《级联型电力电子变流装置功率单元旁路方式分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《级联型电力电子变流装置功率单元旁路方式分析（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、级联型电力电子变流装置功率单元旁路方式分析 姜耀伟 刘永丽 杨大成 周阳 中车株洲所电气技术与材料工程研究院 株洲中车时代电气股份有限公司 摘 要： 针对级联型电力电子变流装置的功率单元故障, 介绍了三相对称旁路、中性点偏移和功率单元冗余等 3 种旁路技术的处理策略, 对比分析了功率单元不同旁路结构的工作原理、性能优缺点和适用范围, 并分析了功率单元旁路结构对变流装置可靠性的影响。关键词： 可靠性; 旁路结构; 冗余; 级联; 电力电子变流装置; 作者简介：姜耀伟 (1986-) , 男, 工程师, 主要从事大功率变流装置的开发设计工作。收稿日期：2017-06-13基金：国家重点研发计划 (
2、2017YFB1200900) Analysis of Power Cell Bypass for Power Electronic Converter Based on Cascaded ModuleJIANG Yaowei LIU Yongli YANG Dacheng ZHOU Yang CRRC ZIC Research Institute of Electrical Technology Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd.; Abstract： It analyzed the solutions for failure of the casca
3、ded power electronic converter, such as the sym-bypass in three-phase, neutral point drift technology and redundant power cell, and introduced the operation principle, the characteristic of different bypass structures for power cell and the discussion for the applications of the bypass structure in
4、different situation. The influence of bypass structure for power cell on the reliability of converter was also analyzed.Keyword： reliability; bypass structure; redundancy; cascaded; power electronic converter; Received： 2017-06-130引言功率单元是电力电子变流装置最重要的组成部分, 每个装置由多个功率单元构成。采用功率单元级联技术的电力电子变流装置在高压、大电流、大功率
5、等场合具有非常广泛的应用, 如静止同步补偿器 (STATCOM, 又称 SVG) 、高压变频器、电力电子变压器 (power electronic transformer, PET) 、模块化多电平变流器 (modular multilevel converter, MMC) 等1-5。这些装置的可靠性要求高, 不仅要求能实现长时间正常运行, 还要求在出现某些故障的情况下, 能通过采取必要的保护措施, 实现装置的继续正常运行或降额运行, 以降低故障造成的损失。多年的现场应用2经验表明, 功率单元故障是造成变流装置故障的主要原因。本文以三相级联电力电子变流装置为例, 从旁路结构、故障处理策略入手
6、, 分析级联型电力电子变流装置采用冗余设计的可靠性, 对比分析了功率单元旁路技术的优缺点。1采用功率单元旁路技术的可靠性分析1.1变流装置常用旁路技术如图 1 所示, 在三相级联型电力电子变流装置中, 每一相都包含多个功率单元。当功率单元发生故障时, 最常用的解决方法就是将其旁路, 与主电路隔离。目前, 常用的旁路技术有三相对称旁路技术、中性点偏移技术和功率单元冗余技术5。1.1.1 三相对称旁路技术如图 1, 当某相中出现一个或多个功率单元因故障而需要被旁路时, 若只是旁路故障相的该功率单元, 会导致三相电压不平衡, 影响装置的正常运行。因此, 采用对称旁路技术, 即将其余两相对称位置和相同
7、数量的功率单元也旁路 (即使这些功率单元并未出现故障) 。这样, 变流装置能保持三相电压平衡;但是因为旁路了其余两相正常的功率单元, 降低了装置的容量, 使装置的工作范围变小, 功率单元的利用率不高。图 1 级联型电力电子变流装置 Fig.1 Power electronic converter based on cascaded module 下载原图1.1.2 中性点偏移技术故障单元被旁路后, 输出各相电压幅值不同, 此时采用中性点偏移技术调整相电压之间的相位差, 依然可以保证变流装置输出对称的线电压, 即三相线电压中性点发生偏移, 不再位于三相线电压矢量的物理中心点。但中性点偏移技术是基
8、于变流装置的三相输出采用星形连接, 因为此时变流装置运行中真正起作用的是线电压。如图 2 所示, 当某个功率单元 (以 A1 为例) 被旁路后, 该相 (A 相) 剩余功率单元继续输出电压, 通过采用中性点偏移技术, 调整三相电压之间的相位角, 依然能够实现输出线电压平衡。通过计算5, 采用中性点偏移技术后, 输出线电压 UAB 略低于 UAB, 但远高于三相对称旁路时的输出线电压。图 2 5 级联型变流装置中性点偏移示意图 Fig.2 Neutral point drift technology for cascaded converter 下载原图1.1.3 功率单元冗余技术在图 1 所示
