專利名稱：開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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。同時，還涉及到這種高壓變頻器
的控制方法。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行 時在其輸出側(cè)的2個接點間建立低阻電流通路，使得該功率單元退出運 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)載的正常運行。
5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+l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。
本發(fā)明即是針對現(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于解決現(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)的高壓變頻器及其控制方法。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的 開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓 器、3m+l個功率單元和兩個開關(guān)組構(gòu)成；所述3m+l個功率單元中包 括有一個備用功率單元；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?yōu)l器的一個相線，分別為第一、第二、第三相
線；所述兩個開關(guān)組分別為第一開關(guān)組和第二開關(guān)組；
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 率單元的輸出端分別為正極和負(fù)極；
所述備用功率單元的一個輸出端與第二相線相連；該備用功率單元 與第二相線相連的一端為第一接點，未與第二相線相連的一端為第二接 點；所述備用功率單元的兩個輸出端均與所述的第一、第二開關(guān)組相連； 所述第一、第三相線分別與所述第一、第二開關(guān)組相連，并在該兩個開 關(guān)組的控制下選擇與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通； 所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關(guān)組相連的一端構(gòu)成 變頻器的三相輸出端。在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)下，所述備用功率單元處于旁 路狀態(tài)或者輸出零矢量，或者所述兩個開關(guān)組將第一、第三相線與之 相連的一端同時與備用功率單元的第一接點相連通。
所述第一、第二開關(guān)組分別由兩個切換開關(guān)組成；所述第一開關(guān)組 的兩個切換開關(guān)一端與所述第一相線的一端相連，另一端分別與所述備 用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關(guān)組的兩個切換開 關(guān)一端與所述第三相線的一端相連，另一端分別與所述備用功率單元的 第一接點和第二接點相連。
所述兩個開關(guān)組分別為一個單刀雙擲開關(guān)；所述第一開關(guān)組的單刀 雙擲開關(guān)的動觸點與所述第一相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所述 備用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關(guān)組的單刀雙擲
開關(guān)的動觸點與所述第三相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所述備用 功率單元的第一接點和第二接點相連。
所述多副邊繞組變壓器為單個多副邊繞組變壓器或是多個原邊串聯(lián) 或并聯(lián)的變壓器構(gòu)成的變壓器組。
所述開關(guān)組為機(jī)械式開關(guān)或者電力電子器件。 一種開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的控制方法，
(1) 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，第一、第二開關(guān)組同時 與該備用功率單元的第一接點相連通，或者備用功率單元處于旁路狀態(tài) 或輸出零矢量，并且第一、第二開關(guān)組與備用功率單元的第一接點或第 二接點相連通或同時與兩個接點相連通；
(2) 當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，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， 則執(zhí)行步驟(3);如果該故障功率單元處于第二相線，則執(zhí)行步驟(4); 如果該故障功率單元處于第三相線，則執(zhí)行步驟(5);
(3) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連
通，與備用功率單元的第一接點不連通，控制第二開關(guān)組與備用功率單
元的第一接點相連通，與備用功率單元的第二接點不連通；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的幅值、頻
率相同，相位相同或相差180度；
(4) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連 通，與備用功率單元的第一接點不連通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通，與備用功率單元的第一接點不連通；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的幅值、頻 率相同，相位相同或相差180度；
(5)高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連 通，與備用功率單元的第二接點不連通，控制第二開關(guān)組與備用功率單 元的第二接點相連通，與備用功率單元的第一接點不連通；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的幅值、頻
率相同，相位相同或相差180度。
所述步驟(3)、 (4)、 (5)中備用功率單元輸出電壓的相位是相同或 相差180度，依據(jù)下述方法控制
