專利名稱：一種級聯(lián)型變流器及其保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種級聯(lián)型變流器及其保護方法。
背景技術(shù)：
級聯(lián)型變流器由N個獨立的全橋電路或半橋電路在交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成，直流側(cè)相互獨立?？捎?個橋臂對通過Y型或Δ型連接構(gòu)成三相系統(tǒng)。應(yīng)用于各種高壓電力電子裝置中。這種級聯(lián)型變流器具有很多優(yōu)點各變流器單元結(jié)構(gòu)相同，容易實現(xiàn)模塊化設(shè)計，安裝， 維修；直流側(cè)相互獨立，相比器件串聯(lián)等拓撲結(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)模塊電壓均衡；各變流器單元工作對稱，開關(guān)負荷平衡；級聯(lián)后，可以使用低壓元器件實現(xiàn)高電壓輸出，結(jié)合載波移相等其他技術(shù)，可以獲得較低的諧波畸變，并采用較低的開關(guān)頻率，從而降低損耗，提高效率。對級聯(lián)變流器的應(yīng)用，保證各個變流器單元(一個變流器可稱為一個變流器單元)的直流母線電壓均衡，才能保證各功率半導(dǎo)體器件承受相同的應(yīng)力，從而保證各個元件都在安全工作范圍內(nèi)。由于各個變流器單元硬件上不可能做到完全一致，結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝的差異導(dǎo)致雜散參數(shù)和熱阻等也不完全相同，所以各個變流器的損耗必然存在著一定差異。穩(wěn)態(tài)時各變流器直流母線電壓由等效并聯(lián)電阻大小決定。如果對每個變流器單元采用完全相同的控制方法，這些差異將影響到系統(tǒng)輸出。所以對級聯(lián)型變流器，各個變流器單元的直流電壓均衡是一個需要解決的問題。目前已經(jīng)有各種控制策略保證變流器單元的直流電壓均衡，但這些控制策略都是通過控制單個變流器的逆變橋的有功電流的大小方向，應(yīng)用于系統(tǒng)輸出時的控制算法中， 只在系統(tǒng)正常工作之后起作用。當系統(tǒng)處于啟動過程中，或者封鎖待機沒有輸出的狀態(tài)，整個變流器的直流母線電壓處于一種不可控狀態(tài)。對級聯(lián)型變流器，均壓方法主要都是針對變流器正常工作，即解鎖狀態(tài)下的均壓控制策略；對于封鎖待機情況下，單個變流器單元處于不可控整流狀態(tài)，還缺少有效的均壓方法。而且當啟動時間較長或待機狀態(tài)較長時，各個變流器單元的直流母線電壓不均衡情況會隨著時間逐漸加重，可能會超出元器件的正常工作范圍對元件造成損壞，或者影響變流器單元的正常工作。目前已有的各種過壓保護策略，其具體實現(xiàn)使用變流器單元的逆變橋，為了保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當變流器單元電壓偏差較大時，可能存在響應(yīng)時間過長或調(diào)節(jié)速度不夠快等問題，到單個變流器單元出現(xiàn)過壓故障時，就只能退出整個系統(tǒng)。對單個變流器單元的過壓保護，當單個變流器單元因為過壓問題不能繼續(xù)工作時，只有整個系統(tǒng)封鎖退出的措施，而過于頻繁的退出系統(tǒng)，對于級聯(lián)型逆變器的應(yīng)用很不利。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種級聯(lián)型變流器及其保護方法，在級聯(lián)型變流器運行時運用主動均壓法控制變流器的直流母線電壓，使其處于平衡狀態(tài)，當主動均壓法不成功時，起動過壓保護方法，保證級聯(lián)型變流器的安全性和穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的一種級聯(lián)型變流器，變流器由全橋電路或半橋電路與電容并聯(lián)組成，N個所述變流器的交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成所述級聯(lián)型變流器；其改進之處在于，在所述電容兩端并聯(lián)設(shè)置一條放電回路，所述放電回路由電阻和二極管并聯(lián)后與IGBT串聯(lián)構(gòu)成；每個變流器交流側(cè)并聯(lián)旁路電路，用于控制變流器的退出。