CN103607132A - 具有容错拓扑的npc三电平逆变器电路及其控制方法 - Google Patents

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本发明涉及一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路及其控制方法，直流电通过NPC三电平逆变器电路接三相负载，二电平桥臂电路由串联的两个功率器件以及并联在功率器件的反并二极管组成，二电平桥臂电路并联接直流电两端，二电平桥臂电路串联的两个功率器件中点通过三组双向可控常开开关接三相负载，负载通过三组双向可控常闭开关接三相逆变电路输出。当三相某桥臂发生故障时，控制断开故障相的双向可控常闭开关，闭合故障相的双向可控常开开关，把原来连接在故障相的负载连接到二电平桥臂电路的中点。在容错控制后保持三相平衡工作，不降低电路的输出功率，使NPC三电平逆变器电路可靠性得到提高。

Description

具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路及其控制方法。
背景技术
相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电平数增加、更好的谐波频谱、器件所承受的电压应力小等优势，但是由于多电平电路使用了数量较多的开关器件，导致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。
由于在某些重要的应用场合，对电路的可靠性要求比较高，甚至要求在出现故障后，仍然希望电路能够继续工作，因此，目前出现许多多电平逆变器的容错技术，比如 “三桥臂”和“四桥臂”两种。“三桥臂”容错方法是在不增加基本NPC逆变器主电路桥臂的基础上进行容错控制。当某相桥臂出现故障时，把故障相的负载直接连接到直流电压中心点，但是这种方法普遍存在容错后电路需要降额运行的缺点。“四桥臂”的方法就是在基本NPC逆变器的基础上，额外增加一个相同结构的桥臂，当电路的某相桥臂出现故障时，用来替换故障相，由于采用结构相同的桥臂，因此电路的开关数量和成本都将明显增加。
发明内容
本发明是针对多电平逆变电路容易出现故障的问题，提出一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路及其控制方法，该电路能在NPC三电平逆变器某相桥臂发生器件故障时仍然能够继续工作，并在容错控制后保持三相平衡工作，不降低电路的输出功率。
本发明的技术方案为：一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路，包括NPC三电平逆变器电路、三相负载、二电平桥臂电路、三组双向可控常开开关、三组双向可控常闭开关，二电平桥臂电路由串联的两个功率器件以及并联在功率器件的反并二极管组成，二电平桥臂电路并联接直流电两端，二电平桥臂电路串联的两个功率器件中点通过三组双向可控常开开关接三相负载，负载通过三组组双向可控常闭开关接三相逆变电路输出。
一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路控制方法，包括具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路，当正常工作时，NPC三电平逆变器电路输出给三相负载；当三相某桥臂发生故障时，控制断开故障相的双向可控常闭开关，闭合故障相的双向可控常开开关，把原来连接在故障相的负载连接到二电平桥臂电路的中点。
所述二电平桥臂电路串联的两个功率器件的开关信号互补，一个开通，另一个就关断。当三相某桥臂发生故障时，二电平桥臂电路采用双极性SPWM方法控制不对称桥臂。
本发明的有益效果在于：本发明具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路及其控制方法，在容错控制后保持三相平衡工作，不降低电路的输出功率，使NPC三电平逆变器电路可靠性得到提高。
附图说明
图1为本发明具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路框图；
图2为NPC三电平逆变器电路图； 
图3为本发明具有容错拓扑的NPC三电平逆变器的电路图； 
图4为本发明工作状态承受电压示意图；
图5为本发明容错状态承受电压示意图；
图6为本发明容错系统控制方法流程图；
图7为本发明容错时采用双极性SPWM控制方法波形图；
图8为本发明容错时采用双极性SPWM控制二电平桥臂相电压波形图；
图9为本发明容错时采用双极性SPWM控制二电平桥臂负载相电压频谱图；
图10为本发明正常工作的两相桥臂相电压波形图。
具体实施方式
如图1所示具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路框图，电路主要包括：NPC三电平逆变器电路1，三相负载2，二电平桥臂电路3，三组双向可控常开开关4，三组双向可控常闭开关5。                                                                                                                                                                                                     
