级联型电力电子变流装置功率单元旁路方式分析

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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7RJ中车株洲所电气技术与材料工程研宄院株洲中车时代电气股份有限公司针对级联型电力电子变流装罝的功率单元故障，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;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。收稿曰期:2017-06-13基金：国家

2、重点研发计划(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

5、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、大功率等场合具有非常广泛的应用，如静止同步补偿器(STATCOM,乂称SVG)、高压变频器、电力电子变压器(powerelectronictransformer,PET)、模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter,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^_些故障的情况下，能通过采取必耍的保护措施，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m经验表明

6、，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，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l.i变流装置常用旁路技术如图1所示，在三和级联型电力电子变流装罝中，每一和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、屮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阁1，当某相中出现一个

7、或多个功率单元因故障而需要被旁路时，若只是旁路故障和的该功率单元，会导致三和电压不平衡，影响装罝的正常运行。因此，釆用对称旁路技术，即将其余两相对称位置和相同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;但是因为旁路丫其余两相正常的功率单元，降低丫装置的容量，使装置的工作范围变小，功率单元的利用率不高。图1级联型电力电了•变流装置Fig.1Powerelectronicconverterbasedoncascadedmodule1.1.2中性点偏移技术故障单元被旁路后，输出

8、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和位差，依然可以保证变流装罝输出对称的线电压，即三和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