級(jí)聯(lián)型電力電子變流裝置功率單元旁路方式分析

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1、級(jí)聯(lián)型電力電子變流裝置功率單元旁路方式分析姜耀偉劉永麗楊大成7RJ中車株洲所電氣技術(shù)與材料工程研宄院株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司針對(duì)級(jí)聯(lián)型電力電子變流裝罝的功率單元故障，介紹了三相對(duì)稱旁路、中性點(diǎn)偏移和功率單元冗余等3種旁路技術(shù)的處理策略，對(duì)比分析了功率單元不同旁路結(jié)構(gòu)的工作原理、性能優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，并分析了功率單元旁路結(jié)構(gòu)對(duì)變流裝置可靠性的影響。關(guān)鍵詞：可靠性;旁路結(jié)構(gòu);冗余;級(jí)聯(lián);電力電子變流裝置;姜耀偉(1986-),男，工程師，主要從事大功率變流裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)工作。收稿曰期:2017-06-13基金：國(guó)家

2、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YEB1200900)AnalysisofPowerCellBypassforPowerElectronicConverterBasedonCascadedModuleJIANGYaoweiLIUYongliYANGDachengZHOUYangCRRCZICResearchInstituteofElectricalTechnology&MaterialEngineering;ZhuzhouCRRCTimesElectricCo.，Ltd.;Abstract：Itanalyzedthesolu

3、tionsforfailureofthecascadedpowerelectronicconverter,suchasthesym-bypassinthree-phase,neutralpointdrifttechnologyandredundantpowercell,andintroducedtheoperationprinciple,thecharacteristicofdifferentbypassstructuresforpowercellandthediscussionfortheapplications

4、ofthebypassstructureindifferentsituation.Theinfluenceofbypassstructureforpowercellonthereliabilityofconverterwasalsoanalyzed.Keyword：reliability;bypassstructure;redundancy;cascaded;powerelectronicconverter;Received：2017—06—130引言功率單元是電力電子變流裝置最重要的組成部分，每個(gè)裝置由多個(gè)功率單

5、元構(gòu)成。采用功率單元級(jí)聯(lián)技術(shù)的電力電子變流裝置在高壓、大電流、大功率等場(chǎng)合具有非常廣泛的應(yīng)用，如靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM,乂稱SVG)、高壓變頻器、電力電子變壓器(powerelectronictransformer,PET)、模塊化多電平變流器(modularmultilevelconverter,MMC)等［1-5］。這些裝置的可靠性要求高,不僅要求能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，還要求在出^_些故障的情況下，能通過采取必耍的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)裝置的繼續(xù)正常運(yùn)行或降額運(yùn)行，以降低故障造成的損失。多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用m經(jīng)驗(yàn)表明

6、，功率單元故障是造成變流裝置故障的主要原因。本文以三相級(jí)聯(lián)電力電子變流裝置為例，從旁路結(jié)構(gòu)、故障處理策略入手，分析級(jí)聯(lián)型電力電子變流裝置采用冗余設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)比分析了功率單元旁路技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。1采用功率單元旁路技術(shù)的可靠性分析l.i變流裝置常用旁路技術(shù)如圖1所示，在三和級(jí)聯(lián)型電力電子變流裝罝中，每一和都包含多個(gè)功率單元。當(dāng)功率單元發(fā)生故障時(shí)，最常用的解決方法就是將其旁路，與主電路隔離。目前，常用的旁路技術(shù)有三相對(duì)稱旁路技術(shù)、屮性點(diǎn)偏移技術(shù)和功率單元冗余技術(shù)［5］。1.1.1三相對(duì)稱旁路技術(shù)如閣1，當(dāng)某相中出現(xiàn)一個(gè)

7、或多個(gè)功率單元因故障而需要被旁路時(shí)，若只是旁路故障和的該功率單元，會(huì)導(dǎo)致三和電壓不平衡，影響裝罝的正常運(yùn)行。因此，釆用對(duì)稱旁路技術(shù)，即將其余兩相對(duì)稱位置和相同數(shù)量的功率單元也旁路（即使這些功率單元并未出現(xiàn)故障）。這樣，變流裝置能保持三相電壓平衡;但是因?yàn)榕月费酒溆鄡上嗾５墓β蕟卧?，降低丫裝置的容量，使裝置的工作范圍變小，功率單元的利用率不高。圖1級(jí)聯(lián)型電力電了?變流裝置Fig.1Powerelectronicconverterbasedoncascadedmodule1.1.2中性點(diǎn)偏移技術(shù)故障單元被旁路后，輸出

8、各相電壓幅值不同，此時(shí)采用中性點(diǎn)偏移技術(shù)調(diào)整相電壓之間的和位差，依然可以保證變流裝罝輸出對(duì)稱的線電壓，即三和線電壓中性點(diǎn)發(fā)生偏移，不再位于三相線電壓矢量的物理中心點(diǎn)。但中性點(diǎn)偏移技術(shù)是基于變流裝置的三相輸出采用星形連接，因?yàn)榇藭r(shí)變流裝置運(yùn)行中真正起作用的是線電壓。如圖2所示，當(dāng)某個(gè)功率單元（以A1為例）被旁路后，該相（A相）剩余功率單元繼續(xù)輸出電壓，通過采用