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的級聯(lián)型變流器，其改進之處在于，所述全橋電路為 H橋結(jié)構(gòu)，包括2個完整橋臂，每個完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；所述IGBT模塊由 IGBT和所述IGBT反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的級聯(lián)型變流器，其改進之處在于，所述半橋電路包括1個完整橋臂，所述完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；所述IGBT模塊由IGBT和所述 IGBT反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的級聯(lián)型變流器，其改進之處在于，所述放電回路由電阻和二極管并聯(lián)后與IGBT串聯(lián)的結(jié)構(gòu)為(1)所述二極管與所述放電電阻并聯(lián)，二極管的陽極與IGBT的集電極連接，二極管的陰極與直流母線正極相連；直流母線負極與IGBT的發(fā)射極相連，實現(xiàn)放電回路與直流母線的并聯(lián)；(2)所述二極管與所述放電電阻并聯(lián)，二極管的陰極與IGBT的發(fā)射極連接，二極管的陽極與直流母線負極相連，直流母線正極與IGBT的集電極相連，實現(xiàn)放電回路與直流母線的并聯(lián)。本發(fā)明基于另一目的提供的一種如上述變流器的保護方法，其改進之處在于，所述保護方法包括用主動均壓法或過壓保護方法控制所述級聯(lián)型變流器中每個變流器的直流母線電壓。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的保護方法，其改進之處在于，所述主動均壓法包括如下步驟1)設(shè)定最大不平衡電壓值為Vlimit ；2)檢測所述變流器的直流母線電壓，所述變流器的直流電壓用Vn表示，其中η為所述變流器的序號；3)對所述變流器的直流電壓Vn按數(shù)值大小排序，得到最小直流母線電壓Vx和最大直流母線電壓Vy;4)將所述Vx和Vy進行比較，當Vy-Vx彡Vlimit時，對第y個變流器單元的放電回路中的IGBT下發(fā)觸發(fā)脈沖，進行放電，放電時間為Tref ；5)按照固定時間間隔對各個變流器單元的直流母線電壓進行檢測，重復(fù)所述步驟 1) 4)。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的保護方法，其改進之處在于，所述過壓保護方法包括如下步驟 ①設(shè)定所述變流器工作的最大直流母線電壓為V。VCTI ；所述變流器工作過壓告警的直流母線電壓為V。VCTII _ ；所述過壓警告消失的直流母線電壓為v。VCTlI min ；所述變流器正常
工作的各頁定電J￡為 ^bus_ref ；胃中 VoverI〉^overII_max〉^overII_min〉^bus_ref°②所述Vn中大于所述Vbus &的電壓定為直流母線電壓Vbus ；
③分別將Vbus、V。VCTI和V。VCTII max進行比較，若Vbus > Voverl,則通過旁路電路將過壓的變流器退出或該相級聯(lián)型變流器退出；若Vbus > v。VCTlI—_，進行模塊告警，同時下發(fā)觸發(fā)脈沖，對所述模塊進行放電，直至Vbus < V0verlljlino其中，級聯(lián)型變流器中設(shè)有冗余變流器，當冗余變流器的個數(shù)小于該相中過壓的變流器的個數(shù)時，該相級聯(lián)型變流器全部退出運行。本 發(fā)明提供的較優(yōu)選方案的保護方法，其改進之處在于，所述TMf是指所述步驟 4)進行放電開始直至Vy-Vx的值不超過Vlimit的值的時間段。本發(fā)明提供的另一優(yōu)選方案的保護方法，其改進之處在于，所述固定時間間隔是指所述步驟4)完成后至下一個步驟1)的時間間隔。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的電路簡單；本發(fā)明解決了級聯(lián)變流器在啟動過程，待機狀態(tài)和正常工作狀態(tài)下，變流器單元的均壓和過壓保護問題，對于今后級聯(lián)型變流器的應(yīng)用具有重要的意義。