CN102780224B

CN102780224B - 链式多电平逆变器故障单元的无缝切除控制方法

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Publication number: CN102780224B
Application number: CN201210280591.3A
Authority: CN
Inventors: 卓放; 熊连松
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: CN102780224A

Abstract

链式多电平逆变器故障单元的无缝切除控制方法，对系统的各个物理参数进行实时监测，控制部分根据监测到的信息来判断系统当前的运行状态，一旦发现异常，且不能排除时，相应的功率单元控制器切除故障功率单元/旁路机构动作，并实时更新三角载波周期和调制比和/或直流侧电压。该方案能够很好的解决旁路故障功率单元后引起的三相电压不平衡问题以及电能质量变差等问题，能够实现故障的无缝切除。该方法简单易行，无需复杂的计算和判断，充分利用了冗余设计这一特点，大大提高了系统的可靠性和工作寿命，从而推动了链式多电平逆变器可靠地应用于高压大容量电力电子装置。

Description

链式多电平逆变器故障单元的无缝切除控制方法

技术领域：

本发明属于电网电能质量治理研究领域，特别涉及链式多电平逆变器CMI故障单元无缝切除的正确操作步骤及具体方法。

背景技术：

随着电力电子技术的飞速进步以及绿色低碳理念的深入人心，工业生产甚至居民用电时对电能质量的要求也在随之提高，以APF、STATCOM等为代表的电能质量控制器，以及以风力发电、光伏发电为代表的新能源发电并网装置都正在朝着高压大功率的方向快速发展。上述装置的核心电路使用最广泛的就是链式结构的多电平逆变器。

采用链式结构构成的高压大容量电力电子装置是一个十分庞大而复杂的系统，包含众多的子系统，所有的子系统必须各自正常工作并且相互协作才能实现装置的整体功能，其中任何一个部件的失效都必将影响整个装置的正常工作，甚至导致全局性故障。因此当某一个功率单元发生故障之后，就启动专门的旁路机构将故障功率单元切除，使之不影响正常功率单元的运行。

然而，直接切除故障功率单元会对CMI构成系统的运行带来致命的影响，例如：CMI输出电压波形严重不对称，THD迅速增大；CMI输出的基波电压幅值显著降低，从而导致CMI系统过流；甚至可能会导致电力系统出现严重故障：公共连接点电压跌落，无功、谐波大量注入，三相不平衡等。被切除故障功率单元数量占总体数量的比重越大，上述影响就越严重。因此，为了保证故障功率单元切除后不影响系统的正常工作以及各项性能指标基本不变化，就必须采取适当的控制策略，以避免发生上述的更为严重的故障，从而确保系统安全、可靠、准确运行。

为了避免直接切除故障功率单元后发生上述致命的后果，工业上常使用的方法是将正常相对应的功率单元也一并切除。该方法简单有效，避免了三相电压不平衡现象，以及由此带来的系统过压、过流等更为严重的故障。然而该方法牺牲了功率单元的部分输出容量，不能充分发挥CMI的最大输出电压能力。

为了治理旁路故障功率单元带来的三相电压不平衡问题，同时最大限度利用功率单元的输出电压能力，著名学者Hammond于2002年提出了中性点移位（Neutral Shift）方法。该方法可以在故障功率单元切除后，获得最大的三相对称线电压，因而广泛应用于星形连接的三相电力电子装置中。

中性点移位原理利用了逆变器的星形连接点为浮动电位点，且不连接到负载中性点这一特性，通过算法调整三相逆变器的输出电压相位，实现输出三相线电压平衡。该方法的本质原理是在各相不对称的相电压上叠加零序分量，构造出对称的线电压，从而保证负载安全稳定运行。但该法仍然有很多的缺点和问题：1、只能使输出的线电压幅值保持相等，而输出谐波会显著增加。2、基波电压幅值并不完全相等，谐波含量越大，基波电压幅值越低。3、计算量庞大，逻辑复杂，实现起来十分麻烦。4、虽然输出的线电压幅值相等了，且尽可能输出了最大电压幅值，但是相对于正常运行时的输出电压，幅值还是降低了，5、更为关键的是该方法只适用于星形连接的结构，而对于目前广泛使用的三角形连接结构则不适用。其中很多缺点属于中性点移位方法的固有缺陷，无法通过优化和改进措施得到彻底解决。为此需要更新思路，提出新的故障功率单元切除的方法。

以下给出检索的相关文献

[1]王旭，臧义，徐彬，林家泉.基于开关管的级联H桥逆变器故障处理方法[J].中国电机工程学报.2007，27（7）：76-81．

[2]臧义，孙红鸽，徐彬.级联逆变器单元故障处理方法研究[J].电气传动.2009，39（7）：29-31．

[3]Rodriguez J,Hammond P W,Pontt J,et al.Operation of a medium-voltage drive under faultyconditions[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2005,52(4):1080-1085.