如图2所示NPC三电平逆变器电路图，三电平逆变器每相由4 个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）S 1～S 4功率元件串联组成，每相的中间点，即S 2和S 3中点a、b、c为三电平逆变器输出接对应三相负载，每个功率器件反并联1 个续流二极管，三相并联接直流电U d ，每相中间两个串联IGBT功率元件S 1和S 2上并联接两个串联的二极管D 5、D 6 ，直流U d 中性点0接串联的两个二极管D a5、D a6 中间点，这样每个功率器件耐压值可降低一半，更适合于大功率交流传动系统的控制。例如a相，当S a1 、S a2 导通时，点a对中性点0 的电压为Ud / 2；当S a2 、S a3 导通时，点a对中性点O的电压为0；当S a3 、S a4 导通时，点a对O点的电压为-Ud /2。故三电平逆变器每相可输出3 种电平状态，三相共可输出27种电平状态。
如图3所示具有容错拓扑的NPC三电平逆变器的电路图，是在标准NPC逆变器基础上，增加一个由串联的S 1 和S 2 两个功率器件以及它们的反并二极管组成的二电平桥臂，再增加6组双向开关，串联的S 1 和S 2 两个功率器件并联接直流电U d ，串联中间点通过三组双向可控常开开关R a2 、 R b2 、 R c2 接三相负载，负载通过三组组双向可控常闭开关R a1 、R b1 、R c1 接三相逆变电路输出，就构成了本发明提出的具有容错功能的NPC逆变器电路。当x(x=a,b,c)相桥臂发生故障时，控制断开双向开关R x1 ，闭合双向开关R x2 ，把原来连接在x相的负载连接到二电平桥臂的中点（图3中的m点）。实现上述功能的前提是发生在x相桥臂的故障能够通过一定的方法检测到，然后才能启动相应的容错控制方案。
如图4和5所示不同情况下承受电压示意图，当变量S 1=1表示开关S 1开通，S 1=0表示开关S 1关断。这里S 1和S 2的开关信号互补，即S 1+ S 2=0。由此可以得到二电平桥臂中点m的开关函数：
Figure 968090DEST_PATH_IMAGE002
而根据NPC逆变器基本理论，可以得到x 相桥臂中点电压的开关函数为：
Figure 885231DEST_PATH_IMAGE004
由此可以得到容错控制后各相开关函数以及相、线电压等结果，如表1所示开关函数以及二电平桥臂相电压Vmo、三相桥臂相电压Vxo和三相桥臂线电压Vmx。
表1
Figure 2013106122351100002DEST_PATH_IMAGE006
由式（1）、（2）以及表1的结果可以得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
在电路发生故障之前，基本NPC 拓扑中的所有主开关都承受一半的输入直流电压，比如在开关状态“P”，x相等效电路如图4所示，开关Sx3 和Sx4 共同承受输入电压。而在检测到故障并进行容错后，二电平桥臂中的主开关则承受整个输入直流电压，如图5 所示，当开关S1 开通时，开关S2 承受整个输入直流电压。因此，如果输入直流电压超出单个器件的耐压，在容错控制后，电路必须降低输入直流电压降额运行；如果输入直流电压低于单个器件的耐压，则在容错控制后电路仍然能够额定运行。
图6是本发明中容错系统控制方法流程图。当电路出现故障并进行容错控制后，正常工作的两相桥臂一般采用载波层叠控制方法，既通过载波和调制波比较得到开关脉冲控制信号，再通过开关脉冲控制信号分别控制正常工作的两相桥臂上开关管的导通与关断，使逆变器的每相输出都是三电平波形。而故障相负载连接到二电平桥臂的中点后，则要对S1 和S2的控制方法进行研究。
本发明采用双极性SPWM方法控制二电平桥臂，具体波形如图7所示，图中u a 为调制波（a相参考电压），u c 为载波，当u a >u c 时，图中S1,2信号为正，控制S1开通，当u a <u c 时，图中S1,2信号为负，控制S2开通。采用双极性SPWM控制方法，二电平桥臂相电压Vmo，负载相电压Vmn仿真波形如图8所示，负载相电压Vmn的频谱如图9所示。从图8可以看出，二电平桥臂相电压Vmo为双极性波形，该电压波形不含低次谐波，而正常工作的两相桥臂相电压Vbo和Vco如图10所示。
根据三相逆变器基本原理，负载相电压可以表示为三个桥臂相电压的线性组合，比如：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
因此可以得出，负载相电压Vmn肯定不含低次谐波，图9为负载相电压Vmn的频谱也验证了这种观点。

Claims (4)

1.一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路，其特征在于，包括NPC三电平逆变器电路、三相负载、二电平桥臂电路、三组双向可控常开开关、三组双向可控常闭开关，二电平桥臂电路由串联的两个功率器件以及并联在功率器件的反并二极管组成，二电平桥臂电路并联接直流电两端，二电平桥臂电路串联的两个功率器件中点通过三组双向可控常开开关接三相负载，负载通过三组组双向可控常闭开关接三相逆变电路输出。
2.一种具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路控制方法，包括具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路，其特征在于，当正常工作时，NPC三电平逆变器电路输出给三相负载；当三相某桥臂发生故障时，控制断开故障相的双向可控常闭开关，闭合故障相的双向可控常开开关，把原来连接在故障相的负载连接到二电平桥臂电路的中点。
3.根据权利要求2所述具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路控制方法，其特征在于，所述二电平桥臂电路串联的两个功率器件的开关信号互补，一个开通，另一个就关断。
4.根据权利要求3所述具有容错拓扑的NPC三电平逆变器电路控制方法，其特征在于，当三相桥臂发生故障时，二电平桥臂电路采用双极性SPWM方法控制不对称桥臂。
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