本發(fā)明主動均壓方法可靠，系統(tǒng)工作于各種狀態(tài)下都有效，由于放電電路電阻僅補償各模塊間的等效并聯(lián)阻抗差值，因而損耗非常小；主動均壓可以獲得很好的均壓效果， 為級聯(lián)型變流器的應(yīng)用解決了一個關(guān)鍵問題，且主動均壓控制策略，通過試驗獲得了良好的效果。本發(fā)明的過壓保護方法，該方法電路簡單，方法可靠，采用了與主動均壓控制方法同一個電路，提供了一種快速保護方法，可以獲得很好的保護效果，延長系統(tǒng)的無故障運行時間，為級聯(lián)型變流器的應(yīng)用的提供了基礎(chǔ)。


圖1為本發(fā)明提供的級聯(lián)型變流器(全橋電路)電路圖一。圖2為本發(fā)明提供的級聯(lián)型變流器(全橋電路)電路圖二。圖3為本發(fā)明提供的級聯(lián)型變流器(半橋電路)電路圖一。圖4為本發(fā)明提供的級聯(lián)型變流器(半橋電路)電路圖二。圖5為本發(fā)明提供的主動均壓控制方法流程圖。圖6為本發(fā)明提供的過壓保護控制方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。如圖1所示級聯(lián)型變流器，變流器由全橋電路與電容并聯(lián)組成，N個變流器的交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成級聯(lián)型變流器；本實施例在此之上(一)在電容兩端并聯(lián)設(shè)置一條放電回路； (二)每個變流器交流側(cè)并聯(lián)旁路電路。放電回路的結(jié)構(gòu)是二極管的陽極與IGBT的集電極連接，二極管的陰極與直流母線正極相連；直流母線負極與IGBT的發(fā)射極相連，實現(xiàn)放電回路與直流母線的并聯(lián)。其中全橋電路為H橋結(jié)構(gòu)，包括2個完整橋臂，每個完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；IGBT模塊由IGBT與二極管反并聯(lián)構(gòu)成。其中，N的個數(shù)是根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境由技術(shù)人員確定。如圖2所示級聯(lián)型變流器，變流器由全橋電路與電容并聯(lián)組成，N個變流器的交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成級聯(lián)型變流器；本實施例在此之上(一)在電容兩端并聯(lián)設(shè)置一條放電回路；(二)每個變流器交流側(cè)并聯(lián)旁路電路。放電回路的結(jié)構(gòu)是二極管與放電電阻并聯(lián)，二極管的陰極與IGBT的發(fā)射極連接，二極管的陽極與直流母線負極相連，直流母線正極與IGBT 的集電極相連，實現(xiàn)放電回路與直流母線的并聯(lián)。其中全橋電路為H橋結(jié)構(gòu)，包括2個完整橋臂，每個完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；IGBT模塊由IGBT與二極管反并聯(lián)構(gòu)成。其中，N的個數(shù)是根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境由技術(shù)人員確定。如圖3所 示級聯(lián)型變流器，變流器由半橋電路與電容并聯(lián)組成，N個變流器的交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成級聯(lián)型變流器；本實施例在此之上在電容兩端并聯(lián)設(shè)置一條放電回路，該放電回路的結(jié)構(gòu)是二極管與放電電阻并聯(lián)，二極管的陽極與IGBT的集電極連接，二極管的陰極與直流母線正極相連；直流母線負極與IGBT的發(fā)射極相連，實現(xiàn)放電回路與直流母線的并聯(lián)。其中半橋電路包括1個完整橋臂，完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；IGBT模塊由 IGBT與二極管反并聯(lián)構(gòu)成。