[4]Wei Sanmin,Li Fahai,Sun Xudong,et al.Control method for cascaded H-bridge multilevel inverter withfaulty power cells[C].IEEE APEC Conf.Rec.,Miami,USA,2003.

Zang Sanmin,Wang Xu,Xu Bin,et al.Faulty-tolerant design for multilevel cascadedH-bridge inverter[C].ICEMI2005,Beijing,China,8:259-263.

发明内容：

本发明专利公开了一种CMI系统故障功率单元无缝切除的控制方法，使用该方法将CMI的故障功率单元旁路之后，能使得CMI系统工作状态基本不受影响，电压、电流、功率因素、畸变率THD等各项主要的性能指标基本不发生变化，能够完美地实现故障无缝穿越。

为达到上述目的，本发明使用了CMI故障功率单元无缝切除控制方法得以实现。下面从结构设计和控制实现两方面进行阐述：

1)考虑冗余的结构设计方法：

CMI由N个功率单元串联组成，当某个功率单元发生故障后，为了不影响整个装置的正常运行，最直接、简单、有效的方法是使用旁路机构将故障功率单元切除，使之不影响正常功率单元和正常相的工作。旁路之后故障相就变成了(N-1)个功率单元运行了，这(N-1)个功率单元就承担起了原来N个单元的任务。如果在做设计的时候，每个功率单元都按照功率的极限来做设计，那么故障功率单元切除之后，(N-1)个功率单元就不能可靠地承受起原来N个单元的输出容量。因此，设计的时候需要考虑一定的裕量。正常工作时N个单元能够承受的输出容量，考虑冗余后由N个以上的单元来完成。这就是考虑冗余的结构设计方法。如果考虑n个功率单元同时发生故障且同时需要进行切除时，则需要设计(N+n)个功率单元的串联结构，具体设计时还应该根据系统的可靠性要求和成本因素等综合考虑。

2)从控制算法上进行说明：

对于采用CPS-SPWM调制方法的链式多电平逆变器来说，为达到故障单元无缝切除的目的，应该满足以下三个原则：等效开关频率不变、采样频率不变以及输出基波电压的幅值不变。为了满足上述三项原则，故障无缝切除算法就必须调整逆变器移相三角载波的载波周期，同时调整逆变器直流侧电压或者调制比。

在阐述上述命题之前，有必要首先说明CMI的PWM波的生成方法，如图1所示，在三角载波的最小值点的时候采样指令信号值并进行锁存，一个载波周期内只采样一次，开关管动作两次。假设CMI由5个功率单元组成，其PWM波的采样周期是T_s，发生故障后在未经无缝切除控制之前的调制波周期为T_c，调整之后载波周期为T′_c。则相邻功率单元之间的采样间隔为T_s，每个功率单元两次采样的时间间隔为5T_s，如图2所示，对应的脉冲时间序列如图3所示。假设在某一时刻，将故障功率单元切除后，而无缝切除的控制算法没有实施前，原5个功率单元中有一个退出了运行，两个功率单元之间的采样时间间隔将不再一样，有的时候是T_s，有的时候是2T_s，如图4所示。为保障采样频率不变且每两个功率单元之间的采样时间间隔不变，即T_s，则应改变脉冲生成的时序，增大三角载波的载波频率，如图5所示。显然：

T_{c}^{'} = \frac{4}{5} T_{c}

推广到n个功率单元串联，三角载波周期为T_c，且采用CPS-PWM控制方法，则当有m(n≥m)个功率单元因为故障而被旁路之后，调整后的三角载波周期T′_c应为：

T_{c}^{'} = \frac{n - m}{n} T_{c}

可以证明：当故障功率单元无缝切除控制算法满足上述条件之后，CMI系统的等效开关频率和采样频率能够保持不变；CMI输出电压的谐波成分以及含量几乎不会发生变化。

要实现故障功率单元的无缝切除，还得要满足第三个原则。理论分析表明：影响CMI输出电压基波幅值的主要因素有功率单元的数量n、调制比M以及功率单元的直流侧电压幅值U_dc。为了确保故障功率单元切除前后的输出电压基波幅值保持不变，可以通过控制M和直流侧电压U_dc来实现。

