专利名称：故障情况下用于实现带有分布储能器的多相变换器的冗余工作模式的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的对带有分布储能器的变换器进 行控制的方法。
背景技术：
DE 101 03 031 Al揭示一种带有分布储能器的变换器。图1展示的是这种变换 器的等效电路图。如这个等效电路图所示，这种已知的变换器具有三个都用100表示的相 位模块。这些相位模块100的直流电压端分别与正、负极直流电压母线Ptl和Ntl导电相连。 如果是电压中间电路变换器，那么这两根直流电压母线Ptl和Ntl之间连接的是两个串联的电 容器Cl和C2，在这两个电容器上发生的压降为直流电压Udo这两个电性串联的电容器Cl 和C2之间的连接点构成一个虚拟中性点0。每个构成多相变换器的桥接臂的相位模块100 均具有上部桥接臂和下部桥接臂，因为这些分桥接臂分别构成带有分布储能器的多相变换 器的一个换流阀，下文中将这些分桥接臂称为阀臂T1、T3、T5和Τ2、Τ4、Τ6。这些阀臂Tl至 Τ6中的每一个都具有一定数量的彼此电性串联的两极子系统10。这个等效电路图对其中 的四个子系统10进行了图示。但每个阀臂Tl、…、Τ6所能设置的子系统10的数量并不限 于图示的数量。每个相位模块100的两个阀臂Tl和Τ2、Τ3和Τ4、Τ5和Τ6之间的连接点都 构成这个相位模块100的交流电压端接点Li、L2、L3。由于这个示意图中的变换器具有三 个相位模块100，因而可在这些相位模块的交流电压端接点L1、L2和L3 (又称“负载连接端 子”)上连接一个三相负载，例如三相电动机。图2对两极子系统10的已知实施方式的等效电路图进行了详细图示。图3所示 的电路布置图是一种就功能而言完全等效的实施方案的变型。两极子系统10的这两种实 施方式均公开自DE 101 03 031 Al。这些已知的两极子系统10各具有两个可断半导体开 关1和3、两个二极管2和4以及一个单极储能电容器9。两个可断半导体开关1和3电性 串联，这一串联连接又与储能电容器9电性并联。每个可断半导体开关1和3分别与两个 二极管2和4中的一个电性并联，且其连接方式使得该二极管与对应的可断半导体开关1 或3反向并联。子系统10的单极储能电容器9或者由一个电容器构成，或者由多个这种电 容器构成的一个总电容为Ctl的电容器组构成。可断半导体开关1的发射极与二极管2的 阳极之间的连接点构成子系统10的接线端子XI。两个可断半导体开关1和3与两个二极 管2和4之间的连接点构成子系统10的第二接线端子X2。在两极子系统10如图3所示的实施方式中，这个连接点构成第一接线端子XI。可 断半导体开关ι的集电极与二极管2的阴极之间的连接点构成子系统10的第二接线端子 X2。在附图所示的两极子系统10的两种实施方式中，可断半导体开关1和3用的是如 图2和图3所示的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。也可采用MOS场效应晶体管，亦称“M0SFET”。 此外还可采用门极可关断晶闸管(又称“GT0晶闸管”)或集成门极换向晶闸管(IGCT)。
根据DE 101 03 031 Al所述，可将图1所示变换器的任何一个相位模块100的子 系统10控制在操作状态I、II和III。在操作状态I下，可断半导体开关1接通，可断半导 体开关3断开。在此情况下，两极子系统10的接线端子Xl和X2上的端电压Ux21等于零。 在操作状态II下，可断半导体开关1断开，可断半导体开关3接通。在此操作状态II下， 所呈现的端电压Ux21等于储能电容器9上的电容器电压Uc。在操作状态III下，两个可断 半导体开关1和3都断开，储能电容器9上的电容器电压Uc恒定不变。为能使图1所示的带有分布储能器9的变换器以冗余方式工作，必须确保子系统 10在发生故障的情况下，其接线端子Xl和X2保持持续短接的状态。也就是说，无论接线端 子Xl和X2中的电流方向如何，故障子系统10的端电压Ux21均为零。当子系统10中的其中一个可断半导体开关1或3或者相应的控制电路发生故障 时，这个子系统10将无法正常工作。此外，当半导体开关的相关控制电路、控制电路的供电 装置、通讯系统和测量值检测装置发生故障时，也会使子系统10出现功能失常现象。亦即， 再也无法将子系统10转换到所需的可能操作状态I、II或III。