[发明专利]防止有功回灌的高压变频器容错调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电能变换技术领域，具体涉及一种防止有功回灌的高压变频器容错调制方法。

背景技术

高压大功率变频调速技术对于节约能源具有重要意义。级联H桥逆变器是高压变频器的主流拓扑。它具有输出谐波小、输出相同电平数时所用器件少、容错能力强等优点。由于级联H桥逆变器功率单元数较多，可能发生故障的概率也非常大，因此它的可靠性成为很多研究的焦点。另一方面，当一个或几个功率单元发生故障后，这些故障单元可以通过双向晶闸管或旁路接触器短路，级联H桥逆变器可以依靠剩余的正常单元继续运行。

故障单元隔离后，三相剩余的正常工作的功率单元数目不同，因此三相各自可实现的最大输出电压也不同。如果不对调制信号做相应调整，那么三相输出线电压就可能出现严重不对称。为了解决这一问题，必须采取相应的容错处理措施。级联H桥逆变器的容错处理技术大体可分为下面五类：

(1)增添冗余功率单元：

增添冗余功率单元是一种硬件容错方法。除了正常运行时每相所必须的N个单元外，这种方法需要每相额外增加一个冗余单元。当某个功率单元发生故障后被旁路，剩余单元仍然能够输出正常运行时所需的电压。但是这种方法显然增加了硬件成本。额外增加的冗余功率单元及其附属的各种器件增加了发生故障的概率，反而不利于装置可靠性的提高。

(2)提升剩余单元直流侧电压：

在某一相的故障单元被旁路后，可以提升此相其余单元的直流侧电压，以使三相单元直流侧电压之和相等。这种方法可以使逆变器在故障时仍保持正常的电压输出能力，但只适合于直流侧电压可以被控制的装置，比如STATCOM或具有前端PWM整流器的级联H桥逆变器。而且这种方法要求器件可承受的电压比正常运行时承受的电压高很多，因此同样会增加成本。

(3)旁路同级功率单元：

这种方法在功率单元发生故障时，除了旁路这些发生故障的单元外，还要旁路其他单元的一些正常单元，以保证逆变器各相具有相同的剩余单元数。由于这种方法旁路了过多正常的单元，逆变器的可输出的最大电压会大幅降低，尤其是在大多数故障单元集中出现在同一相时。这意味着变频器要大幅降额运行。

(4)冗余开关状态技术

多用在空间矢量调制中。级联多电平逆变器的开关状态太多，使得这种容错方法过于复杂。

(5)注入零序电压

这是目前较为实用的一种方法。这种方法通过向三相指令电压注入零序分量，使变频器在三相功率单元数不均等的情况下依然能输出平衡的线电压，并扩大了线性调制的范围。根据注入零序电压的不同，这一类方法又分为很多小类。最早的基于注入零序电压的方法罗宾康公司提出的中性点漂移技术。中性点漂移技术只旁路发生故障的单元，通过调整逆变器三相电压的幅值和相位使三相线电压仍然保持均衡，其实质是注入基波零序电压。中性点漂移技术能够实现比同级旁路技术更高的输出电压。然而中性点漂移技术要求逆变器三相相电压幅值与各相的功率单元数成正比。受这一要求的限制，这种方法并不能充分提高逆变器的电压输出能力，而且相角计算也有些复杂。另一种改进的中性点漂移技术不再采用改变正弦调制波相位的方法，而是采用闭环反馈的方法加入零序电压，充分提高了逆变器在各种故障类型下的可输出电压(除了单相单元全被旁路的情况)，但闭环控制增加了方法的复杂性。后来很多文献提出了采用了相对简单的开环计算的方法。

但是，上述方法在带负载运行时都会面临共同的问题：注入的基波零序电压会与输出电流交互作用从而可能产生负的有功功率。这可能某一相或两相有可能吸收有功功率。对于能量可以双向传递的级联H桥逆变器，可以将有功功率回馈回电网。但实际应用中不少级联H桥逆变器具有像图1那样的拓扑。这些拓扑采用二极管整流桥来提供直流电压，它们不能将功率回馈回电网。有功功率回灌到直流侧会导致直流侧电压上升到不可接受的程度从而损坏器件。而且，负载功率因数越低，有功功率越容易回灌。这严重威胁到级联H桥高压变频器的安全运行。

有功回灌源自零序电压的注入，所以防止有功回灌需要对零序电压本身进行控制。利用零序电压控制三相功率分配的方法已经在很多场合被使用，例如STATCOM的电压均衡策略，级联H桥蓄电池储能系统的SOC均衡策略等。但是，这些方法均没有考虑到容错运行对零序电压的要求。在容错运行条件下，注入零序电压的目的不仅是分配三相有功功率，还要扩展可输出电压范围。

因此，容错运行时的调制方法应当在保证变频器具有最大输出电压能力的同时，又要避免注入零序电压所引起的有功回灌。这是容错运行调制方法的重点和难点。

发明内容