1、仅调整直流侧电压时，调整后的直流侧电压U′_dc应满足：

U_{dc}^{'} = \frac{n}{n - m} U_{dc}

2、仅调整调制比时，调整后的调制比M′应满足：

M^{'} = \frac{n}{n - m} M

3、同时改变直流侧电压U′_dc和调制比M′时，调整后的直流侧电压U′_dc和调制比M′应满足：

M^{'} U_{dc}^{'} = \frac{n}{n - m} {MU}_{dc}

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种实用的链式多电平逆变器故障单元的无缝切除控制方法。并利用MATLAB中的simulink对该控制方法进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该方案能够很好的解决旁路故障功率单元后引起的三相电压不平衡问题以及电能质量变差等问题，能够实现故障的无缝切除。相比于其他方案，新方法能够保证在故障切除之后，系统各关键的物理参数（基波电压、电流、功率因数、THD等）基本不发生变化，满足“无缝切换”的控制要求。该方法简单易行，无需复杂的计算和判断，充分利用了冗余设计这一特点，大大提高了系统的可靠性和工作寿命，从而推动了链式多电平逆变器可靠地应用于高压大容量电力电子装置。

附图说明：

图1PWM波生成方法示意图。

图2某相1号功率单元的PWM波生成示意图。

图3故障发生之前5个功率单元的脉冲时序图。

图4故障单元旁路后、控制算法实施前5个功率单元的脉冲时序图。

图5控制算法实施后5个功率单元的脉冲时序图。

图6带旁路机构的功率单元：2H桥单相逆变器。

图7（a）直接切除故障功率单元时故障相CMI的输出电压的波形。

图7(b)直接切除故障功率单元时故障相CMI输出电压的频谱。

图8（a）直接切除故障功率单元时链式STATCOM的输出电流即线电流。

图8(b)直接切除故障功率单元时CMI的输出电流即相电流。

图9直接切除故障单元后对链式STATCOM补偿性能的影响。

图10旁路故障功率单元，并且采用故障无缝切除控制方法之后，故障相的调制信号波变化示意图。

图11(a)旁路故障功率单元，并且采用故障无缝切除控制方法之后，故障相的CMI输出电压的波形。

图11(b)旁路故障功率单元，并且采用故障无缝切除控制方法之后，故障相的CMI输出电压频谱。

图12旁路故障功率单元，并且采用故障无缝切除控制方法之后，链式STATCOM的补偿效果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

在编写控制器程序时，需要额外存入5个变量n、m、T_c、M、U_dc，分别表示逆变器正常运行时串联的功率单元个数和出现故障需要旁路的功率单元数、移相载波的周期、调制比以及功率单元的直流侧电压。

为了保证系统的正常运行，通常需要对系统的各个物理参数进行实时监测，控制部分会根据监测到的信息来判断系统当前的运行状态，一旦发现异常，且不能排除时，相应的功率单元控制器立即发出旁路指令——切除故障功率单元，并向主控制系统发送故障报告，使系统主控制器根据故障无缝切除方法进行操作。这个过程按照以下步骤进行：

步骤1：传感器对系统各关键物理参数进行监测，并对实时采集的数据进行分析、判断，评估系统是否正常运行。

步骤2：一旦发现功率单元故障，且故障不能排除，需要立即切除。此时功率单元的控制器立即发送闭锁驱动信号，保证开关器件可靠关断，以免引起功率单元的直流侧短路，从而导致过电流，甚至烧毁功率单元。

步骤3：控制器发送旁路信号，旁路机构动作，切除故障功率单元，在图6所示的功率单元中，旁路机构即为双向晶闸管，当然也可以是其它操作机构；此时n的值保持不变，m的值更新，且为本次操作需要切除的功率单元的数量。

步骤4：根据实际情况的需要，考虑是否开启电容电能泄放通路，如果功率单元长期闲置不用或者需要进行检修、替换等操作时，需要将直流侧能量进行充分地释放，以确保人员和环境的安全。

