CN107733217A - 一种三相－单相矩阵变换器的容错控制方法 - Google Patents

一种三相－单相矩阵变换器的容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三相‑单相矩阵变换器的容错控制方法，该方法在BUCK型三相‑单相矩阵变换器(3‑1MC)开关元件发生短路故障时，利用快速熔断器将对应桥臂转换为开路故障；在开关元件发生开路故障时，对该桥臂进行故障隔离，通过双向晶闸管接入中线进行系统重构，通过调制策略设计，实现输出电压稳定，同时对解耦电感根据故障相不同选择去除电感、脉动功率解耦和电流解耦三种不同模态，从而实现了降低容错控制工况下输入电流谐波含量的控制效果。

Description

一种三相-单相矩阵变换器的容错控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相-单相矩阵变换器，特别涉及一种含有功率补偿电感的三相-单相矩阵变换器的容错控制方法。
背景技术
矩阵变换器可实现交-交直接变换，具有输出频率可调，输入功率因数高，控制灵活等优点。三相-单相矩阵变换器(3-1MC)在高频感应加热、电气化铁路系统及工业、航空电源领域具有良好的应用前景。在为重要的供电负荷时，供电可靠性作为重要的技术指标尤其关键，矩阵变换器开关元件数量多，出现开路或短路故障的概率较高，是矩阵变换器实用化的瓶颈之一。
为解决以上问题，针对带补偿电感的BUCK型3-1MC的容错控制技术进行了设计，对于不同输出相发生短路或开路故障，该容错控制方法均能在确保输出电压稳定的前提下，减小输入电流谐波含量，提高了其实际工作中的可靠性，并降低了对输入电源测的谐波污染，可对其实际应用具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对三相-单相矩阵变换器可能出现的短路、开路故障，为提高其供电可靠性，提出了一种三相-单相矩阵变换器的容错控制方法，具有在发生短路、开路故障情况下，仍可以为负载提供稳定的输出电压，同时可有效抑制输入电流谐波含量。
技术方案：本发明涉及一种带功率解耦单元的三相-单相矩阵变换器，主电路包括三相输入电源、LC输入滤波器、3*3开关矩阵、LC输出滤波器(输出相)、脉动功率补偿电感(解耦相)、快速熔断器和双向晶闸管等。主电路如图1所示，图中的快速熔断器在开关元件发生短路故障时，可以迅速熔断使故障相隔离；当发生开路故障时，检测电路根据故障相判断，通过控制器封锁该桥臂驱动信号，使得故障相被隔离。故障隔离后启动容错控制策略，实现系统的容错运行。
本发明提供了一种三相-单相矩阵变换器的容错控制方法，包括以下步骤：
1、该矩阵变换器由九个双向开关构成3*3开关矩阵，电源通过三个输入端(a、b、c)供电，输出侧有三个引出端(A、B、C)，每个输出端与快速熔断器串联，A相接负载端经过双向晶闸管与中性线相连。补偿电感连接在B、C间，3-1MC在正常工作时，双向晶闸管处于阻断状态，A、C相对单相负载供电，B、C相间的补偿电感对脉动功率进行解耦控制。发生短路故障时，快速熔断器熔断，使对应相开关桥臂被隔离，发生开路故障时，控制器对该桥臂进行脉冲封锁从而实现故障相隔离。
2、为实现容错控制，调制策略包括以下步骤：
步骤1：容错调制策略中，根据输入三相电压关系，每个输出相的占空比计算公式为：
其中，Vmax为三相输入电压最高值，Vmid为三相输入电压中间值，Vmin为三相输入电压最小值。为该相电压指令函数。
步骤2：当A相故障时，双向晶闸管触发，接通中性线，输出相接于中性线与C相间，此时C相调制函数为：补偿电感用于对输出相进行功率解耦，B相调制函数为：
步骤3：当B相故障时，输出相接于A、C相间，A相调制函数为：C相调制函数为：
步骤4：当C相故障时，输出相与补偿电感串联，接于A相与B相间，此时A相调制函数为：B相调制函数为：
附图说明
图1为容错控制的三相-单相矩阵变换器主电路；
图2为三相-单相矩阵变换器等效电路；
图3为虚拟整流侧扇区划分规则图；
图4为虚拟逆变侧调试原理图；
图5为A相故障后拓扑重构图；
图6为A相故障情况下仿真波形；
