CN105356764A

CN105356764A - 具有容错拓扑结构的z源双级式矩阵变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN105356764A
Application number: CN201510729119.7A
Authority: CN
Inventors: 杨袁钰; 周波; 秦显慧; 韩娜; 刘兵; 石宝平
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105356764B

Abstract

本发明公开了具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器及其控制方法，属于矩阵变换器控制的技术领域。在Z源双级式矩阵变换器整流级三相桥臂两端并联用于替代开路双向开关的第四桥臂；针对整流级双向开关管开路故障，重新划分整流级空间矢量扇区使得每个扇区包含唯一非零矢量以调整整流级容错控制策略，当整流级期望矢量位于故障扇区时调整故障扇区直通矢量占空比进而调整逆变级容错控制策略。本发明针对整流级某一双向开关管断路故障，利用第四桥臂与容错控制策略实现Z源双级式矩阵变换器的容错运行，提高了这种矩阵变换器的可靠性与安全性。

Description

具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器及其控制方法

技术领域

本发明公开了具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器及其控制方法，属于矩阵变换器控制的技术领域。

背景技术

交流电力变换器是交流变频系统的核心，也是许多电气设备的最重要的组成部分。随着电力电子技术的进步以及高性能半导体功率器件的出现，交流电力变换器也得到了迅猛的发展。其中矩阵变换器作为一种新型的交流变换器，具有结构紧凑，体积较小，稳定性好，使用寿命长的优点。而由矩阵变换器演变而来的双级式矩阵变换器不仅具有传统矩阵变换器的优势，同时还克服了传统矩阵变换器换流复杂，需要箝位电路的缺点。

此外，双级式矩阵变换器的实用化还需要解决电压传输比较低的问题。目前已经有学者将Z源网络运用于双级式矩阵变换器，利用Z源网络以及直通环节升压来提高电压传输比。同时，由于Z源网络的加入可以减小甚至消除死区时间，这就可以进一步改善输出电流电压的波形质量。

电力电子技术不断进步，功率电子器件迅猛发展，电力电子设备的容量和规模日益增大，系统也日趋复杂。这样的大规模系统一旦出现故障，可能会造成巨大的经济损失，甚至对相关人员的生命安全造成威胁。在此背景之下，容错技术迅速发展，为系统的可靠性和安全性提供了解决方案。而双级式矩阵变换器采用三相交流电源输入，整体容量一般较大，系统也较为复杂。因此，采用容错技术提高双级式矩阵变换器系统的可靠性，安全性与容错运行能力具有重要意义。

目前，已经有许多学者对双级式矩阵变换器的容错技术进行了研究，研究重点主要集中在逆变级故障，而对于整流级故障，现有技术一般采取停机保护的处理方式。亟待提出一种针对双级式矩阵变换器整流级故障的容错控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器及其控制方法，提出一种整流级具有容错拓扑结构的双级式矩阵变换器以及针对双级式矩阵变换器整流级故障的容错控制方法，解决了双级式矩阵变换器整流级某一双向开关管断路故障后变换器无法继续运行的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器，包括：LC滤波器、整流级、Z源网络、逆变级，LC滤波器输入端接三相交流电源，LC滤波器输出端接整流级三相桥臂中点，Z源网络输入端口接在整流级三相桥臂两端，Z源网络输出端口接在逆变级三相桥臂两端，

整流级三相桥臂两端并联有替代整流级开路双向开关管工作的第四桥臂，第四桥臂由两个带有反并二极管的单向开关管串联组成，第四桥臂的中点接三相交流电源的中性点。

所述Z源双级式矩阵变换器的控制方法，

当所述Z源双级式矩阵变换器整流级中的双向开关管断路时：重新划分整流级空间矢量扇区使得每个扇区包含唯一非零矢量以调整整流级容错控制策略；

当整流级期望矢量位于故障扇区时：调整逆变级直通矢量占空比进而调整逆变级控制策略。

做为所述Z源双级式矩阵变换器控制方法的进一步优化方案，重新划分整流级空间矢量扇区使得每个扇区包含唯一非零矢量以调整整流级容错控制策略，具体方法为：

将变换器正常工作时调制整流级的不含零矢量的输入电流空间矢量调制策略转换为不含零矢量的输入电压空间矢量调制策略；

将电压空间矢量扇区逆时针旋转三十度得到重新划分后的整流级空间矢量扇区；

调整整流级期望矢量所属扇区中用于调制的矢量的占空比。

进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法中，当整流级期望矢量位于故障扇区时：调整逆变级直通矢量占空比进而调整逆变级控制策略，具体方法为：

