CN207218560U - 一种交流级联***的级联单元及其旁路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种交流级联***的级联单元及其旁路装置，通过相应级联单元中控制器输出的级联单元的正常输出控制信号，控制常开型可控的第二开关导通；当第二开关导通后，该级联单元中的辅助电源将会通过第二开关输出预设电压信号至第一开关的控制端，使常闭型可控的第一开关关断，进而实现该级联单元的正常输出。该交流级联***的级联单元旁路装置，不论在相应级联单元发生何种故障时，其第二开关均不会收到控制器发出的该级联单元的正常输出控制信号，其第一开关将会保持常闭型状态，将该级联单元的输出旁路掉，保证旁路功能的可靠性。

Description

一种交流级联***的级联单元及其旁路装置

技术领域

本实用新型涉及交流级联***技术领域，特别涉及一种交流级联***的级联单元及其旁路装置。

背景技术

交流级联***广泛应用于电能变换、高压变频驱动、高压直流输电等场合，一般采用单相全桥或半桥拓扑作为级联单元的核心电力电子拓扑电路，再由若干个级联单元串联组成交流级联***。图1给出了常用电压源型级联***的结构示意图，包括：n个直流源、n个级联单元、滤波器及负载设备，n为正整数。由于该级联***会采用较多的功率器件，使得故障点增加；而级联单元功率器件一旦故障，将会影响***正常工作，甚至关机，这将给用户带来重大损失。

现有技术中通常通过为各个级联单元的交流输出端并联旁路装置，以旁路掉对应的故障单元；常用的旁路拓扑结构包括：接触器、二极管和晶闸管、二极管和IGBT模块、以及单独的IGBT模块。然而采用上述各种旁路拓扑结构的方案均存在一个问题，即上述旁路拓扑结构需要额外的控制电路，以实现其旁路功能。

但是，当上述旁路拓扑结构得控制电路出现供电故障时，该旁路装置将无法正常工作，即无法起到旁路的作用，可靠性低。

实用新型内容

本实用新型提供一种交流级联***的级联单元及其旁路装置，以解决现有技术中可靠性低的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种交流级联***的级联单元旁路装置，包括：第一开关和第二开关；其中：

所述第一开关为常闭型可控开关，并联于相应级联单元的交流输出端正负极之间；

所述第一开关的控制端通过所述第二开关与所述级联单元中辅助电源的第一输出端相连，以在接收到预设电压信号时关断；

所述第二开关为常开型可控开关；所述第二开关的控制端与所述级联单元中控制器的第一输出端相连，以在接收到所述级联单元的正常输出控制信号时导通。

优选的，所述第一开关为：常闭型可控机械开关，或者，常闭型可控电力电子开关。

优选的，所述第二开关为：常开型可控机械开关，或者，常开型可控电力电子开关。

一种交流级联***的级联单元，包括：逆变模块、辅助电源、控制器、驱动电路及上述任一所述的交流级联***的级联单元旁路装置；其中：

所述逆变模块的直流输入端及所述辅助电源的输入端均与相应的直流源相连；

所述辅助电源的第二输出端与所述控制器的供电端相连；

所述辅助电源的第三输出端与所述驱动电路的供电端相连；

所述控制器的第二输出端与所述驱动电路的输入端相连；

所述驱动电路的输出端与所述逆变模块的控制端相连；

所述逆变模块的交流输出端为所述级联单元的交流输出端。

优选的，还包括：滤波器；所述滤波器与所述逆变模块的交流输出端并联。

优选的，还包括：滤波器，所述滤波器与所述逆变模块的交流输出端串联，串联的两端作为所述级联单元的交流输出端。

优选的，所述逆变模块为：全桥两电平拓扑、全桥多电平拓扑、半桥两电平拓扑和半桥多电平拓扑中的任意一种。

优选的，所述直流源为：DC/DC变换器、整流器、蓄电池、超级电容和光伏电池中的任意一种。

本实用新型提供的交流级联***的级联单元旁路装置，通过相应级联单元中控制器输出的级联单元的正常输出控制信号，控制常开型可控的第二开关导通；当第二开关导通后，该级联单元中的辅助电源将会通过第二开关输出预设电压信号至第一开关的控制端，使常闭型可控的第一开关关断，进而实现该级联单元的正常输出。该交流级联***的级联单元旁路装置，不论在相应级联单元发生何种故障时，其第二开关均不会收到控制器发出的该级联单元的正常输出控制信号，其第一开关将会保持常闭型状态，将该级联单元的输出旁路掉，保证旁路功能的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的级联***的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的交流级联***的级联单元旁路装置的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实用新型提供一种交流级联***的级联单元的旁路装置，以解决现有技术中可靠性低的问题。

