模块化IGBT功率模块和岸上电力转换器的冗余性
模块化岸上电力转换器并不自动具有冗余功能。.
冗余应根据整台转换器在特定功率单元发生故障后仍能提供的性能来定义。 是否可以隔离或绕过受影响的单元？能否恢复可接受的三相输出？ 剩余的电池是否具备足够的电压能力以达到所需的运行点？ 船载货量是否仍然可以按满载率供应，但需满足限定的减载水平，或者根本无法供应？
这些问题比那些话语更重要。 模块化, 细胞旁路, 或者 N+1 在规格表上。.
为什么一个功率单元的故障会改变转换器的运行状况
在分级转换器中，多个功率单元协同工作，共同生成输出电压。.
在一种每相供电转换器配置中，每个相中连接了六个功率单元。 每个单元都对相位电压做出贡献，而这些单元的综合输出则产生了所需的线路电压。.
因此，失败的电池并非仅仅是一个独立的更换部件。 它是活性电压产生链的一部分。.
当其中一个细胞必须从该链中移除时，转换器可能会面临多项同时发生的变化：
- 受影响相位可用电压减少；;
- 相位之间的活性细胞结构不同；;
- 降低了故障后的输出能力。.
成功的旁路电路会将故障单元从电源路径中移除，但转换器仍需要在之后实现输出的正常运行。.
模块化转换器中的电源单元内部是什么样的？
在这种类型的分级转换器中，每个功率单元都是一个功率转换子组件，而非单个开关器件。.
在一 岸上供电转换器 设计时，每个单元都包含了一台 IGBT整流器、一台 DC-link 电容、一台 IGBT逆变桥、驱动电路、保护电路、信号采集电路以及光纤通信电路。 该配置的单元设计时采用了相同的结构和电气特性，因此可以互换使用。.
这种模块化结构提高了维修方便性。 故障可以被局限在更小的功能单元内，并且可以更换兼容的单元，而无需重建整个转换器电源部分。.
但可用性和冗余是不同的要求。.
因此，如果系统未将所需的绕行路径、电气冗余和故障后控制策略纳入设计，那么转换器就可以具有高度模块化设计，但仍会在发生单个电池故障时发生故障。.
当一个动力电池发生故障时会发生什么？
在一种 630 kVA 的岸上电源配置中，控制器被指定用于检测故障。 在单个电源模块中发出警告。 对于严重模块故障的情况，设计要求绕过或拆除受影响的电源单元。 同时保持三相电压平衡并持续运行转换器。.
这已经是一项意义重大的裁员要求了。.
然而，它并未定义完整的故障后的结果。.
仅仅持续运营并不意味着：
- 原定的额定V电流仍可用；;
- 输出电压的初始幅度保持不变；;
- 任何细胞故障都可以被规避；;
- 该转换器可以无限期地保持在恶化状态。.
这些结果必须单独注明。.
为什么 Bypass Alone 不代表冗余？
旁路功能可将故障单元从有效电力路径中移除。.
剩余的电池仍需要充足 V的充电能力
由于活性电池直接影响转换器的输出电压，因此移除一个电池会改变可供使用的电压产生结构。.
在一些工程化的级联转换器设计中，控制系统会检查剩余健康的电池在被旁路后是否仍能提供所需输出功率。其他模块化转换器设计则使用高于正常运行要求最低值的额外电池，以形成额外的电气冗余保障。.
对于岸上供电项目而言，需要在所需运行电压和负载下评估这一利润率。.
仅仅依靠计数细胞是不够的。.
三个阶段仍需具备可接受的输出结构
细胞故障也会影响相位平衡。.
如果只从一个阶段中移除一个单元格，那么该阶段不再具有与另外两个阶段相同的活性单元格结构。 根据拓扑结构和控制方式的不同，该变流器可能需要采取额外的故障后措施，以恢复可接受的线路到线路电压。.
上述630 kVA的海岸供电配置明确要求采用平衡的三相电压。 在受影响的动力装置被绕开或拆除之后。.
因此，成功的外科手术并不代表完全的接受结果。 在旁路后的转换器的输出仍需进行评估。.
不同的冗余策略会产生不同的故障后结果
管理电池失能的情况的方法不止一种。.
不同的策略会根据可用产出、硬件利润率和控制复杂度进行权衡。.
| 战略 | 它能做什么 | 主要优势 | 主要的取舍 |
|---|---|---|---|
| 对称旁路 | 删除相应的单元格，使相位恢复到类似的功能单元格结构。 | 恢复相位对称性的直接方法 | 生产健康的电压的细胞也可能被淘汰。 |
| 控制型平衡 | 使用修改后的故障后控制或调制技术，保留更多健康细胞 | 保留更多可用的转换能力 | 控制和验证复杂度更高 |
| 多余的细胞 | 安装在低于正常要求的最低限度电位上 | 能够支持更强的故障后输出目标 | 更多单元、组件、空间、冷却需求和备件 |
在一种中压变流器实现方案中，一个相位中的故障可以通过绕过其他相位中的相应单元来处理，从而使每个相位保持相同的有效单元数量。 然后，转换器就可以继续以较低的功率运行。.
