CN105576994A - 全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，属于电力电子器件容错控制技术领域。本发明用双向开关单元替代原双级矩阵变换器逆变级中的单向开关管，构成全双向开关型双级矩阵变换器，提出了适用于全双向开关型双级矩阵变换器整流级一个双向开关单元短路、两个同侧双向开关单元开路的容错控制方法。容错控制方法可利用故障特性，通过调整开关切换方式使系统继续运行，简化了双级矩阵变换器的容错策略，降额运行后可保证系统输入输出特性。

Description

全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法

技术领域

本发明涉及矩阵变换器整流级降额容错方法，尤其涉及全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，属于电力电子器件容错控制技术领域。

背景技术

作为空中交通工具和作战单元，飞机在国民经济和国防事业中发挥着越来越重要的作用。自二十世纪80年代提出全电飞机概念以来，其以低重量、低成本、易维护等优点受到了学术界与工业界的广泛专注。近年来随着多电及全电飞机的推广，用电作动器取代传统气压、液压作动器已成为一种必然趋势，而其可靠性直接关系到整个系统的安全运行。高容错电作动器通过及时诊断系统中的故障，并在故障后主动重构系统软硬件结构，从而保证整个系统不损失性能或者损失部分性能指标的情况下安全运行，成为近年来的研究热点。

电机驱动系统(电作动器)通常由电机、功率变换器、传感器以及控制器组成，每一部分故障都会影响系统的正常运行，直至系统瘫痪。针对电机本体故障，国内外学者已研究多年，并形成了较为成熟的方法；而变换器中的功率器件及其驱动故障，学者们对其关注较少，其可靠性问题仍有待解决。

矩阵变换器作为一种全硅型交-交变换器，以其体积重量小、功率密度高、能量可双向流动等优点受到国内外学者的广泛关注。为增加矩阵变换器-电机驱动系统可靠性，国内外学者在变换器容错和电机容错两方面均有研究。变换器容错方面，现有容错策略大多针对直接矩阵变换器，主要有修改调制策略和增加冗余器件两种方法。但直接矩阵变换器无法发挥间接矩阵变换器箝位电路简单、换流策略简单的优点，且现有容错方法大多针对开关管的开路故障，与实际应用中，变换器因过压过流过热等原因失效的大多为短路故障的现象不符。此外，现有容错拓扑所能容错的故障较为单一。因此，找到一种既能发挥双级矩阵变换器的优点又能实现开关管短路/开路等多种故障容错的拓扑，并研究其容错策略具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，针对整流级一个双向开关单元短路或两个同侧双向开关单元开路故障，通过适当调整变换器的调制方式，使得系统能够降额维持运行，保证系统输入输出特性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，所述全双向开关型双级矩阵变换器中，整流级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，逆变级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，每个双向开关单元由两个在发射极相连的单向开关管构成；所述容错控制方法为：

当整流级中的一个双向开关单元短路故障时，断开与发生故障的双向开关单元连接在同一直流母线端的其它两个双向开关单元，同时断开与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单元，利用整流级剩余两个双向开关单元进行开关切换实现容错；根据输入电流综合矢量所处扇区的不同，容错过程在一个调制周期内有三种调制方式：

方式一：当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态均为：发生故障的双向开关单元导通，保持整流级、逆变级各开关管驱动信号不变；

方式二：当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态均为：与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单元导通，交换整流级各桥臂上下两个双向开关单元的驱动信号，同时，交换逆变级各桥臂四个开关管的驱动信号，具体为将各桥臂四个开关管自上而下编号为1-4，其中编号1和4的开关管交换驱动信号，编号2和3的开关管交换驱动信号；

方式三：当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态为：其中一个空间矢量需要故障相两个双向开关单元均断开，用除构成上述扇区的两个空间矢量之外的四个空间矢量中距无法实现的空间矢量最近的空间矢量替换无法实现的空间矢量，另一空间矢量保持不变；