具体的，该交流级联***的级联单元旁路装置，参见图2，包括：第一开关K1和第二开关K2；其中：

第一开关K1为常闭型可控开关，并联于相应级联单元的交流输出端正负极之间；

第一开关K1的控制端通过第二开关K2与级联单元中辅助电源的第一输出端相连，以在接收到预设电压信号时关断；

第二开关K2为常开型可控开关；第二开关K2的控制端与级联单元中控制器的第一输出端相连，以在接收到级联单元的正常输出控制信号时导通。

优选的，第一开关K1为：常闭型可控机械开关，或者，常闭型可控电力电子开关。

优选的，第二开关K2为：常开型可控机械开关，或者，常开型可控电力电子开关。

具体的工作原理为：

当相应级联单元内的各个器件及相互之间的连接均正常时，控制器将会通过其第一输出端输出一个级联单元的正常输出控制信号至第二开关K2的控制端，以控制常开型可控的第二开关K2导通；而当第二开关K2导通后，该级联单元中的辅助电源将会通过第二开关K2输出预设电压信号至第一开关K1的控制端，使常闭型可控的第一开关K1关断，该级联单元的交流输出端正负极之间断路，进而实现该级联单元的正常输出。

***启动时刻，在级联单元的直流输入端未接收到能量输入时，比如未连接直流源或者直流源故障时，逆变模块中支撑电容C两端的电压为零，辅助电源无能量输入而不能工作，控制器及驱动电路也无供电电源、均不能工作，逆变模块中电力电子开关器件将等效为高组态器件与反并联二极管并联。此时，由于辅助电源无法输出该预设电压信号至第一开关K1的控制端，第一开关K1将为导通状态，该级联单元的交流输出端正负极短路。该级联单元的直流输入端接收到正常供电后，辅助电源正常工作输出供电，能够使控制器正常工作，也能够输出该预设电压信号。控制器正常工作后，在确定该级联单元全部正常时，控制第二开关K2导通，使第一开关K1接收到该预设电压信号进而关断，使该级联单元可输出正常的可控电压。

***关机时，级联单元可由控制器控制第二开关K2关断，保证级联***内各个级联单元的交流输出端均处于被旁路状态、***的级联端电压为零。在部分应用场合，如级联单元的直流输入装置为整流器，或为光伏电池板时，当整流器停止工作或光伏电池板无光照时不输出直流电压的情况下，级联单元的支撑电容C上的能量也会被级联单元内部自损耗而消耗完，此时辅助电源也停止工作，第二开关K2也将保持其常开状态，可有效保证第一开关K1处于其常闭状态。

当该级联单元发生某种故障时，比如辅助电源故障、逆变模块中至少某桥臂两个开关管均短路或者直流输入端正负极短路时，逆变模块中的支撑电容C将会瞬时放电至零，辅助电源的输入电压也降为零，进而辅助电源停止工作，通过第二开关K2为第一开关K1提供的供电也将为零，第一开关K1由于未能正常供电(未能接收该预设电压信号)而自动短路，在此过程中级联***串联回路正常，并没有因为该级联单元的故障而出现***断路。

当该级联单元发生不能正常输出交流电能的故障时，比如逆变模块中开关管故障、驱动电路故障、直流输入端与直流源之间的连接断路、第一开关K1与本级联单元或者相邻级联单元之间的连接断路时，级联***串联回路出现变化，故障的级联单元根据其自身的故障检测装置检测得到的相应信号，由控制器判断出对应故障类型后，记录相应故障信息并控制第二开关K2关断，即断开该预设电压信号到第一开关K1控制端的传输路径，第一开关K1将会维持导通状态，控制该级联单元的交流输出端正负极处于短路状态，直至维修人员排除故障。

当该级联单元的控制器发生故障时，该控制器无法正常控制第二开关K2导通，第二开关K2将一直处于关断状态，第一开关K1由于未能正常供电而自动短路，在此过程中级联***串联回路正常，并没有因为该级联单元的故障而出现***断路。

当该级联单元发生交流输出端正负极短路的故障时，其自身的故障检测装置输出相应的检测信号至控制器中，使该控制器判断出对应故障类型后，记录相应故障信息并控制第二开关K2关断，第一开关K1维持导通，该级联单元的交流输出端正负极一直处于短路状态，直至维修人员排除故障。

当出现一个或若干个级联单元出现故障或者其直流输入端未能接收到输入能量，其余级联单元的直流输入端均正常连接相应的直流源且可正常工作时，因为上述原理，故障的级联单元通过相应旁路装置中第一开关K1的导通将会处于被旁路状态，而其余级联单元可正常工作，级联***的交流级联端可正常构成串联回路。在满足级联***输出电压、输出功率等要求的情况下，***可正常工作运行。

