專利名稱：一種功率單元直流電壓可調的高壓變頻器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，其功率單元的直流電 壓既可以穩(wěn)定在給定值，也可以在較寬的范圍內調節(jié)。
背景技術：
由于能源價格上漲和節(jié)能減排宏觀政策的引導，隨著電力電子技術的快速發(fā)展， 多種類型的高壓變頻器得到了廣泛的應用。其中功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具有輸出電壓 正弦度高、對電網的污染小以及電壓應力小等優(yōu)點，成為目前高壓變頻器的優(yōu)選方案?，F(xiàn)有的功率單元串聯(lián)型高壓變頻器，其功率單元的整流電路普遍采用二極管整 流，在電網電壓有波動時整流電路輸出的直流電壓也會跟著波動。直流電壓過低時，高壓變 頻器將無法輸出額定電壓；直流電壓過高時，將會威脅到裝置的安全。所以高壓變頻器都設 有保護電路，并對電網電壓設定一個保護范圍，當電網電壓波動超過這個保護范圍時，高壓 變頻器的保護電路將會動作，導致系統(tǒng)停機。另外，為了在功率單元出現(xiàn)故障被旁路后高壓變頻器仍可以輸出額定電壓，目前 普遍采用的方案有兩種第一，在設計時增加冗余功率單元；第二，采用“中性點位移”技 術。然而，增加冗余功率單元就會增大裝置的體積，同時也增加了成本；采用“中性點位移” 技術，輸入功率因數將會下降，中性點電壓升高。如果出現(xiàn)故障的功率單元有兩個甚至兩個 以上，那么這兩種方法都不能保證高壓變頻器輸出額定電壓。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種功率單元直流電壓 可調的高壓變頻器，有效地增強了高壓變頻器對電網電壓波動的適應能力，同時還解決了 高壓變頻器在功率單元旁路后輸出額定電壓的問題。本實用新型采用以下的技術方案來實現(xiàn)上述目的本功率單元直流電壓可調的高 壓變頻器，包括依次連接的三相移相變壓器、若干功率單元以及主控制系統(tǒng)；所述功率單 元包括與主控制系統(tǒng)連接的、用于控制功率單元內直流母線上的直流電壓的功率單元控制 器；在主控制系統(tǒng)向功率單元控制器發(fā)送的數據中，定義至少一位數據位來表示不同的直 流電壓給定值；功率單元控制器接收主控制系統(tǒng)發(fā)送的數據，判斷當前直流電壓是否為給 定值，并控制功率單元直流母線上的直流電壓跟隨給定值；主控制系統(tǒng)根據高壓變頻器輸 出電壓和直流電壓給定值，實時計算當前所需的調節(jié)度。所述功率單元還包括整流電路、支撐電容、逆變電路和旁路接觸器；所述功率單元 控制器分別與整流電路、支撐電容、逆變電路連接，旁路接觸器與逆變電路的輸出端并聯(lián)。所述整流電路采用IGBT構成的三相橋結構。所述三相移相變壓器的副邊設有多個副邊繞組，每一副邊繞組與一個功率單元的 輸入端一一對應相連；同相的功率單元輸出端串聯(lián)后與負載相連。所述功率單元控制器經過光纖與主控制系統(tǒng)連接。[0011]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果在于1、功率單元的直流電壓可以在電網電壓出現(xiàn)波動時保持相對穩(wěn)定，降低了電網電 壓波動對高壓變頻器的影響，提高了裝置的可靠性.2、功率單元因故障被旁路以后，升高剩余功率單元的直流電壓，使得高壓變頻器 仍能夠輸出額定電壓，并且結構上無需增加冗余功率單元，同時確保輸出側三相平衡，輸入 側功率因數高。
圖1為本實用新型所涉及的高壓變頻器結構圖；圖2為本實用新型所涉及的功率單元主電路的結構圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施 方式不限于此。實施例如圖1所示，本實用新型涉及的高壓變頻器包括三相移相變壓器1、若干功率單元 2、主控制系統(tǒng)3和光纖4 ；如圖2所示，所述功率單元2包括功率單元控制器5、整流電路