依照非直通矢量时间作用内直流母线电压升高为该故障扇区内唯一非零矢量电压值K倍的原则调整故障扇区直通矢量占空比，K为升压后故障扇区非直通矢量时间作用内直流母线电压与该故障扇区内唯一非零矢量电压值的比率；

对逆变级直轴电压和交轴电压进行折算，由逆变级直轴电压和交轴电压折算值、非故障扇区内逆变级输入侧有效时间的电压平均值确定逆变级矢量调制的调制比；

由逆变级矢量调制的调制比以及期望矢量与扇区内唯一非零矢量的夹角确定逆变级调制矢量占空比。

再进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法中，对逆变级直轴电压和交轴电压进行折算的表达式为：

\{\begin{matrix} U_{d}^{*} = \frac{U_{d}}{R} \\ U_{q}^{*} = \frac{U_{q}}{R} \end{matrix},

其中，U_d、U_q分别为直轴电压、交轴电压的给定值，分别为直轴电压、交轴电压的折算值，R为折算系数，B非故障扇区非直通矢量作用时间内逆变器输入侧直流母线电压与不含直通矢量时逆变器输入侧直流母线电压的比率，d_st ^*为非故障扇区内直通矢量占空比。

再进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法，非故障扇区内逆变级输入侧有效时间的电压平均值U_avg为：U_m为三相电源的线电压幅值。

再进一步的，所述Z源双级式矩阵变换器控制方法，综合实际的运行条件和器件的耐压值，妥善选取升压后故障扇区非直通矢量时间作用内直流母线电压与该故障扇区内唯一非零矢量电压值的比率K，K的取值为1至1.6之间的实数。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)在整流级添加了由两个串联的带有反并二极管的单向开关管组成的第四桥臂，当Z源双级式矩阵变换器的整流级某一双向开关管出现断路故障时，能够削弱Z源网络输出端与输入端的电压尖峰，防止故障瞬间过高的电压尖峰损坏电路，同时，也为故障检测提供了时间上的可能性；

(2)添加了第四桥臂拓宽了整流级可用矢量的范围，整流级某一双向开关管出现断路故障时的容错控制策略，重新划分整流级矢量空间的扇区使得故障影响的扇区区间由180度缩小为120度，减小了故障的影响范围，配合Z源网络改进逆变级控制策略对逆变级输入侧直流母线电压进行补偿，实现了Z源双级式矩阵变换器的容错运行并提高了系统的安全性和可靠性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为电路拓扑结构示意图；

图2为整流级电流空间矢量调制示意图；

图3为开关管驱动波形调制示意图；

图4为容错策略下矢量空间扇区划分示意图；

图5为系统带永磁电机负载时线电压、相电流与电机转速的仿真实验图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

1、电路拓扑结构

本发明电路拓扑结构示意图如图1所示，包括依次连接的三相交流供电电源、LC滤波器、整流级、Z源网络、逆变级电路。整流级中，6个双向开关管组成的三个桥臂分别与电源的A、B、C三相相连，另外两个带有反并二极管的单向开关管串联构成整流级的第四桥臂，三相交流电源的中性点连接第四桥臂中点。逆变级由6个单向开关管组成3个普通的三相桥臂。整流级与逆变级之间使用Z源网络进行连接，提高双级式矩阵变换器的电压传输比。

当Z源双级式矩阵变换器的整流级某一双向开关管出现断路故障时，能够削弱Z源网络输出端与输入端的电压尖峰，防止故障瞬间过高的电压尖峰损坏电路，同时，也为故障检测提供了时间上的可能性。

2、控制策略

Z源双级式矩阵变换器在正常状态下运行时，不使用第四桥臂，采用常用的双空间矢量调制。

整流级采用不含零矢量的输入电流空间矢量调制，整流级的空间矢量调制如图2所示，矢量空间均分为扇区I至扇区VI这6个扇区，存在6个非零电流矢量，分别为矢量I₁至矢量I₆，位于每一个扇区的分界线上，每一个电流矢量代表矩阵整流器的一种开关状态，矢量的第一、二、三位依次代表与A、B、C相连接的双向开关的状态。-1表示与该相相连靠近直流母线N侧的双向开关开通，另一侧开关关断，即该相与直流母线P直通；0表示与该相相连两组双向开关都关断；1表示与该相相连靠近直流母线P侧的双向开关开通，另一侧开关关断，即该相与直流母线N直通。期望的电流空间矢量I^*可以由两个与之相邻的非零电流矢量合成，用矢量X与矢量Y表示，以图2为例，当I^*处于II扇区，相邻矢量X与Y就是矢量I₁和I₂，计算占空比D_X与D_Y可以表示为：