其他级联式转换器的策略则使用修改后的故障后控制，以保留更多健康的细胞功能。.
通过所需的故障后输出来定义冗余
这个词 裁员 可以描述非常不同的运行结果。.
这些要求不应该混在一起。.
继续运营
在指定功率单元发生故障后，转换器仍保持运行，而不是立即关闭。.
这本身并不能确定剩余负载的量是多少。.
定义了降低后的操作方式
转换器仍会工作，但所指定电压、功率或负载会降低。.
在一种中压变流器实施方案中，自动细胞旁路功能可在故障电池被停机后，恢复运行，但以降低容量。.
在连接负载能够接受降低的运行点的情况下，这仍然是一种有效的冗余策略。.
全额赔付后的操作
有些项目在发生一个已批准的单元故障后，无法接受电力供应的减少。.
这要求要强得多。.
这需要足够的安装电能储备和合适的控制策略，才能在出现故障后保持规定的输出功率。.
一种 OEM 实现采用 N+1 单元冗余选项，可在其中单元之一失效后仍保持额定功率运行，但其可用能力仍取决于适用的输出电压范围。.
这个短语 N+1 电力电池 因此，它本身是不完整的。.
N+1意味着什么运营结果？
- 仅限于继续运营吗？
- 一个确定的减压负载？
- 额定V功率是多少？
- 在什么工作电压下达到满功率输出？
- 限时转账操作？
- 是否可以连续运行直到下一次维护窗口到来？
一个有效的冗余规范既规定了容忍的故障情况，也规定了随后所需的运行结果。.
绕行路径是冗余体系结构的一部分
绕道机制本身也可能成为故障的根源。.
如果绕线路径依赖于同一通信、控制或电源资源，而这些资源也受到电池故障的影响，那么故障可能会同时影响到电源电池和旨在绕开该故障的功能。.
一些转换器设计通过将旁路控制或辅助供电功能与单个功率单元更加明确地分离来解决这个问题。.
因此，对于岸上供电的RFQ，“要求自动旁路”可能过于模糊。.
该项目还可能需要定义：
- 哪些故障情况允许使用旁路；;
- 哪些故障需要进行转换器故障排除；;
- 如何控制旁路功能；;
- 旁路手术的成功程度如何得到证实；;
- 如果 bypass 命令本身失败了，会发生什么情况？.
Power-Cell冗余功能并非完全实现，且无法保证转换器的可用性
功率单元冗余功能可解决选定单元级别的故障问题。.
它无法消除所有可能导致完整转换器无法运行的共享故障。.
冷却就是一个很好的项目范例。.
在一种变频器冷却配置中，由于冷却系统出现故障，导致报警器响起，而该变频器最初仍在运行。 如果情况未得到纠正，且温度达到设定的上限，则必须停止该转换器的工作。.
因此，转换器可以容忍选定的电池单元发生故障，但仍容易受到共用冷却故障的影响。.
对于要求高可用性的项目，应明确规定冗余范围。 细胞级故障容错不应被视为完全的转换器或岸上电源系统可用性的替代品。.
这个问题的热方面将在单独的章节中进行详细介绍。 岸电系统冷却和VHAC设计 .
电气旁路并不意味着实际的移除
电气旁路和物理替换是不同的功能。.
转换器可以在剩余系统继续运行的同时，从电源路径中将故障电池断开连接。.
物理更换应遵循设备批准的维护和隔离程序。.
模块化设计可以简化更换过程，但不能将其理解为自动的热插拔功能。.
如何验证 Power Cell V的冗余性？
普通的 FAT 转换器不会自动证明故障后的冗余性。.
在一次岸上供电测试项目中，转换器的验证包括多种负载水平、过载情况、三相失平衡、输出电压、电流、频率以及保护检查。.
这些测试在规定的运行条件下验证了该转换器的性能。 如果电力单元故障后的继续运行是合同规定的要求，那么故障后的情况就需要自身的验收逻辑。.
建立正常基线
在模拟故障发生之前，记录下所规定的正常运行条件：
- 输出电压；;
- 频率；;
- 负载或VkA；;
- 相位平衡；;
- 活动细胞状态。.
这为测试设定了基准条件。.
应用经批准的故障仿真
模拟情况应在证人测试之前达成一致。.
定义：
- 所受影响的阶段；;
- 受影响的细胞；;
- 允许的故障仿真方法；;
- 操作电压；;
- 测试负载。.
在 FAT 中不应临时进行单元故障修复。.
Verify 检测和故障定位
确认控制器能够识别出受影响的设备，并提供所需的报警和状态信息。.
在一种岸上供电监测配置中，核心电力组件诊断功能可以识别故障类型和故障位置，并提供本地和远程报警信息。.
V确认已批准的绕行或隔离响应
确认所涉及的单元格已按照转换器的设计进行处理。.