如圖4所示級聯(lián)型變流器，變流器由半橋電路與電容并聯(lián)組成，N個變流器的交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成級聯(lián)型變流器；本實施例在此之上在電容兩端并聯(lián)設(shè)置一條放電回路，該放電回路的結(jié)構(gòu)是二極管與放電電阻并聯(lián)，二極管的陰極與IGBT的發(fā)射極連接，二極管的陽極與直流母線負極相連，直流母線正極與IGBT的集電極相連，實現(xiàn)放電回路與直流母線的并聯(lián)。其中半橋電路包括1個完整橋臂，完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；IGBT模塊由 IGBT與二極管反并聯(lián)構(gòu)成。本實施例級聯(lián)型變流器，各個變流器單元在封鎖時下處于不可控整流狀態(tài)，各個變流器單元損耗的差異會導(dǎo)致各個變流器單元的直流母線電壓不平衡。當差異較大時，會影響系統(tǒng)的正常工作。本實施例提出主動均壓方法，通過對直流母線電壓過高的變流器單元進行短時間放電，改變變流器的等效并聯(lián)電阻，使之趨于相等，保證了封鎖狀態(tài)下各變流器單元的直流母線電壓的平衡。當主動均壓法不起作用時，采取過壓保護方法，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性。本實施例的主動均壓法流程如圖5所示，具體包括如下步驟1)控制器設(shè)定最大不平衡電壓值為Vlimit ；2)用電壓霍爾檢測變流器的直流母線電壓，變流器的直流電壓用Vn表示，其中η 為所述變壓器的序號，即每個變壓器的直流母線對應(yīng)Vn中的一個值。3)對變流器的直流電壓Vn按數(shù)值大小排序，得到最小直流母線電壓Vx和最大直流母線電壓Vy;4)將Vx和Vy進行比較，當Vy-Vx彡Vlimit時，控制器對第y個變流器的放電回路中的IGBT發(fā)觸發(fā)脈沖信號，進行放電，放電時間為Tref ；其中TMf是指進行放電開始直至Vy減去Vx的值不超過Vlimit的值的時間段，其具體時間值按現(xiàn)場要求由工作人員設(shè)定。5)控制器按照固定時間間隔對各個變流器單元的直流母線電壓進行檢測，重復(fù) 1) 4)；其中，固定時間間隔是指所述固定時間間隔是指所述步驟4)完成后至下一個步驟 1)的時間間隔，其具體時間值按現(xiàn)場要求由工作人員設(shè)定。本實施例的過壓保護方法流程如圖6所示，具體包括如下步驟①控制器設(shè)定變流器工作的最大直流母線電壓為V。VCTI ；變流器工作過壓告警的直流母線電壓為V。VCTII _ ；過壓警告消失的直流母線電壓為V。VCTII min ；變流器正常工作的額定
J^ ^J V"bus—ref ； 中 VoverI〉Voverll—max〉Voverll—min〉^bus_ref °
②Vn中大于Vbus &的電壓定為直流母線電壓Vbus ；③分別將Vbus、Voverl和V。VCTII max進行比較，若Vbus > Voverl,則通過旁路電路將過壓的變流器退出或該相級聯(lián)型變流器退出；若Vbus > v。VCTlI—_，控制器進行模塊告警，同時給放電回路的IGBT下發(fā)觸發(fā)脈沖，對過壓的變流器進行放電，直至Vbus < V0verlljlino需要說明的是，級聯(lián)型變流器由N個變流器串聯(lián)構(gòu)成，N個變流器中有m個冗余變流器(通常設(shè)1-3個，且m < N)，當冗余變流器的個數(shù)小于過壓變流器的個數(shù)時，該相級聯(lián)型變流器全部退出運行；當冗余變流器的個數(shù)大于過壓變流器(Vbus > Voverl)的個數(shù)時，對過壓的變流器進行旁路。最后應(yīng)該說明的是結(jié)合上述實施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)型變流器，變流器由全橋電路或半橋電路與電容并聯(lián)組成，N個所述變流器的交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成所述級聯(lián)型變流器；其特征在于，在所述電容兩端并聯(lián)設(shè)置一條放電回路，所述放電回路由電阻和二極管并聯(lián)后與IGBT串聯(lián)構(gòu)成；每個變流器交流側(cè)并聯(lián)旁路電路。