如果将子系统10的接线 端子Xl和X2短接，就无法再向这个子系统输送能量。通过这一措施能够可靠地排除因变 换器的进一步工作而引发的后续损害(例如过热和火灾)。故障两极子系统10的接线端子Xl和X2之间的这种短接式导电连接至少须能可 靠地承载故障两极子系统10所连接在的相位模块100中的阀臂Tl、…、T6的工作电流，且 不发生过热。DE 10 2005 040 543 Al提供了一种如何可靠地将故障子系统10短接的方 法。通过这种方法可以使上述带有分布储能器的已知变换器以冗余方式继续进行工作。进行下述说明之前先假定所有两极子系统10的储能电容器9的电压Uc都相同。 起初实现这一状态并在工作过程中保持这一状态的方法同样公开自DE 101 03 031 Al。图 4展示的是相位模块100的端子P相对于输电连接端子L的电位差Upl与时间t之间的关系 图。图5展示的是端子L相对于端子N的电位的电位差Um与时间t之间的关系图。如这 些电位曲线Upl和Uln所示，在时间点tl、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8上，阀臂Tl和T2的八 个两极子系统10中分别有一个子系统被接通或断开。此处的接通相当于从操作状态I转 换到操作状II。断开相当于从操作状态II转换到操作状态I。这两个曲线图分别显示了 就电位曲线U11和Um而言上述带有分布储能器9的变换器的相位模块100的负载连接端子 L中和虚拟中性点0之间的电位曲线图6)的一个基波振荡周期TP。图6展示的是如图4和图5所示的电位曲线Uln和Upl之差与时间t之间的关系 图。所得到的电位曲线处于图1所示带有分布储能器9的变换器的相位模块100的交 流电压端接点L1、L2、L3与带有两个电容器Cl和C2的电压中间电路的虚拟中性点0随意 选定的电位之间。在对称的多相电压系统中，图1所示带有分布储能器9的多相变换器的 相位模块100的输出电压Ulo中的相应谐波分量或直流分量会消失在每两个相移输出电压 UU()、U_或U，的差分电压中。从这两条电位曲线Upl和Uln中还可看出，每个时间点上的电 位总和均为4 -Uco也就是说，直流电压母线Ptl和Ntl之间的直流电压Ud的值总是等于处于 操作状态II的子系统10的恒定数量与电容器9上的电容器电压Uc的值的乘积。在所示 实施例中，这个数量相当于图1所示的变换器布置在阀臂Tl、…、T6中的两极子系统10的 数量。DE 10 2005 045 091 Al揭示一种对如图1所示带有分布储能器的变换器进行控制的方法，通过这种方法可在该变换器的相位模块的至少一个子系统发生故障的情况下依 然保持对称状况。根据这种已知方法，先测定三个相位模块中其中一个相位模块中有一或 多个两极子系统发生故障的阀臂。对每个故障子系统进行控制，使其端电压的振幅分别为 零。在故障相位模块的另一阀臂中，根据测定两极子系统的数量对相同数量的子系统进行 控制，使其端电压的振幅分别等于电容器电压。同样在无故障相位模块的阀臂的子系统上 进行这种针对故障相位模块中的子系统所实施的控制。图7展示的是相位模块100的端子P相对于相位模块100的负载连接端子L的电 位差Um与时间t之间的关系图，其中，其中一个相位模块100的下部阀臂T2、T4、T6中有一 个两极子系统10发生了故障。图8展示的是端子L相对于端子N的电位的电位差Uln与时 间t之间的关系图。从图7所示的电位差U11的曲线中可以看出，每个相位模块100的每个 上部阀臂T1、T3、T5中都有一个子系统10受到了控制，并且控制方式使得这些子系统的端 电压Ux21总是等于储能电容器9上的电容器电压Uco在此情况下，每个上部阀臂Τ1、Τ3、Τ5 中如图所示的四个子系统10中只剩下三个子系统10被接通或断开。从每个相位模块100 的每个下部阀臂Τ2、Τ4、Τ6的电位差队，的时间特性曲线图中可以看出，如图所示的四个子 系统10中各有一个子系统受到了控制，并且控制方式使得这些子系统的端电压Ux21总是等 于零。如图1所示，在三个相位模块100的这些下部阀臂Τ2、Τ4和Τ6中，阀臂Τ2具有一个 用阴影线表示的故障两极子系统10。在此情况下，任何一个阀臂Τ2、Τ4和Τ6的电压Uln的 振幅值最大只能是3 · Uc。通过这种已知方法，故障情况下所用子系统10的数量等于无故 障情况下所用子系统10的数量。电位差Upl和Uln的总和振幅的变化情况在图8中用一条 虚线表示。