替换后的空间矢量和保持不变的空间矢量中，其中一个所表示的开关状态为：发生故障的双向开关单元导通，则在该空间矢量作用时，保持整流级、逆变级各开关管驱动信号不变；另一个所表示的开关状态为：与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单元导通，则在该空间矢量作用时，交换整流级各桥臂上下两个双向开关单元的驱动信号，同时，交换逆变级各桥臂四个开关管的驱动信号，具体为将各桥臂四个开关管自上而下编号为1-4，其中编号1和4的开关管交换驱动信号，编号2和3的开关管交换驱动信号。

作为所述全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法的进一步优化方案，方式三中，容错前构成输入电流综合矢量所处扇区的两个空间矢量，其中一个需要故障相两个双向开关单元均断开，设其占空比为σ_x，该空间矢量容错后被替换，另一空间矢量的占空比为σ_y，该空间矢量容错后保持不变；容错后，用于替换需要故障相两个双向开关单元均断开的空间矢量的新空间矢量，其占空比为σ_x；保持不变的空间矢量，其占空比为

再进一步的，容错后，整流级两个空间矢量占空比均小于0.577。

再进一步的，所述整流级采用无零矢量调制策略，该无零矢量调制策略中有效矢量将平面划分为6个扇区，需要故障相两个双向开关单元均断开的两个有效矢量将平面划分为两块，每块有3个扇区；容错后，其中一块中3个扇区空间矢量作用顺序保持不变，交换另一块3个扇区每个扇区的两个空间矢量作用顺序。

全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，所述全双向开关型双级矩阵变换器中，整流级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，逆变级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，每个双向开关单元由两个在发射极相连的单向开关管构成；所述容错控制方法为：

整流级两个同侧双向开关单元开路故障等效为整流级非故障相桥臂上与这两个双向开关单元同侧的双向开关单元短路故障，针对整流级非故障相桥臂上与这两个双向开关单元同侧的双向开关单元短路故障采用权利要求1所述容错控制方法。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明控制方法使整流级一个双向开关单元发生短路故障时，无需隔离故障相、增加冗余桥臂，利用开关管故障特性通过调整开关切换方式使系统继续运行，简化了双级矩阵变换器的容错策略，降额运行后可保证系统输入输出特性。

2、本发明控制方法使整流级两个同侧双向开关单元发生开路故障时，因其可等效为与这两个双向开关单元同侧的另一相的双向开关单元短路故障，采用整流级一个双向开关单元短路故障的容错控制方法即可实现两个同侧双向开关单元开路故障的容错控制。

3、本发明控制方法提高了双级矩阵变换器的容错运行能力，具有重要的实际应用意义。

附图说明

图1是本发明全双向开关型双级矩阵变换器的主功率拓扑图。

图2是本发明矩阵变换器整流级输入电流空间矢量图。

图3是正常工作状态下系统直流母线电压、输出电压和输入电流波形图。

图4是整流级一个双向开关单元短路故障容错时，模态3时整流级逆变级各开关管驱动波形图。

图5是整流级一个双向开关单元短路故障容错时，整流级各开关管驱动波形图。

图6是整流级一个双向开关单元短路故障容错时，系统直流母线电压波形及逆变级输入等效直流母线电压波形图。

图7是整流级一个双向开关单元短路故障容错时，系统输出电压和输入电流波形图。

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。

(一)全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构介绍

如图1所示，为全双向开关型双级矩阵变换器拓扑结构图，主功率拓扑由整流级、直流母线和逆变级三部分组成。其中，输入三相用A，B，C表示，输出三相用U，V，W表示，直流母线的两级分别记为p和n。整流级为由六个双向开关单元组合而成的三相桥式电路，六个双向开关单元可用S_YM(Y＝A，B，C；M＝p，n)表示，意指连接输入Y相与直流母线M端；逆变级从原来的六个单向开关管改为六个双向开关单元，这一改变使其具有承受反向电压的能力，直流母线电压极性能在某些情况下反向，六个双向开关单元用S_XM(X＝U，V，W；M＝p，n)表示，意指连接输出侧X相与直流母线M端。