2.如權(quán)利要求1所述的級聯(lián)型變流器，其特征在于，所述全橋電路為H橋結(jié)構(gòu)，包括2 個完整橋臂，每個完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；所述IGBT模塊由IGBT和所述IGBT 反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的級聯(lián)型變流器，其特征在于，所述半橋電路包括1個完整橋臂， 所述完整橋臂包括2個串聯(lián)的IGBT模塊；所述IGBT模塊由IGBT和所述IGBT反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的級聯(lián)型變流器，其特征在于，所述放電回路由電阻和二極管并聯(lián)后與IGBT串聯(lián)的結(jié)構(gòu)為(1)二極管的陽極與IGBT的集電極連接，二極管的陰極與直流母線正極相連；直流母線負極與IGBT的發(fā)射極相連；(2)二極管的陰極與IGBT的發(fā)射極連接，二極管的陽極與直流母線負極相連，直流母線正極與IGBT的集電極相連。
5.一種基于權(quán)利要求1所述變流器的保護方法，其特征在于，所述保護方法包括用主動均壓法或過壓保護方法控制所述級聯(lián)型變流器中每個變流器的直流母線電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的保護方法，其特征在于，所述主動均壓法包括如下步驟1)設(shè)定最大不平衡電壓值為Vlimit；2)檢測所述變流器的直流母線電壓，所述變流器的直流電壓用Vn表示，其中η為所述變流器的序號；3)對所述變流器的直流電壓Vn按數(shù)值大小排序，得到最小直流母線電壓Vx和最大直流母線電壓Vy;4)將所述Vx和Vy進行比較，當Vy-Vx彡Vlifflit時，對第y個變流器單元的放電回路中的 IGBT下發(fā)觸發(fā)脈沖，進行放電，放電時間為TMf ；5)按照固定時間間隔對各個變流器單元的直流母線電壓進行檢測，重復(fù)所述步驟 1) 4)。
7.如權(quán)利要求5所述的保護方法，其特征在于，所述過壓保護方法包括如下步驟①設(shè)定所述變流器工作的最大直流母線電壓為V。VCTI；所述變流器工作過壓告警的直流母線電壓為V。VCTII _ ；所述過壓警告消失的直流母線電壓為V。VCTII min ；所述變流器正常工作白勺各頁定電壓為 Vbus_ref ；胃中 Voverl〉VoverlI—max〉^overII_min〉^bus_ref °②所述Vn中大于所述Vbus—的電壓定為直流母線電壓Vbus；③分別將vbus、Voverl和v。VCTlI—max進行比較，若Vbus> v。VCTl，則通過旁路電路將過壓的變流器退出或該相級聯(lián)型變流器退出；若Vbus > v。VCTlI—_，進行模塊告警，同時給放電回路的 IGBT下發(fā)觸發(fā)脈沖，對所述過壓的變流器進行放電，直至Vbus < V0verlljlino
8.如權(quán)利要求6所述的保護方法，其特征在于，所述TMf是指所述步驟4)進行放電開始直至Vy-Vx的值不超過Vlimit的值的時間段。
9.如權(quán)利要求6所述的保護方法，其特征在于，所述固定時間間隔是指所述步驟4)完成后至下一個步驟1)的時間間隔。
全文摘要
本發(fā)明為一種級聯(lián)型變流器及其保護方法，在變流器中加入放電回路和旁路電路，同時用主動均壓法或過壓保護方法對變流器進行監(jiān)控，使級聯(lián)型變流器中各個變壓器的直流母線電壓處于均衡狀態(tài)，或者出現(xiàn)電壓過高時進行過壓保護。本發(fā)明主動均壓法通過試驗獲得了良好的效果。本發(fā)明的過壓保護方法，采用了與主動均壓控制方法同一個電路，提供了一種快速保護方法，可以獲得很好的保護效果，延長系統(tǒng)的無故障運行時間，為級聯(lián)型變流器的應(yīng)用的提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明對于今后級聯(lián)型變流器的應(yīng)用具有重要的意義。
文檔編號H02M7/49GK102355154SQ20111027758
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者孫麗敬, 張佃青, 李志偉, 林嘉揚, 武丹, 王軒, 袁蒙, 鄭斌毅, 韓天緒 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學(xué)研究院, 中電普瑞科技有限公司