6、支撐電容7、逆變電路8和旁路接觸器9，功率單元控制器5分別與整流電路6、支撐電容
7、逆變電路8連接，旁路接觸器9與逆變電路8的輸出端并聯(lián)。功率單元的整流電路采用 IGBT構成的三相橋結構，輸出的直流電壓由功率單元控制器調節(jié)，直流電壓既可以穩(wěn)定在 一個確定的值，也可以在較寬的范圍內調節(jié)。三相移相變壓器1的原邊繞組為高壓側，經過隔離開關或者斷路器與電網相連； 副邊繞組為低壓側，并且分為多個副邊繞組，每一副邊繞組與一個功率單元2的輸入端直 接相連。同相的功率單元輸出端串聯(lián)后與負載相連。主控制系統(tǒng)3和每個功率單元控制器 5之間通過一對光纖4相連，由光纖傳輸主控制系統(tǒng)的控制信號和功率單元控制器的反饋信號。在主控制系統(tǒng)3向功率單元控制器發(fā)送的數據當中，定義至少一位數據位表示直 流電壓給定值；功率單元控制器接收主控制系統(tǒng)發(fā)送的數據，判斷當前直流電壓是否為給 定值，并控制整流電路輸出的直流電壓跟隨給定值。該數據位如果定義一位，則有“0”和 “1”兩種狀態(tài)，可以表示兩個不同的直流電壓給定值；如果定義兩位，則有“00”、“01”、“10” 和“11”四種狀態(tài)，可以表示四個不同的直流電壓給定值；如果定義三位，則有八種狀態(tài)可 以利用；歸納起來，表示直流電壓的數位有η位，則可以表示2的η次方種不同的直流電壓 給定值，在實際應用當中一般將η選為1或者2。主控制系統(tǒng)根據電網電壓的波動和功率單元故障的情況，判斷當前的直流電壓給 定值是否滿足需要，如滿足則保持上一次的計算值；如不滿足則重新計算，再通過光纖把直 流電壓的給定值發(fā)送給功率單元控制器。功率單元逆變電路輸出電壓與直流電壓的關系可以用下面的公式來表示Uco = M*Udc(1)公式(1)中，Uco為一個功率單元逆變電路的輸出電壓；M為直流電壓的利用率，也稱為調節(jié)度，且M < 1 ；Udc為功率單元的直流電壓。高壓變頻器的輸出電壓Uo是功率單元疊加后合成的，可以表示為Uo = N*Uco = N*M*Udc(2)公式O)中，N是一相串聯(lián)的功率單元的個數，也稱為高壓變頻器的級數。功率單元控制器采用高性能的控制策略(如矢量控制)對整流電路進行控制，一 方面實現(xiàn)直流電壓跟隨給定值，同時保持功率單元輸入側為單位功率因數。在所有功率單 元都正常的情況下，主控制系統(tǒng)發(fā)送的數據中關于直流電壓給定值的數據位內容一直保持 不變。所以即使電網電壓出現(xiàn)波動，功率單元的直流電壓仍將穩(wěn)定在給定值。在功率單元出 現(xiàn)故障的時候，主控制系統(tǒng)將故障的功率單元和同級的功率單元一起切除，并根據式0)， 用高壓變頻器的輸出電壓、允許的最大調節(jié)度和剩余功率單元的級數計算功率單元所需的 直流電壓，如果這個直流電壓比當前給定的直流電壓小，則無需調整直流電壓給定，反之則 需要更改給定值，把功率單元的直流電壓給定值上升到更高的水平。當直流電壓給定值變 化之后，主控制系統(tǒng)根據高壓變頻器輸出電壓和直流電壓給定值，實時計算當前所需的調 節(jié)度，保證輸出電壓滿足負載的要求。本實用新型對功率單元直流電壓的調整可用額定電壓為6kV，額定級數為6級的 高壓變頻器為例來說明用兩位數據位來表示四種不同的直流電壓給定值，分別是“00”、“01”、“10”和 “ 11 ”，對應的直流電壓給定值為850V、900V、950V和1000V。在功率單元正常的情況下，給定 直流電壓選最低的值850V，即主控制系統(tǒng)發(fā)送的表示直流電壓給定值的數據為“00”，功率 單元控制器接收后，控制整流電路輸出的直流電壓跟隨給定值。所以，即使電網電壓有較大 的波動，功率單元的直流電壓仍將穩(wěn)定在給定值，不會對輸出電壓造成影響。一旦功率單元 出現(xiàn)故障，主控制系統(tǒng)發(fā)出指令，功率單元控制器接收后驅動旁路接觸器，將故障的功率單 元和同級的功率單元一起切除；同時主控制系統(tǒng)計算當前的直流電壓是否滿足需要，如果 滿足則不調整，如果不滿足則重新計算合適的直流電壓，并發(fā)送至功率單元控制器以調整 直流電壓。