不同架构之间的确切顺序可能有所不同。 验收程序应该验证确定的结果，而不应该假设所有转换器都使用相同的故障响应逻辑。.
测量故障后的三相输出
故障修复后，请检查实际的转换器输出。.
相关测量指标包括：
- 线对线的电压；;
- 输出频率；;
- 电压平衡；;
- 稳定的运行状况。.
这一步骤决定了转换器是否已恢复到可接受的电气状态。.
承担合同规定的责任后产生的负荷
这是决定性的考验。.
在规定的故障发生后，转换器应提供项目规范要求的那种负载。.
那可能就是这样：
- 满载负荷；;
- 指定的减幅负载；;
- 临时转移负荷。.
Verify恢复
最后，确认所需的恢复状态。.
具体取决于项目情况，这可能包括：
- 故障重置；;
- 控制重启；;
- 维护状态；;
- 在修复或更换电池后恢复正常运行。.
更广泛的检查和验收方案可以与 岸电制造和FAT 过程。.
RFQ 中应明确哪些内容用于指定转换器的冗余性？
有用的冗余规范以正常运行要求为起点，然后定义了故障情况和所需的故障后结果。.
正常运行数据
提供：
- 转换器的输入电压；;
- 所需输出电压；;
- 输出频率；;
- 额定电流（kVA）；;
- 过载负荷；;
- 所需的操作模式。.
Power-Cell 体系结构
确认：
- 转换器拓扑；;
- 每阶段细胞数量；;
- 正常活性细胞排列；;
- 如有必要，提供电能剩余容量。.
容错要求
定义：
- 必须容忍的过失；;
- 可容忍的不可用单元格数量；;
- 自动或手动旁路；;
- 在故障发生后需要进行三相检测。.
故障后的所需输出
国家：
- 所需剩余电压；;
- 所需剩余的 kVA 或船载荷；;
- 允许降级；;
- 所需运行时间；;
- 是否可以将转运回船上的发电机进行处理。.
接受条件
定义：
- 允许的故障仿真方法；;
- 测量点；;
- 电压平衡要求；;
- 剩余载荷要求；;
- 报警和状态要求；;
- FAT 或证人测试要求。.
更换电池兼容性
应根据已批准的转换器配置和供应商的要求，确认替换电池的兼容性。.
详细的备件数量和长期维护计划应该与冗余定义本身分开处理。.
常见问题解答
模块化岸电转换器在任何电池发生故障后还能继续工作吗？
没有。.
持续运行取决于故障类型、旁路架构、剩余的电气裕度以及故障后的控制策略。 仅仅依靠模块化结构并不能保证系统的持续运行。.
电力电池旁路意味着转换器仍具有其满额定容量吗？
没有。.
在跳过单元后，一些转换器架构仍能保持较低的容量运行。 对故障后的全额补偿操作要求具备足够的安装电力储备，并且控制策略也必须为此而设计。.
为什么其他阶段的健康细胞也会被忽略呢？
在一些容错体系中，相关健康细胞会被跳过，以恢复对称的活性细胞结构。.
其他转换器的设计采用不同的故障后平衡方法。 合适的策略取决于拓扑结构和所需的剩余输出量。.
“N+1 电源单元”是否足以保证冗余性？
没有。.
规范还应规定应容忍的故障、必须保持的电压和负载、允许的操作持续时间以及如何验证结果。.
如果转换器保持通电，是否可以拆除绕线后的动力单元？
仅靠电气绕路就无法实现物理移除的有效性。.
物理性更换须遵守批准的设备维护和隔离程序。.
技术参考
- IEC/IEEE 80005-1:2019，其中包括 AMD1:2022和 AMD2:2023 — 高压岸上连接系统；系统涵盖频率转换、控制、监测等岸上连接功能。.
- IEC/IEEE 80005-3:2025 — 低压岸上连接系统；包括适用的半导体频率转换器以及保护、控制、监测和联动功能。.
- 西门子 SINAMICS PERFECT HARMONY GH180 技术文档 — 层叠式电力单元拓扑结构、单元旁路、冗余选项以及故障后电压能力方面的考虑。.
- 罗克韦尔自动化 PowerFlex 6000T编程手册 — 细胞绕行实现、相位平衡示例以及故障后容量缩减操作。.
- ABB关于模块式电力转换的技术资料 — 细胞数量、输出电压能力、冗余幅度以及转换器设计之间的关系。.
- IET 电动力电子学部门关于故障容忍式 H-桥式逆变器的研究 —故障后的电压失衡、电池绕路策略以及基于控制的平衡转换器输出恢复方法。.
在选择转换器之前，定义所需的故障后结果
裁员审核应该从船舶在出现指定故障后的实际运营结果开始。.
请提供所需输入和输出电压、频率、额定负载、过载负荷、已定义的可变器的转换架构、所需故障后电压和负载、允许的降级幅度、运行时间以及 FAT 要求。.
有了这些输入信息，可以将转换器的冗余要求视为工程设计条件，而非诸如 模块化, 细胞旁路, 或者 N+1.
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