān)系；(2)調(diào)整功率模塊的電壓給定，使變頻器三相輸出的線電壓仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并盡量增大其電壓輸出能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2是指相對降低沒有被旁路或旁路個數(shù)較小的相的功率模塊單元的電壓幅值給定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2是指維持各功率模塊單元電壓幅值給定相等，只調(diào)整三相功率模塊單元給定電壓之間的相位角，使線電壓保持平衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述功率模塊采用PWM調(diào)制方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于增大功率模塊電壓給定的峰值，使線電壓盡量與未發(fā)生功率模塊旁路前接近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于在每個功率模塊輸出相電壓的指令值上去掉一個偏移量，增大變頻器的電壓利用率，提高變頻器的輸出電壓的能力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高壓大功率變頻器在功率模塊故障時的處理方法。該方法包括以下步驟1.系統(tǒng)檢測到某相某個功率模塊出現(xiàn)故障，則封鎖其輸出，然后，觸發(fā)其旁路電路，保持其它模塊的連接關(guān)系；2.調(diào)整功率模塊的電壓給定，使變頻器三相輸出的線電壓仍然保持平衡即幅值相等，相位互差120度，并盡量增大其電壓輸出能力。
文檔編號H02M7/48GK1545199SQ0315582
公開日2004年11月10日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者倚鵬, 鵬 倚 申請人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司