步骤5：计算切除故障单元后的三角载波周期并更新变量T_c，

T_{c} = \frac{n - m}{n} T_{c}

根据新的载波周期T_c对CPS-SPWM进行数字化实现，这样可以保证等效开关频率和采样频率不变，即满足了无缝切除的前两个原则。

步骤6：为满足第三个原则，即输出基波电压幅值不变。考虑操作简单，响应迅速等要求，一般来说，应首先调整调制比M:

M = \frac{n}{n - m} M

即故障单元切除后，系统自动增大调制比，以达到输出电压基波幅值不变的目的。但是，调制比的变化范围有一定的限制。

步骤7：判断调制比是否超过上限值M_max。若调整后的调制比没有超过上限值M_max时，则直接跳转到步骤9。若调整后的调制比已经超过上限值M_max时，则令M＝M_max。

步骤8：在调整调制比M的基础上调整直流侧电压U_dc：

U_{dc} = \frac{n}{n - m} U_{dc}

步骤9：更新n、m的值，n＝n-m、m＝0。完成后，系统输出故障记录报告，为运行管理人员的决策提供信息支持。

步骤10：跳转到步骤1，重复进行上述过程。

本发明中给出了一种实用的链式多电平逆变器故障单元的无缝切除控制方法。并利用MATLAB中的simulink对该控制方法进行了仿真验证。仿真电路采用三角形连接的链式STATCOM主电路结构，以及图6所示的功率单元，每相CMI由10个功率单元构成，并且采用CPS-SPWM方法控制。仿真模型的主要参数为：系统电压等级为8kV，电流等级为200A，连接电感为6mH，无功负载为50Ω、0.3H，功率单元的直流侧电压为1800V，载波频率为1kHz，等效开关频率为20kHz。仿真结果如图7至图12所示。其中图7至图9分别为直接切除故障功率单元时的仿真结果，即CMI输出电压波形严重不对称，THD值迅速增大；CMI输出的基波电压幅值显著降低，从而导致链式STATCOM过流；上述结果可能会导致电力系统出现更为严重的故障：公共连接点电压跌落，无功电流、谐波电流大量注入，三相电压不平衡等。图10至图12分别为采用故障无法切除方法旁路故障功率单元时的仿真结果，可以看出调制比由0.8变成了仿真所设定的最大值0.945，CMI的输出电压波形始终保持对称，基波有效值维持不变，电压畸变率也基本不变化，因此系统的输出电流也不会发生畸变或者跌落，链式STATCOM的补偿效果没有受到故障切除操作的影响，依然稳定有效。

Claims

1.链式多电平逆变器故障单元的无缝切除控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：传感器对系统进行监测，并对实时采集的数据进行分析和判断，评估系统是否正常运行；

步骤2：一旦发现功率单元故障，且故障不能排除，则功率单元的控制器立即发送闭锁驱动信号，保证开关器件关断；

步骤3：控制器发送旁路信号，旁路机构动作，切除故障功率单元；逆变器正常运行时串联的功率单元个数n的值保持不变，出现故障需要旁路的功率单元数m的值更新，且为本次操作需要切除的功率单元的数量；

步骤4：计算切除故障单元后的控制逆变器的移相载波的周期T_c，

T_{c} = \frac{n - m}{n} T_{c}

其中，n表示逆变器正常运行时串联的功率单元个数、m表示出现故障需要旁路的功率单元数、T_c表示移相载波的周期；

根据新的载波周期T_c对逆变器进行控制使得等效开关频率和采样频率不变；

步骤5：保持输出基波电压幅值不变：首先调整调制比M:

M = \frac{n}{n - m} M

即故障单元切除后，系统自动增大调制比，以达到输出电压基波幅值不变的目的；

步骤6：判断调制比是否超过上限值M_max；若调整后的调制比没有超过上限值M_max时，则直接跳转到步骤9；若调整后的调制比已经超过上限值M_max时，则令M=M_max；

步骤7：在调整调制比M的基础上调整直流侧电压U_dc：

U_{dc} = \frac{n}{n - m} U_{dc}

步骤8：更新n、m的值，n=n-m、m=0；

步骤9：跳转到步骤1，重复进行上述过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述旁路机构为双向晶闸管。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3和步骤4之间还包括如下步骤：开启电容电能泄放通路。