(A) 如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為同極連 接，則相位相差180度；
(B) 如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為異極連 接，則相位相同。
一種開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的控制方法，
(21) 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，備用功率單元處于旁 路狀態(tài)或輸出零矢量，或者第一、第二開關(guān)組同時與該備用功率單元的 第一接點相連通；
(22) 當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，高壓變 頻器檢查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， 則執(zhí)行步驟(23);如果該故障功率單元處于第二相線，則執(zhí)行步驟(24); 如果該故障功率單元處于第三相線，則執(zhí)行步驟(25);
(23) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連 通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連通；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值相同或相反；
(24) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連 通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通；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值相同或相反；
(25) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連 通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通；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值相同或相反。
所述步驟(23)、 (24)、 (25)中備用功率單元輸出電壓值相同或相反，依據(jù)下述方法控制
(2A)如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為同極連 接，則輸出相反電壓值；
(2B)如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為異極連
接，則輸出相同電壓值。
本發(fā)明的有益效果是該高壓變頻器僅需要3m+l個功率單元來實 現(xiàn)N+l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)省了兩個 功率單元和兩組變壓器副邊繞組，降低了實現(xiàn)成本。同時，該該備用功 率單元在變頻器正常工作時處于旁路狀態(tài)可以不投入工作，只有在有在 運行功率單元發(fā)生故障時才投入運行，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為開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖4為開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的第一實施例結(jié)構(gòu)示意圖5為開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的第二實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(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。而三個功率單元串聯(lián)組則共同構(gòu)成該高壓變頻器的三 相輸出端，連接至負(fù)載。由于，三個串聯(lián)組分別作為高壓變頻器三相輸 出端的一個相線。因此為了達(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)。
本發(fā)明的發(fā)明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+l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)量的在運行功率單元或是等效為均等 數(shù)量的在運行功率單元。
本發(fā)明即是基于這一設(shè)計思想設(shè)計該冗余結(jié)構(gòu)。圖3為本發(fā)明所設(shè) 計高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，高壓變頻器的輸出部分由3m+l 個功率單元構(gòu)成(m為正整數(shù))和兩個開關(guān)組KG1、 KG2構(gòu)成。其中， 3m+l個功率單元中包括有一個備用功率單元，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。
圖2為功率單元的典型結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，每個功率單元為一個 三相輸入、單相輸出的電壓源型變頻器。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， 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行時，在其輸出端的兩個接點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行。功率單元的輸 出側(cè)沒有旁路機(jī)構(gòu)的，通過控制該功率單元輸出零矢量實現(xiàn)單元旁路。 因此，本發(fā)明所述"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。
所述備用功率單元的一輸出端與第二相線的一端相連。這里將該備 用功率單元與第二相線相連的一端定義為第一接點，未與第二相線相連
的一端定義為第二接點。備用功率單元的第二接點同時與兩個開關(guān)組 KG1、 KG2相連。所述第一相線的一端與KG1相連、第三相線的一端與 KG2相連。
在開關(guān)組KG1、 KG2的開關(guān)控制下，可以選擇第一、第三相線與開 關(guān)組相連的端與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通。所述 第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關(guān)組KG1、 KG2相連的一 端構(gòu)成變頻器的三相輸出端，連接至負(fù)載。