當直流電壓給定值變化之后，主控制系統(tǒng)根據高壓變頻器輸出電壓和直流電壓 給定值，實時計算當前所需的調節(jié)度，保證輸出電壓滿足負載的要求。所有基于本實用新型，在技術上采用主控制系統(tǒng)計算直流電壓給定值、通過光纖 傳送特定的數據位表示直流電壓給定值、功率單元控制器跟隨指令控制整流電路輸出的直 流電壓為給定值、主控制系統(tǒng)根據高壓變頻器輸出電壓和直流電壓給定值實時計算當前所 需的調節(jié)度的設計均在保護范圍之內。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述 實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神、實質與原理下所作的改變、修飾、替 代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，包括依次連接的三相移相變壓器、若干 功率單元以及主控制系統(tǒng)；其特征在于所述功率單元包括與主控制系統(tǒng)連接的、用于控 制功率單元內直流母線上的直流電壓的功率單元控制器；在主控制系統(tǒng)向功率單元控制器 發(fā)送的數據中，定義至少一位數據位來表示不同的直流電壓給定值；功率單元控制器接收 主控制系統(tǒng)發(fā)送的數據，判斷當前直流電壓是否為給定值，并控制功率單元直流母線上的 直流電壓跟隨給定值；主控制系統(tǒng)根據高壓變頻器輸出電壓和功率單元直流電壓給定值， 實時計算當前所需的調節(jié)度。
2.根據權利要求1所述的功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，其特征在于所述功 率單元還包括整流電路、支撐電容、逆變電路和旁路接觸器；所述功率單元控制器分別與整 流電路、支撐電容、逆變電路連接，旁路接觸器與逆變電路的輸出端并聯(lián)。
3.根據權利要求2所述的功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，其特征在于所述整 流電路采用IGBT構成的三相橋結構。
4.根據權利要求1所述的功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，其特征在于所述三 相移相變壓器的副邊設有多個副邊繞組，每一副邊繞組與一個功率單元的輸入端一一對應 相連；同相的功率單元輸出端串聯(lián)后與負載相連。
5.根據權利要求1所述的功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，其特征在于所述功 率單元控制器經過光纖與主控制系統(tǒng)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種功率單元直流電壓可調的高壓變頻器，包括依次連接的三相移相變壓器、若干功率單元以及主控制系統(tǒng)；其特征在于所述功率單元包括與主控制系統(tǒng)連接的、用于控制功率單元內直流母線上的直流電壓的功率單元控制器；在主控制系統(tǒng)向功率單元控制器發(fā)送的數據中，定義至少一位數據位來表示不同的直流電壓給定值；功率單元控制器接收主控制系統(tǒng)發(fā)送的數據，判斷當前直流電壓是否為給定值，并控制功率單元直流母線上的直流電壓跟隨給定值；主控制系統(tǒng)根據高壓變頻器輸出電壓和功率單元直流電壓給定值，實時計算當前所需的調節(jié)度。本實用新型有效地增強了高壓變頻器對電網電壓波動的適應能力，同時還解決了高壓變頻器在功率單元旁路后輸出額定電壓的問題。
文檔編號H02M5/458GK201821274SQ20102055654
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權日2010年10月8日
發(fā)明者孫開發(fā), 石磊, 許賢昶 申請人:廣州智光電機有限公司