电压UU()、和U⑶在故障情况下的最大振幅比无故障情况下小。在所示实施 例中，这些电压UL10、Ul20和Ucm在无故障情况下的最大电压振幅分别为1/2 · Ud,故障情况 下的最大振幅则仅为3/8 -Udo也就是说，借助上述已知方法可以在故障情况下实现一个最 大振幅相对较小的对称三相电压系统。图9展示的是如图7和图8所示的电位差Upl和Uln之差与时间t之间的关系图。 从负载连接端子L1、L2、L3相对于虚拟中性点0的电位的这个时间特性曲线图中可以看出， 该电位不再围绕零位对称摆动。而是其围绕的那个零位已经移动1/8 · 。亦即，这条电位 曲线具有直流分量
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是对已知的控制方法进行改进，使得上述带有分布储能 器的变换器在故障情况下，其输出电压中不再产生直流分量。根据本发明，上述目的通过权利要求1的区别特征结合其前序部分的特征而达成。通过在故障相位模块的与故障阀臂相对应的阀臂中，根据故障子系统的数量对相 同数量的两极子系统进行控制，使得这些子系统的端电压的振幅等于零，可以使所述故障 相位模块的输出电压不再具有直流分量。考虑到对称状况，需要对无故障相位模块的阀臂 中的相应子系统进行相应控制。借此可实现一种没有直流电压分量的三相对称电压系统。
下面借助附图及其所示的本发明对带有分布储能器的多相变换器进行控制的方法的实施方式对本发明予以进一步说明，其中
图1为已知的带有分布储能器的变换器的等效电路图；图2为图1所示变换器的已知两极子系统的第一实施方式的等效电路图；图3为图1所示变换器的已知两极子系统的第二实施方式的等效电路图；图4至图6为图1所示变换器的相位模块在无故障情况下的电位曲线与时间t之 间的关系图；图7至图9为图1所示变换器的相位模块在故障情况下的电位曲线与时间t之间 的关系图；以及图10至图12为图1所示变换器的相位模块在故障情况下的电位曲线与时间t之 间的关系图，其中，所述电位曲线系采用本发明的方法生成。
具体实施例方式现在假定，图1所示带有分布储能器9的变换器的相位模块100的阀臂T2中的一 个两极子系统10因故障而肯定发生了短路。在图1所示的等效电路图中，这个故障两极子 系统10用阴影线表示。按照本发明的方法，首先需要测定这个故障两极子系统10。测定这个故障子系统 10后，对该子系统10进行控制，使得相应端电压Ux21的振幅为零。阀臂T2中有子系统10发 生故障的这个相位模块100在下文中被称为“故障相位模块100”。这个故障相位模块100 还具有一个无任何子系统10发生故障的阀臂Tl。按照本发明的方法，根据故障阀臂T2中 发生故障的子系统10的数量，对这个故障相位模块100的无故障阀臂Tl中相同数量的两 极子系统10进行控制，使其端电压Ux21的振幅分别等于零。在本实施例中，由于阀臂T2中 只有一个两极子系统10发生故障，因此只需对该故障相位模块100的对应阀臂Tl中的一 个两极子系统10进行控制，使其端电压Ux21的振幅等于零。图10展示的是端子P相对于负载连接端子Ll的电位差Upl与时间t之间的关系 图。图11展示的是端子L相对于端子N的电位的电位差&与时间t之间的关系图。从这 两条电位曲线Upl和Uln中可以看出，在阀臂Tl和T2的四个两极子系统10中，只有三个子 系统10可供控制。这两条电位曲线Upl和Uln的总和又产生一个直流电压Ud,这个直流电压 存在于图1所示带有分布储能器9的变换器的直流电压母线Ptl和Ntl之间。也就是说，直流 电压Ud在无故障情况和故障情况下都是相同的。出于对称考虑，对图1所示带有分布储能 器9的变换器的两个无故障相位模块100的阀臂T4、T3和T6、T5中的两极子系统10进行 相应控制。亦即，在图1所示变换器的无故障相位模块100的与故障相位模块100的故障 阀臂T2相对应的无故障阀臂T4和T6中，根据故障子系统10的数量，对相同数量的子系统 10进行控制，使其端电压Ux21的振幅分别为零。由于故障相位模块100的故障阀臂T2中只 有一个子系统10发生故障，因此在图1所示带有分布储能器9的变换器的无故障相位模块 100的与阀臂T2相对应的阀臂T4和T6中，只需要分别对一个两极子系统10进行控制，使 其端电压Ux21的振幅分别为零。在故障相位模块100的无故障阀臂Tl中同样需要对一个 子系统10进行控制，使其端电压Ux21的振幅为零。