應(yīng)當(dāng)指出，上述第一、第二、第三相線為高壓變頻器中三個對稱的 相線。這里，所提備用功率單元與其中第二相線相連只是為了便于敘述， 事實上備用功率單元可以任意選取其中一個相線進(jìn)行連接。因此，此處 這樣的表述并不失其一般性。在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，所述備用功率單元與開關(guān)
組KG1、 KG2的狀態(tài)可以有兩種選擇。第一種，備用功率單元處于旁 路狀態(tài)或輸出零矢量，則開關(guān)組KG1可以將第一相線與之相連的端 連接至備用功率單元的第一接點，或第二接點、或同時連至兩個接點， 開關(guān)組KG2可以將第三相線與之相連的端連接至備用功率單元的第 一接點，或第二接點、或同時連至兩個接點。第二種，開關(guān)組KG1、 KG2同時將第一、第三相線與之相連的端與備用功率單元的第一接點 相連通，則備用功率單元可以處于不輸出、輸出零矢量、或旁路狀態(tài)； 如果此時開關(guān)組KG1、 KG2控制第一、第三相線與之相連的端與備用 功率單元的第二接點同時不連通，則備用功率單元可以處于任意狀 態(tài)。
這樣該高壓變頻器在正常運行時，以該兩個開關(guān)組的連通點為中 性點，各個相線中各有m個功率單元在投入運行，即處于上述高壓變 頻器最精簡的運行模式下，因此可以滿足了變頻器的額定輸出需要。
另外應(yīng)當(dāng)指出，上述多副邊繞組變壓器在實際應(yīng)用時，并不應(yīng)理解 為局限于單個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)的能夠等效為一個多副邊繞組變壓器的多個變壓器來實 現(xiàn)。因此，此處所提多副邊繞組變壓器，其具體的實現(xiàn)形式并不應(yīng)作為 本發(fā)明保護(hù)范圍的限定性因素。
圖4、圖5分別給出所述開關(guān)組KG1、 KG2兩種具體的實施方式。 如圖4所示，開關(guān)組KG1由兩個切換開關(guān)Kl、 K4組成，開關(guān)組 KG2由兩個切換開關(guān)K2、 K3組成。所述切換開關(guān)K1、 K4一端與第一 相線的一端相連，另一端分別與備用功率單元的第一接點和第二接點相 連。所述切換開關(guān)K2、 K3 —端與第三相線的一端相連，另一端分別與 備用功率單元的第一接點和第二接點相連。
如圖5所示，開關(guān)組KG1、 KG2分別選用一個單刀雙擲開關(guān)K5、 K6來實現(xiàn)，通過單刀雙擲開關(guān)的切換選擇連接備用功率單元的第一接點 或第二接點。
這里，所述切換開關(guān)及單刀雙擲開關(guān)可以為接觸器、斷路器等機(jī)械 式開關(guān)，或者為可控硅、雙向可控硅、GTO、 IGBT、 IGCT等電力電子 器件，或者為其它能夠控制電路在導(dǎo)通狀態(tài)(低阻抗?fàn)顟B(tài))與分?jǐn)酄顟B(tài) (高阻抗?fàn)顟B(tài))間轉(zhuǎn)換的器件、電路或設(shè)備。對于上述結(jié)構(gòu)的高壓變頻器的控制，有很多等效的方法，下面就其 中一種較典型的控制方法進(jìn)行敘述。
上述如圖3所示結(jié)構(gòu)的高壓變頻器，在實際使用中是通過下述具體 步驟對各個功率單元實施控制，以實現(xiàn)對該高壓變頻器的N+l單元冗余 功能
(1) 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，備用功率單元處于旁
路狀態(tài)或，或是開關(guān)組KG1、 KG2同時與備用功率單元的第一接點相連 通；
在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，備用功率單元處于旁路狀態(tài)， 或是開關(guān)組KG1、 KG2同時與備用功率單元的第一接點相連通。這樣， 變頻器處于正常運行狀態(tài)時，其三個相線中分別有m個功率單元處于運 行狀態(tài)，即按照前述最精簡的高壓變頻器運行方式在運行。
(2) 當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，高壓變頻 器檢查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， 則執(zhí)行步驟(3);如果該故障功率單元處于第二相線，則執(zhí)行步驟(4); 如果該故障功率單元處于第三相線，則執(zhí)行步驟(5);
這里，所述第一、第二、第三相線與前述圖3所示高壓變頻器的結(jié)
構(gòu)描述相一致。
(3) 高壓變頻器控制開關(guān)組KG1與備用功率單元的第二接點相連 通，控制開關(guān)組KG2與備用功率單元的第一接點相連通；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，三相線以備用功率單元的第一接點作為變頻器三相線間的中 性點。而備用功率單元被接入發(fā)生故障的第一相線中，補(bǔ)償故障功率單 元的輸出，使得三相線仍能保持三相線各有m個功率單元在線運行的最 精簡方式運行，滿足了變頻器的額定輸出需要。
(4) 高壓變頻器控制開關(guān)組KG1與備用功率單元的第二接點相連 通，控制開關(guān)組KG2與備用功率單元的第二接點相連通；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，三相線以備用功率單元的第二接點作為變頻器三相線間的中 性點。而備用功率單元被接入發(fā)生故障的第二相線中，補(bǔ)償故障功率單
12元的輸出，使得三相線仍能保持三相線各有m個功率單元在線運行的最 精簡方式運行，滿足了變頻器的額定輸出需要。
(5)高壓變頻器控制開關(guān)組KG1與備用功率單元的第一接點相連 通，控制開關(guān)組KG2與備用功率單元的第二接點相連通；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，三相線以備用功率單元的第一接點作為變頻器三相線間的中 性點。而備用功率單元被接入發(fā)生故障的第三相線中，補(bǔ)償故障功率單 元的輸出，使得三相線仍能保持三相線各有m個功率單元在線運行的最 精簡方式運行，滿足了變頻器的額定輸出需要。
其中，所述步驟(3)、 (4)、 (5)中備用功率單元輸出電壓的相位是 相同或相差180度，依據(jù)下述方法控制
(A) 如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為同極連 接，即同為U端或同為V端，則相位相差180度；