\{\begin{matrix} D_{X} = s i n (\frac{2 π}{3} - θ) \\ D_{Y} = s i n (θ - \frac{π}{3}) \end{matrix}

零矢量的占空比，可以表示为：

D₀＝1-D_X-D_Y

为了减少开关切换的次数，简化调制策略，同时也能降低开关损耗，将零矢量的占空比平均分配给两个非零矢量。最终，得到的非零矢量的实际占空比和可以表示为：

\{\begin{matrix} D_{X}^{*} = 0.5 D_{0} + D_{X} \\ D_{Y}^{*} = 0.5 D_{0} + D_{Y} \end{matrix}

类似的当期望电流矢量处于其他扇区时，也可以用类似方式得到两个非零矢量占空比。

逆变级采用带有直通矢量的电压空间矢量调制。当直通矢量占空比d_st ^*为零时，调制方式与普通的双级式矩阵变换器调制并无差别。为了提高电压传输比，使得直通矢量占空比d_st ^*大于零，此时，在逆变级调制时需要插入直通矢量。如图3所示，是d_st ^*大于零时Z源双级式矩阵变换器前后两级开关管驱动调制示意图。需要说明的是G_a、G_b、G_c表示逆变级a，b，c相桥臂的驱动，高电平时，表示对应桥臂上开关管开通，下开关管关断，低电平时，则相反。而阴影部分则表示上下开关管同时开通，即为直通矢量作用时间。

针对整流级某一双向开关管出现断路故障，本发明提出了一种容错控制拓扑以及容错控制策略。当发生上述故障时，Z源双级式矩阵变换器的第四桥臂开始工作，容错控制策略代替正常运行状态的控制策略。

(1)整流级容错控制

故障发生，容错控制策略下整流级的电流矢量调制策略变为电压矢量调制，同时将电压矢量空间的扇区重新划分，如图4所示为容错策略下的扇区示意图，可由基本的电压空间矢量扇区逆时针旋转30度得到。完成扇区划分后，每个扇区内只有一个电压矢量，在进行调制时，只使用扇区内的唯一矢量，令矢量X与矢量Y都是该电压矢量。以期望电压矢量U^*在扇区I内为例，用于调制的矢量X与矢量Y都是矢量U₁，θ为期望电压矢量与矢量U₆的夹角。两个调制矢量X和Y的占空比计算公式可以表示为：

D_{X} = D_{Y} = \frac{\sqrt{3}}{4 c o s (θ - \frac{π}{3})}

零矢量占空比计算式为：

D₀＝1-D_X-D_Y

同样采用不含零矢量的调制方式，修正后的表达式为：

D_{X}^{*} = D_{Y}^{*} = 0.5 D_{0} + D_{X}

当位于其他扇区时，计算方法以此类推。

由于整流级某一双向开关管出现断路故障，有故障开关管的驱动是不起作用的，需要将故障开关管的驱动给第四桥臂的对应的开关管，若故障开关管为上开关管，则将驱动给第四桥臂的上开关管，若故障开关管为下开关管，则将驱动给第四桥臂的下开关管。以上就实现了整流级的容错控制。

(2)逆变级容错控制

当整流级某一双向开关管出现断路故障，逆变级的控制策略也要配合整流级的容错策略作出调整。以C相上开关管S_CP故障为例，则图4中整流级的矢量U₄和U₅是无效矢量，扇区IV和扇区V为故障扇区。当整流级期望矢量位于非故障扇区I、II、III和VI时，逆变级控制策略方式不做改变。当整流级期望矢量位于故障扇区IV和扇区V时，逆变级控制策略改变，直通占空比的表达式变为：

K为升压后故障扇区非直通矢量时间作用内直流母线电压与该故障扇区内矢量的电压值的比率。若处于故障扇区IV，则K就是升压后故障扇区内非直通矢量时间内直流母线电压与矢量U₄对应的线电压U_CA的比值。K的值得选取需要综合实际的运行条件和器件的耐压值来妥善选取，一般取1～1.6之间。