9、变流装置每相原有的 N 个功率单元上, 每相再增加 x 个冗余单元 (热备或冷备) , 如图 3 所示。则当某个故障单元被旁路时, 控制系统投入该相冷备冗余单元或调整热备单元的输出电压, 即能实现输出电压平衡 (其余两相不用特别调节) 。图 3 功率单元冗余级联型电力电子变流装置 Fig.3 Cascaded power electronic converter with redundancy power cell 下载原图可见, 采用三相对称旁路技术和中性点偏移技术, 变流装置需要采取降额运行策略;而采用功率单元冗余备份, 不需要降额, 装置的可靠性和稳定运行能力更高。1.2可靠性分析级联型
10、变流装置每相包含 N 个功率单元 (图 1) , 设单个功率单元的故障率为, 则其可靠度函数 Rc6-7为不考虑其他部件的故障影响, 在全部功率单元同时正常工作时, 级联型变流器装置才能正常运行, 则装置的可靠度函数为全部功率单元可靠度函数的乘积5, 即:装置的总故障率即为全部功率单元故障率之和:其 MTBF (平均故障间隔时间) 为采取冗余措施后, 如图 3 装置的可靠度函数为每相可靠度函数乘积, 即:此时, 装置的 MTBF (平均故障间隔时间) 为根据式 (6) 可计算出图 3 所示级联型变流装置中冗余功率单元数 x 对装置MTBF 的影响 (表 1) 。可以看出, 当单个功率单元具有同
11、样的故障率 时, 在最少功率单元数量 N 相同时, 冗余功率单元数 x 越大, 整个装置的可靠度就越高。通过以上可靠性分析结果可知, 级联型变流装置在满足装置要求的最少功率单元数以外, 通过增加冗余功率单元可以极大地提高系统的可靠性。表 1 冗余功率单元数 x 对变流装置 MTBF 的影响 Tab.1 Influence of the amount of redundancy power cell on MTBF of converter 下载原表 2常用旁路结构分析当控制系统检测到级联型变流装置某个单元发生故障时, 发出控制命令, 使相应的旁路机构动作, 将与故障单元相邻的两个单元连接起来,
12、 使故障单元与主回路有效分离, 变流装置继续运行。这个方法不仅可以对电力电子器件的故障形成保护, 而且可以在功率单元控制电路中光纤等关键元器件发生故障时提供保护。旁路机构有很多种, 如电磁式交流接触器、反并联 SCR 或桥式整流+SCR、反向串联 IGBT5、以及采用主回路 IGBT 旁路技术8。2.1电磁式交流接触器如图 4 所示, 采用电磁式交流接触器7并联在功率单元输出端, 变流装置控制系统通过检测接触器的常开/常闭触点状态, 判断其是否旁路。该方案系统电路简单、易实现、控制功率小、成本低;但故障实时恢复性不强, 变流装置从出现故障到完成旁路的过程较长 (主要取决于接触器的合闸时间, 一
13、般为 10 ms 以上) , 在这个过程中, 变流装置需要中断输出。图 4 电磁式交流接触器旁路结构 Fig.4 Bypass circuit with electromagnetic contactor 下载原图2.2反并联 SCR 与桥式整流+SCR如图 5 所示, 采用反并联 SCR 或桥式整流+SCR7并联在功率单元交流输出端作为旁路结构。该方案的优点是旁路速度快 (SCR 的开通时间可达数十微秒) , 变流装置可以不中断输出, 即时旁路故障单元 (也称在线旁路) 。但该方案的缺点也比较明显, 包括:(1) 由于 SCR 门极导通阈值低 (2 V 左右) , 在变流装置正常运行下, S
14、CR 容易受干扰而误触发, 导致 SCR 损毁和变流装置故障。(2) SCR 属于半控型器件, 只有在器件两端施加反向电压或使流过器件的电流为零才能实现关断。如图 5 (a) 方案, 需要实时检测 SCR 端电压和电流, 才能实现实时控制和触发;如图 5 (b) 方案, SCR 导通后, 器件无法实现关断, 即使功率单元故障清除后也将处于被旁路状态, 只有等到装置重启之后被旁路的功率单元才能再次投入运行。(3) 该方案不但需要整流二极管、SCR 等功率器件, 还需要触发电路、检测电路、吸收电路等, 导致器件增多, 可靠性降低。(4) SCR 的触发电路复杂, 需要隔离电源, 且容量大 (大于
15、20 W) 。(5) 吸收回路、检测回路体积较大, SCR 保护复杂, 不便于小型化设计。(6) SCR 承受 dv/dt、di/dt 的能力有限, 限制了功率单元的开关频率和开关速率。(7) 增加了产品的成本和体积。图 5 反并联 SCR 或桥式整流+SCR 旁路结构 Fig.5 Bypass circuit with anti-parallel-SCR or with H-Bridge and SCR 下载原图2.3反向串联 IGBT如图 6 所示, 采用 IGBT 反向串联后并联在功率单元交流输出端。该方案旁路速度快, 开通时间可达 10s 甚至更短, 可以实现在线旁路功能;且因 IGB
16、T 器件开关可控, 当被旁路功率单元故障消失后, 无需重启装置即可实现重投;同图 5方案相比, 抗干扰能力强、无需吸收回路、驱动电源容量小、检测电路简单、成本较低。图 6 反向串联 IGBT 旁路结构 Fig.6 Bypass circuit with anti-series-IGBT 下载原图2.4主回路 IGBT 旁路技术目前还有一种“主回路 IGBT 旁路及自恢复技术”8, 如图 7 所示:不增加功率单元的器件及硬件电路, 利用 H 桥本身的器件完成旁路功能。当功率单元发生故障时, 电力电子变流器控制系统首先封锁全部 IGBT, 然后同时开通 VT1、VT3 (或 VT2、VT4) 2 个 IGBT, 从而实现电流双向流动和功率单元旁路。该结构属于图 6 方案的特殊应用, 同样可以实现在线旁路、快速旁路以及故障恢复后自动重投功能, 且比图 6 方案少了 2 个 IGBT 器件和相应驱动电路。但该方案的应用, 基于功率