(B) 如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為異極連 接，即U端與V端相連，則相位相同。
在上述本發(fā)明的控制方法中，備用功率單元的輸出電壓之所以用電 壓基波作為表述對象，是因為在電壓的各個分量中，基波是起決定性作 用的分量。在實際應(yīng)用中，針對不同硬件構(gòu)成的控制系統(tǒng)，備用功率單 元與其代替的運行功率單元輸出電壓的載波分量可能相同，也可能不同。 但是，只要其基波滿足上述控制方法，就不影響本發(fā)明高壓變頻器N+1 單元冗余控制的實現(xiàn)。
基于上述論述，本發(fā)明還給出當(dāng)備用功率單元與其所代替的運行功 率單元輸出電壓的載波分量相同的情況下，該高壓變頻器的控制方法
(21) 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，備用功率單元處于旁 路狀態(tài)，或是開關(guān)組KG1、KG2同時與備用功率單元的第一接點相連通；
(22) 當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，高壓變 頻器檢查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，
則執(zhí)行步驟(23);如果該故障功率單元處于第二相線，則執(zhí)行步驟(24); 如果該故障功率單元處于第三相線，則執(zhí)行步驟(25);
(23) 高壓變頻器控制開關(guān)組KG1與備用功率單元的第二接點相連 通，控制開關(guān)組KG2與備用功率單元的第一接點相連通；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值相同或相反； 所述相同或相反指的是電壓數(shù)值相同，但正負(fù)極性相同或相反。
(24) 高壓變頻器控制開關(guān)組KG1與備用功率單元的第二接點相連
通，控制開關(guān)組KG2與備用功率單元的第二接點相連通；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值相同或相反；
(25) 高壓變頻器控制開關(guān)組KG1與備用功率單元的第一接點相連 通，控制開關(guān)組KG2與備用功率單元的第二接點相連通；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值相同或相反。
相應(yīng)的，其中所述步驟(23)、 (24)、 (25)中備用功率單元輸出電 壓值相同或相反，依據(jù)下述方法控制
(2A)如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為同極連 接，則輸出相反電壓值；
(2B)如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為異極連 接，則輸出相同電壓值。
綜上所述，本發(fā)明所設(shè)計的開關(guān)切換型單元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)省了兩個 功率單元和2個變壓器副邊繞組，降低了實現(xiàn)成本。同時，由于本發(fā)明 所設(shè)計的備用功率單元在變頻器正常工作時可以被開關(guān)組短路不投入運 行，只有在有運行功率單元發(fā)生故障時才投入運行，因此降低了系統(tǒng)損 耗，提高了系統(tǒng)效率。
權(quán)利要求
1、開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、3m+1個功率單元和兩個開關(guān)組構(gòu)成；所述3m+1個功率單元中包括有一個備用功率單元；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；所述兩個開關(guān)組分別為第一開關(guān)組和第二開關(guān)組；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別為正極和負(fù)極；所述備用功率單元的一個輸出端與第二相線相連；該備用功率單元與第二相線相連的一端為第一接點，未與第二相線相連的一端為第二接點；所述備用功率單元的兩個輸出端均與所述的第一、第二開關(guān)組相連；所述第一、第三相線分別與所述第一、第二開關(guān)組相連，并在該兩個開關(guān)組的控制下選擇與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關(guān)組相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端。
2、 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在 于在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)下，所述備用功率單元處于旁 路狀態(tài)或者輸出零矢量，或者所述兩個開關(guān)組將第一、第三相線與之 相連的一端同時與備用功率單元的第一接點相連通。
3、 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征 在于所述第一、第二開關(guān)組分別由兩個切換開關(guān)組成；所述第一開關(guān) 組的兩個切換開關(guān)一端與所述第一相線的一端相連，另一端分別與所述 備用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關(guān)組的兩個切換開關(guān)一端與所述第三相線的一端相連，另一端分別與所述備用功率單元 的第一接點和第二接點相連。
4、 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征 在于所述兩個開關(guān)組分別為一個單刀雙擲開關(guān)；所述第一開關(guān)組的單 刀雙擲開關(guān)的動觸點與所述第一相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所 述備用功率單元的第一接點和第二接點相連；所述第二開關(guān)組的單刀雙擲開關(guān)的動觸點與所述第三相線的一端相連，兩個靜觸點分別與所述備 用功率單元的第一接點和第二接點相連。
5、 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，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多個原邊串聯(lián) 或并聯(lián)的變壓器構(gòu)成的變壓器組。
6、 如權(quán)利要求1、 3或4所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于所述開關(guān)組為機(jī)械式開關(guān)或者電力電子器件。