故障扇区位于其他扇区时，以将非直通矢量时间作用内直流母线电压升高为该故障扇区内唯一矢量的电压值的K倍为原则，类似的可以得到直通占空比计算式。

设在非故障扇区内，直通矢量占空比为d_st ^*，则非故障扇区非直通矢量作用时间内逆变器输入侧直流母线电压升高为不含直通矢量时的B倍，B可以表示为：

B = \frac{1}{1 - 2 {d_{s t}}^{*}}

补偿后，故障扇区非直通矢量时间作用内逆变器输入侧直流母线电压与非故障扇区非直通矢量作用时间内逆变器输入侧直流母线电压的比值为：

R = \frac{K}{B}

相应的期望矢量位于故障扇区时，逆变级的直轴电压与交轴电压给定值应该进行折算，折算值表达式如下：

\{\begin{matrix} U_{d}^{*} = \frac{U_{d}}{R} \\ U_{q}^{*} = \frac{U_{q}}{R} \end{matrix}

其中U_d和U_q分别为直轴和交轴电压给定值。故障扇区内使用折算值与非故障扇区内逆变级输入侧有效时间的电压平均值U_avg来确定逆变级矢量调制的调制比。

U_{a v g} = \frac{0.5 \sqrt{3} U_{m}}{1 - 2 {d_{s t}}^{*}}

其中U_m为三相电源的线电压幅值。

确定调制比与逆变级的期望电压矢量的角度之后，最后确定逆变级调制矢量的占空比。这部分的调制过程和占空比计算已在现有文献中有详细论述，不再赘述。

添加了第四桥臂拓宽了整流级可用矢量的范围，整流级某一双向开关管出现断路故障时的容错控制策略，重新划分整流级矢量空间的扇区使得故障影响的扇区区间由180度缩小为120度，减小了故障的影响范围，配合Z源网络改进逆变级控制策略对逆变级输入侧直流母线电压进行补偿，实现了Z源双级式矩阵变换器的容错运行并提高了系统的安全性和可靠性。

图5为系统带永磁电机负载时线电压、相电流与电机转速的仿真实验图。在0.06秒时，系统出现故障进入容错运行状态。容错运行状态下，线电压，相电流和电机转速保持在可容许范围内，系统实现了容错运行，仿真实验验证了发明的可行性。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案实质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器，或者网络设备等)执行本发明的实施例或实施例的某些部分所述的方法。

Claims

1.具有容错拓扑结构的Z源双级式矩阵变换器，包括：LC滤波器、整流级、Z源网络、逆变级，LC滤波器输入端接三相交流电源，LC滤波器输出端接整流级三相桥臂中点，Z源网络输入端口接在整流级三相桥臂两端，Z源网络输出端口接在逆变级三相桥臂两端，

其特征在于，整流级三相桥臂两端并联有替代整流级开路双向开关管工作的第四桥臂，第四桥臂由两个带有反并二极管的单向开关管串联组成，第四桥臂的中点接三相交流电源的中性点。

2.权利要求1所述Z源双级式矩阵变换器的控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的Z源双级式矩阵变换器控制方法，其特征在于，重新划分整流级空间矢量扇区使得每个扇区包含唯一非零矢量以调整整流级容错控制策略，具体方法为：

调整整流级期望矢量所属扇区中用于调制的矢量的占空比。

4.根据权利要求2或3所述的Z源双级式矩阵变换器控制方法，其特征在于，当整流级期望矢量位于故障扇区时：调整逆变级直通矢量占空比进而调整逆变级控制策略，具体方法为：

5.根据权利要求4所述的Z源双级式矩阵变换器控制方法，其特征在于，对逆变级直轴电压和交轴电压进行折算的表达式为：

\{\begin{matrix} U_{d}^{*} = \frac{U_{d}}{R} \\ U_{q}^{*} = \frac{U_{q}}{R} \end{matrix},

6.根据权利要求4所述的Z源双级式矩阵变换器控制方法，其特征在于，所述非故障扇区内逆变级输入侧有效时间的电压平均值U_avg为：U_m为三相电源的线电压幅值。

7.根据权利要求4所述的Z源双级式矩阵变换器控制方法，其特征在于，综合实际的运行条件和器件的耐压值，妥善选取升压后故障扇区非直通矢量时间作用内直流母线电压与该故障扇区内唯一非零矢量电压值的比率K，K的取值为1至1.6之间的实数。