亦即在图1所示带有分布储能器9的变 换器的无故障相位模块100中，需要在无故障相位模块100的与故障相位模块100的无故 障阀臂Tl相对应的阀臂T3和T5中，根据故障阀臂T2的故障子系统10的数量，分别对相同数量的子系统 10进行控制，使其端电压Ux21的振幅同样等于零。通过对所述带有分布储能器9的变换器的两极子系统10进行这种控制可以得到 输出电压UL10、和U，这些输出电压分别存在于交流电压端接点Li、L2和L3与虚拟中 性点0之间。图12为这些输出电压UL10、UL20和Ul3的电位曲线Ulo与时间t之间的关系图。 这条曲线中不再具有直流分量。这些输出电压UU()、和U，的振幅都小于借助已知控制
方法所产生的输出电压的振幅。以每个阀臂Tl.....T6设置四个子系统10为例，输出电
压Uu。、Ul20的振幅分别为1/4 · Ud，采用已知的控制方法所产生的振幅为3/8 · Udo但是这 种振幅相对较小的对称三相电压系统并不具有直流分量。采用已知方法时产生在图1所示带有分布储能器9的变换器的输出电压UU()、Ul20 和Ul3q中的直流分量会在相连的转场式电机中引起星点(starpoint)位移，从而产生轴承 电流。此外，在将所述变换器直接用作主动的电网电源时，如果供电网侧星点接地，上述直 流分量就会致使该变换器发生相对于地电位的电位偏移。这就要求在变换器的绝缘方面采 取更多措施。本发明的方法克服了这一缺点，不过图1所示变换器的输出电压队1()、队2()和
Ul30的振幅相对较小。阀臂Tl.....T6中使用的两极子系统10越多，图1所示带有分布储
能器9的变换器的输出电压UU()、U_和Ul30的分级就越细。这样就能在两极子系统10发生 故障的情况下也能实现近似的正弦形变化曲线。
权利要求
1. 一种在一阀臂(Tl，…，T6)的至少一个子系统(10)发生故障的情况下对一变换器 进行控制的方法，所述变换器包括至少两个相位模块(100)，所述相位模块各具有一上部阀 臂和一下部阀臂(Tl，…，T6)，所述上部阀臂和下部阀臂各具有至少三个彼此串联的两极 子系统(10)，其中，确定带有所述故障子系统(10)的阀臂(Tl，…，T6)，分别对每个无故障 相位模块(100)的与所述故障阀臂(Tl，…，T6)相对应的阀臂(Tl，…，T6)中的一个子系 统(10)进行控制，使得这些子系统的端电压(Ux21)分别为零，其特征在于，对所述故障相位模块(100)的与所述故障阀臂(Tl，…，T6)相对应的阀臂(Tl，…， T6)中的一子系统(10)进行控制，使得这个子系统的端电压(Ux21)等于零，以及分别对每个 无故障相位模块(100)的与这个阀臂(Tl，…，T6)相对应的阀臂(Tl，…，T6)中的一个子 系统(10)进行控制，使得这些子系统的端电压(Ux21)等于零。
全文摘要
本发明涉及一种在一阀臂(T1，…，T6)的至少一个子系统(10)发生故障的情况下对一变换器进行控制的方法，所述变换器包括至少两个相位模块(100)，所述相位模块各具有一上部阀臂和一下部阀臂(T1，…，T6)，所述上部阀臂和下部阀臂各具有至少三个彼此串联的两极子系统(10)，其中，确定带有所述故障子系统(10)的阀臂(T1，…，T6)，分别对每个无故障相位模块(100)的与所述故障阀臂(T1，…，T6)相对应的阀臂(T1，…，T6)中的一个子系统(10)进行控制，使得这些子系统的端电压(UX21)分别为零。根据本发明，对所述故障相位模块(100)的与所述故障阀臂(T1，…，T6)相对应的阀臂(T1，…，T6)中的一子系统(10)进行控制，使得这个子系统的端电压(UX21)等于零，以及分别对每个无故障相位模块(100)的与这个阀臂(T1，…，T6)相对应的阀臂(T1，…，T6)中的一个子系统(10)进行控制，使得这些子系统的端电压(UX21)等于零。借此可实现一种在故障情况下用于实现带有分布储能器(9)的多相变换器的冗余工作模式的控制方法，其中，所产生的输出电压(UL1O，UL2O，UL3O)不再具有直流分量。
文档编号H02H7/12GK102106075SQ200980129243
公开日2011年6月22日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年8月7日
发明者迪特马尔·克鲁格, 马克·希勒 申请人:西门子公司