7、 一種開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的控制方法，基于權(quán)利要求l所述高壓變頻器實現(xiàn)，其特征在于(1) 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，第一、第二開關(guān)組同時 與該備用功率單元的第一接點相連通，或者備用功率單元處于旁路狀態(tài)或輸出零矢量，并且第一、第二開關(guān)組與備用功率單元的第一接點或第 二接點相連通或同時與兩個接點相連通；(2) 當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，高壓變頻 器檢查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， 則執(zhí)行步驟(3);如果該故障功率單元處于第二相線，則執(zhí)行步驟(4); 如果該故障功率單元處于第三相線，則執(zhí)行步驟(5);(3) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通，與備用功率單元的第一接點不連通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連通，與備用功率單元的第二接點不連通；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的幅值、頻 率相同，相位相同或相差180度；(4) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通，與備用功率單元的第一接點不連通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通，與備用功率單元的第一接點不連通；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的幅值、頻 率相同，相位相同或相差180度；(5) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連 通，與備用功率單元的第二接點不連通，控制第二開關(guān)組與備用功率單 元的第二接點相連通，與備用功率單元的第一接點不連通；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的幅值、頻 率相同，相位相同或相差180度。
8、 如權(quán)利要求7所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的控制方法，其特征在于所述步驟(3)、 (4)、 (5)中備用功率單元輸出電壓的相位是相同或相差180度，依據(jù)下述方法控制(A) 如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為同極連 接，則相位相差180度；(B) 如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為異極連 接，則相位相同。
9、 一種開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的控制方法，基于權(quán)利要求l所述高壓變頻器實現(xiàn)，其特征在于(21) 在該高壓變頻器處于正常運行狀態(tài)時，備用功率單元處于旁路狀態(tài)或輸出零矢量，或者第一、第二開關(guān)組同時與該備用功率單元的第一接點相連通；(22) 當(dāng)有一個在運行功率單元因故障而旁路退出運行時，高壓變 頻器檢查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， 則執(zhí)行步驟(23);如果該故障功率單元處于第二相線，則執(zhí)行步驟(24); 如果該故障功率單元處于第三相線，則執(zhí)行步驟(25);(23) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連 通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連通；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值相同或相反；(24) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連 通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通；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值相同或相反；(25) 高壓變頻器控制第一開關(guān)組與備用功率單元的第一接點相連 通，控制第二開關(guān)組與備用功率單元的第二接點相連通；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值相同或相反。
10、 如權(quán)利要求9所述的開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器的控制方 法，其特征在于所述步驟(23)、 (24)、 (25)中備用功率單元輸出電 壓值相同或相反，依據(jù)下述方法控制-(2A)如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為同極連 接，則輸出相反電壓值；(2B)如果所述備用功率單元與發(fā)生故障的相線的連接端為異極連 接，則輸出相同電壓值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種開關(guān)切換型單元冗余高壓變頻器，其特征在于由多副邊繞組變壓器、3m+1個功率單元和兩個開關(guān)組構(gòu)成3m+1個功率單元中包括一個備用功率單元，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；備用功率單元的一個輸出端與第二相線相連；所述第一、第三相線分別與第一、第二開關(guān)組相連，并在該兩個開關(guān)組的控制下選擇與所述備用功率單元的第一接點或第二接點相連通；所述第一、第二、第三相線未與備用功率單元或開關(guān)組相連的一端構(gòu)成變頻器的三相輸出端。該高壓變頻器僅需要3m+1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)省了兩個功率單元，降低了實現(xiàn)成本。
文檔編號H02M5/16GK101594060SQ20091008332
公開日2009年12月2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