(二)正常运行状态

一般双级矩阵变换器整流级开关管的通断状态可用元素全为0或1的2×3矩阵表示，共9种开关状态组合，分别为 $I_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],I_2=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],I_3=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 1& 0& 0\end{array}\right],I_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 1& 0& 0\end{array}\right],I_5=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 0& 1& 0\end{array}\right],$ $I_6=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right],I_7=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 1& 0& 0\end{array}\right],I_8=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right],I_9=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 其中，0表示双向开关单元断开，1表示双向开关单元接通。9个开关状态组合中，I₁～I₆为有效矢量，I₇～I₉为零矢量。六个有效矢量将平面划分为6个扇区，扇区号用S_r(S_r＝I,II～VI)表示，如图2所示。

对于全双向开关型双级矩阵变换器，用S_XMj(j＝1，2)分别表示逆变级双向开关单元中的两个开关管，对应关系如图1所示。正常运行时，整流级采用无零矢量的空间矢量调制，直流电压u_pn为正，S_XM1根据输出参考电压大小及所处扇区位置确定开关切换次序和导通时间长短。

如图3所示，给出了正常工作状态下，系统直流母线电压、三相输出电压和三相输入电流波形图。从图中可以发现，正常工作时，直流母线电压u_pn为正，呈经典的扇形波，输入电流和输出电压均为三相正弦波。

(三)整流级一个双向开关单元短路故障容错策略

不失一般性的，以S_Cp发生短路故障为例，C相始终与直流母线p端相连。根据电压源不能短路的原则，断开S_Ap、S_Bp这两个开关单元；由于整流级采用无零矢量调制，断开S_Cn，此时整流级仅S_An、S_Bn两个开关单元进行切换。根据输入电流综合矢量所处扇区的不同，容错过程在一个调制周期内可分三种模态：

1)模态1：输入电流综合矢量处于扇区V，构成扇区V的两个空间矢量I₄、I₅所表示的开关状态：均需S_Cp导通

S_Cp短路故障与S_Cp导通对外效果一致，空间矢量I₄、I₅均能正常产生，直流母线电压u_pn为正，整流级逆变级各开关管驱动信号保持不变。

2)模态2：输入电流综合矢量处于扇区II，构成扇区II的两个空间矢量I₁、I₂所表示的开关状态：均需S_Cn导通

S_Cp因短路故障始终导通，为保证整流级输出有效空间矢量，S_Cn无法导通，空间矢量I₁、I₂不能正常产生。鉴于相同占空比下I₁、I₂合成的直流母线电压与I₄、I₅合成的相反，交换整流级各开关单元驱动信号，使整流级输出空间矢量I₄、I₅，直流母线n端电压高于p端；此时，令容错后I₄、I₅的占空比与容错前I₁、I₂的占空比相同，同时交换逆变级S_Xp1和S_Xn2，S_Xp2和S_Xn1(X＝U、V、W)的驱动信号，逆变级输入侧的等效直流母线电压为I₁、I₂合成的电压。

3)模态3：输入电流综合矢量处于扇区I,III,IV,VI，构成扇区I,III,IV,VI的空间矢量有I₃、I₆，这两个空间矢量所表示的开关状态：故障相C相两个开关单元均断开(故障相两个开关单元即发生故障的双向开关单元和与其同相的另一双向开关单元)

不失一般性的，以S_r＝I为例进行分析。S_Cp因短路故障始终导通，空间矢量I₃、I₆不能正常产生，处于扇区I的电流综合矢量需由在其两边且距其最近的I₁、I₅合成。

容错前，设合成电流综合矢量的两个空间矢量I₆、I₁的占空比分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1=m_{c}sin(\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\θ}),\\ {\mathrm{\σ}}_2=m_{c}sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，α为输入电流综合矢量相角，m_c为输入电流空间矢量调制比。容错后I₅、I₁的占空比可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\widehat{{\mathrm{\σ}}_1}=m_{c}sin(\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\θ})={\mathrm{\σ}}_1\\ \widehat{{\mathrm{\σ}}_2}=m_{c}sin(\frac{\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\θ})=\frac{1}{2}{\mathrm{\σ}}_2+\frac{\sqrt{3}}{2}\sqrt{1-{\mathrm{\σ}}_2^2}\end{array}\right.,$