本实用新型提供的交流级联***的级联单元旁路装置，通过上述工作原理，不论在相应级联单元发生何种故障时，其第二开关K2均不会收到控制器发出的级联单元的正常输出控制信号，其第一开关K1将会保持常闭型状态，将该级联单元的输出旁路掉，进而保证有效的级联单元旁路，而不影响整个级联***的正常工作，增强***的运行稳定性，保障级联***的可靠运行。并且，本实施例提供的该交流级联***的级联单元旁路装置，结合级联单元自身的辅助电源及控制器，即可实现其旁路功能，只需要额外增设两个开关，不仅简单可靠，同时实现成本低，利用应用。

本实用新型另一实施例还提供了一种交流级联***的级联单元，参见图2，包括：逆变模块、辅助电源、控制器、驱动电路及上述实施例所述的交流级联***的级联单元旁路装置；其中：

逆变模块的直流输入端及辅助电源的输入端均与相应的直流源相连；

辅助电源的第二输出端与控制器的供电端相连；

辅助电源的第三输出端与驱动电路的供电端相连；

控制器的第二输出端与驱动电路的输入端相连；

驱动电路的输出端与逆变模块的控制端相连；

逆变模块的交流输出端为级联单元的交流输出端。

优选的，还包括：滤波器；滤波器与逆变模块的交流输出端并联。

或者，还包括：滤波器，滤波器与逆变模块的交流输出端串联，串联的两端作为级联单元的交流输出端。

级联单元的输出端可根据应用场合而选择串联或不串联、并联或不并联滤波器，以输出多电平PWM交流电压或者多电平PWM交流电压经过滤波器后的交流电压；该滤波器可选择为有源滤波器或无源滤波器。而级联单元交流串联输出端也可根据级联***应用场合而选择串联或不串联、并联或不并联滤波器，以输出多电平PWM交流电压或者多电平PWM交流电压经过滤波器后的交流电压；该滤波器可选择为有源滤波器或无源滤波器。最后，将级联***的交流串联输出端连接至负载设备，该负载可为无源或有源负载、电网等设备及装置。此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

优选的，逆变模块可为任何能将直流电转换成交流电的装置或设备，如为：全桥两电平拓扑、全桥多电平拓扑、半桥两电平拓扑和半桥多电平拓扑中的任意一种。

优选的，直流源可为任何能够提供直流电源或被等效为直流电源的设备或装置，如为：DC/DC变换器、整流器、蓄电池、超级电容和光伏电池中的任意一种。

图2所示以采用H桥实现逆变模块、无滤波器连接为例进行展示，其逆变模块包括：支撑电容C、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3及第四开关管S4，驱动电路包括：第一驱动SD1、第二驱动SD2、第三驱动SD3及第四驱动SD4；但是并不限定于此，还可以使其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本实用新型中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种交流级联***的级联单元旁路装置，其特征在于，包括：第一开关和第二开关；其中：

所述第一开关为常闭型可控开关，并联于相应级联单元的交流输出端正负极之间；

所述第一开关的控制端通过所述第二开关与所述级联单元中辅助电源的第一输出端相连，以在接收到预设电压信号时关断；

所述第二开关为常开型可控开关；所述第二开关的控制端与所述级联单元中控制器的第一输出端相连，以在接收到所述级联单元的正常输出控制信号时导通。

2.根据权利要求1所述的交流级联***的级联单元旁路装置，其特征在于，所述第一开关为：常闭型可控机械开关，或者，常闭型可控电力电子开关。

3.根据权利要求1所述的交流级联***的级联单元旁路装置，其特征在于，所述第二开关为：常开型可控机械开关，或者，常开型可控电力电子开关。

4.一种交流级联***的级联单元，其特征在于，包括：逆变模块、辅助电源、控制器、驱动电路及权利要求1至3任一所述的交流级联***的级联单元旁路装置；其中：

所述逆变模块的直流输入端及所述辅助电源的输入端均与相应的直流源相连；

所述辅助电源的第二输出端与所述控制器的供电端相连；

所述辅助电源的第三输出端与所述驱动电路的供电端相连；

所述控制器的第二输出端与所述驱动电路的输入端相连；

所述驱动电路的输出端与所述逆变模块的控制端相连；

所述逆变模块的交流输出端为所述级联单元的交流输出端。

5.根据权利要求4所述的交流级联***的级联单元，其特征在于，还包括：滤波器；所述滤波器与所述逆变模块的交流输出端并联。

6.根据权利要求4所述的交流级联***的级联单元，其特征在于，还包括：滤波器，所述滤波器与所述逆变模块的交流输出端串联，串联的两端作为所述级联单元的交流输出端。

7.根据权利要求4所述的交流级联***的级联单元，其特征在于，所述逆变模块为：全桥两电平拓扑、全桥多电平拓扑、半桥两电平拓扑和半桥多电平拓扑中的任意一种。

8.根据权利要求4所述的交流级联***的级联单元，其特征在于，所述直流源为：DC/DC变换器、整流器、蓄电池、超级电容和光伏电池中的任意一种。