容错后，空间矢量I₅代替I₆作用，占空比保持不变，由于此时直流母线电压u_pn为正，逆变级按正常调制策略调制即可；容错后，空间矢量I₁的占空比变化，由模态2中的分析可知，I₁需由I₄和逆变级配合产生，因此在内，整流级实际作用空间矢量为I₄，直流母线电压u_pn为负，交换逆变级S_Xp1和S_Xn2，S_Xp2和S_Xn1(X＝U、V、W)的驱动信号以实现等效。如图4所示，给出了这种情况下变换器各个开关管在一个调制周期内的驱动波形图。

在一个调制周期内，两个有效矢量的占空比之和必须始终小于1。则容错后的占空比满足：

$\widehat{{\mathrm{\&sigma;}}_1}+\widehat{{\mathrm{\&sigma;}}_2}=m_{c}sin(\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}-\mathrm{\&theta;})+m_{c}sin(\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}+\mathrm{\&theta;})=2m_{c}sin\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}cos\mathrm{\&theta;}<1,\mathrm{\&theta;}\&Element;\&lsqb;0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{3})$

由上式可推导得出，m_c<0.577。则容错后占空比必须始终小于0.577。

表1总结了上述三种情况，给出了不同扇区下整流级容错前后空间矢量及占空比的对比。由于容错后扇区IV扇区I切换，扇区III扇区IV切换时两个空间矢量同时发生变化，此时直流母线电压值会发生突变，导致输出电压中有电压毛刺。

表1不同扇区下整流级容错前后空间矢量及占空比

因为扇区IV和扇区I均用到I₆，扇区III和扇区IV均用到I₃，输入电流空间矢量图被I₃，I₆划分为两块，一块包含扇区I、II、III，另一块包含IV、V、VI。这两块发生转变时会发生2个空间矢量均发生变化的情况。因此保持扇区I、II、III的空间矢量作用顺序不变，交换为扇区IV、V、VI的空间矢量作用顺序，以保证每次扇区切换有且仅有1个空间矢量发生变化。表2给出了容错后最终空间矢量作用顺序及其占空比。

表2容错状态下，调整空间矢量作用顺序后，整流级空间矢量及占空比

如图5所示，给出了S_Cp发生短路故障进行容错后，整流级双向开关单元的驱动波形图。S_Cp因发生短路，始终接通，其等效驱动波形恒为1，S_Ap、S_Bp、S_Cn始终关断，S_An、S_Bn两个开关管进行开关切换以输出直流母线电压。直流母线电压u_pn的波形如图6中上一幅图所示，由输入线电压u_CA与u_CB合成。当u_CA或u_CB出现负压时，逆变级交换S_Xp1和S_Xn2，S_Xp2和S_Xn1(X＝U、V、W)的驱动信号，使得其输入等效直流母线电压为u_CA或u_CB的绝对值。两个调制周期内，逆变级等效直流母线电压波形如图6中下一幅图所示。由该图可以看出，这种故障容错模式下，等效直流母线电压在任意时刻所能达到的最大值比正常调制时的低，为正常直流母线电压的0.577倍，输出电压需降额以保证其正弦度。如图7所示，给出了容错后的三相输出电压和三相输入电流波形，降额后两者均保持正弦波形。

容错后任意时刻均能达到的最大直流母线电压为输入线电压的0.866倍，是正常调制时的0.577倍。相同输入条件下，最大输出电压降为原来的一半。

(四)整流级两个同侧双向开关单元开路故障容错

不失一般性的，以S_Ap、S_Bp发生开路故障为例进行分析。当S_Ap、S_Bp发生开路故障，将这两个双向开关单元从电路中隔离，其等效驱动信号为0；为保证直流母线p端不与输入侧断开，始终开通S_Cp，由于整流级采用无零矢量调制，S_Cn始终关断，此时，整流级仅S_An、S_Bn两个双向开关单元进行斩波，以输出直流母线电压。

根据上述分析可以发现，S_Ap、S_Bp开路故障时整流级开关管的运行状态与S_Cp短路故障时的一致，则这两种故障等效，两个同侧双向开关单元开路故障可用(三)中所提容错策略进行容错。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，所述全双向开关型双级矩阵变换器中，整流级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，逆变级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，每个双向开关单元由两个在发射极相连的单向开关管构成；其特征在于，所述容错控制方法为：

当整流级中的一个双向开关单元短路故障时，断开与发生故障的双向开关单元连接在同一直流母线端的其它两个双向开关单元，同时断开与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单元，利用整流级剩余两个双向开关单元进行开关切换实现容错；根据输入电流综合矢量所处扇区的不同，容错过程在一个调制周期内有三种调制方式：

方式一：当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态均为：发生故障的双向开关单元导通，保持整流级、逆变级各开关管驱动信号不变；

方式二：当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态均为：与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单元导通，交换整流级各桥臂上下两个双向开关单元的驱动信号，同时，交换逆变级各桥臂四个开关管的驱动信号，具体为将各桥臂四个开关管自上而下编号为1-4，其中编号1和4的开关管交换驱动信号，编号2和3的开关管交换驱动信号；

方式三：当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态为：其中一个空间矢量需要故障相两个双向开关单元均断开，用除构成上述扇区的两个空间矢量之外的四个空间矢量中距无法实现的空间矢量最近的空间矢量替换无法实现的空间矢量，另一空间矢量保持不变；

替换后的空间矢量和保持不变的空间矢量中，其中一个所表示的开关状态为：发生故障的双向开关单元导通，则在该空间矢量作用时，保持整流级、逆变级各开关管驱动信号不变；另一个所表示的开关状态为：与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单元导通，则在该空间矢量作用时，交换整流级各桥臂上下两个双向开关单元的驱动信号，同时，交换逆变级各桥臂四个开关管的驱动信号，具体为将各桥臂四个开关管自上而下编号为1-4，其中编号1和4的开关管交换驱动信号，编号2和3的开关管交换驱动信号。

2.如权利要求1所述全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，其特征在于，

方式三中，容错前构成输入电流综合矢量所处扇区的两个空间矢量，其中一个需要故障相两个双向开关单元均断开，设其占空比为σ_x，该空间矢量容错后被替换，另一空间矢量的占空比为σ_y，该空间矢量容错后保持不变；容错后，用于替换需要故障相两个双向开关单元均断开的空间矢量的新空间矢量，其占空比为σ_x；保持不变的空间矢量，其占空比为 $\frac{\sqrt{3}}{2}\sqrt{1-{\mathrm{\&sigma;}}_y^2}+\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_y.$

3.如权利要求1所述全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，其特征在于，

容错后，整流级两个空间矢量占空比均小于0.577。

4.如权利要求1所述全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，其特征在于，

所述整流级采用无零矢量调制策略，该无零矢量调制策略中有效矢量将平面划分为6个扇区，需要故障相两个双向开关单元均断开的两个有效矢量将平面划分为两块，每块有3个扇区；

容错后，其中一块中3个扇区空间矢量作用顺序保持不变，交换另一块3个扇区每个扇区的两个空间矢量作用顺序。

5.全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法，所述全双向开关型双级矩阵变换器中，整流级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，逆变级为由六个双向开关单元组成的三相桥式电路，每个双向开关单元由两个在发射极相连的单向开关管构成；其特征在于，所述容错控制方法为：

整流级两个同侧双向开关单元开路故障等效为整流级非故障相桥臂上与这两个双向开关单元同侧的双向开关单元短路故障，针对整流级非故障相桥臂上与这两个双向开关单元同侧的双向开关单元短路故障采用权利要求1所述容错控制方法。