图7为B相故障后拓扑重构图；
图8为B相故障前后仿真波形；
图9为C相故障下系统重构拓扑图；
图10为C相故障前后的仿真波形。
具体实施方式
参照说明书附图对本发明的三相-单相矩阵变换器的容错控制方法作以下详细地说明。
如图1所示，本发明涉及的带脉动功率补偿电感的三相-单相矩阵变换器，主电路包括三相输入电源、LC输入滤波器、3*3开关矩阵、LC输出滤波器(输出相)、脉动功率补偿电感(解耦相)、快速熔断器和双向晶闸管等。
故障前，单相负载接于A、C相间，补偿电感接于B、C相间，该工况下的等效电路为图2，可等效为虚拟整流(CSR)和虚拟逆变(VSI)两个环节构成。对虚拟整流侧进行SVPWM控制，如图3所示。对虚拟逆变侧的输出相和补偿相进行SPWM调制，如图4所示。输出相与补偿相调制函数为
式中Uo、ULc分别为输出相和补偿相的调制电压有效值，ωo为输出角频率；为补偿相的初相角，其关系为：|zO|为负载阻抗的模。
故障后的调制策略为载波调制，设输入电压中最大值、中间值和最小值分别为Vmax、Vmid和Vmin，该调制过程根据(Vmax-Vmid)与(Vmid-Vmin)的大小关系划分为两种模式，模式1为(Vmax-Vmid)≥(Vmid-Vmin)，反之为模式2。则在两种模式下，根据参考电压指令即可确定其桥臂开关元件的占空比，其占空比为：
故障情况下，根据故障发生在不同桥臂划分为三种模态：
模态1：A相故障
当系统A相故障时，为保证负载继续供电，控制器封锁A相三个双向开关驱动信号，并触发CDA，进而重构为如图5所示拓扑结构。CDA将接通负载与中线的连接，此时构成了3*2的零式结构拓扑。在图5的零式系统中，中线电流为输出电流，此时补偿电感接于B、C相间，进行功率解耦，以实现输入电流优化。
根据故障时的载波调制策略可知，每组输出桥臂开关管的占空比计算仅由该相输出电压指令函数决定，因此，应先根据输出负载需求确定C相的指令函数，然后根据解耦关系计算解耦相调制函数，最后根据电压关系确定B相指令函数。
根据输出负载需求，直接定义输出电压指令：
根据式(4)的解耦关系，可得解耦相的电压指令为：
则B相的参考电压指令为：
即可实现脉动功率的解耦控制，从而抑制输入电流的谐波含量。
针对航空电源所需115V/400Hz单相电能，设计了容错控制仿真模型，设计参数如表1所示。
表1仿真参数
为证明补偿电感在容错控制中的解耦作用，对重构后的容错结构是否采用补偿电感两种情况进行对比仿真，0.3秒时为故障时刻。因输出相指令电压未变，两种情况下输出电压波形均为图6(a)所示，均保持了稳定输出。图6(b)所示为容错控制后，仅利用C相与中线N对负载供电，切除掉补偿电感LC情况下的a相输入电流变化情况，容错控制下，输入电流的THD为178.63％，采用补偿电感后，如图6(c)所示，输入电流波形畸变明显减小，此时，THD＝41.3％，可见补偿电感具有优化输入电流的作用。
模态2：B相故障
当B相发生故障，为避免中线引入而带来的零序电流对输入电流谐波的影响，重构时只保留输出相，而补偿电感所接的B相直接被封锁隔离。从而重构结构如图7所示。输出相接于两个健康桥臂间，此时A相、C相指令电压分别为：和此时输出电压故障后仍维持稳定，如图8(a)所示，同时输入电流的THD控制在38.7％，波形如图8(b)。
模态3：C相故障
图9所示的模态3为C相故障情况下，输出相接于A相与中线间，补偿电感接于B相与中线间，相当于两个3*1的组合，其中A相指令电压即为输出电压，B相指令电压根据补偿电感的解耦关系进行确定，此时的功率解耦关系同式(4)一致。
考虑通过补偿电感对输出相电流进行补偿，当补偿电感电流与输出相电流完全抵消时，输出电流即可不通过中线流通，从而构成3*2结构，使输入电流得以优化。
进而可得补偿电感指令电压为：
如图10(a)所示，此时输出电压仍可保持稳定，同时输入电流THD降为39.24％，如图10(b)所示。

Claims (2)

1.一种三相-单相矩阵变换器的容错控制方法，该矩阵变换器由九个双向开关构成3*3开关矩阵，电源通过三个输入端(a、b、c)供电，输出侧有三个引出端(A、B、C)，每个输出端与快速熔断器串联，A相接负载端经过双向晶闸管与中性线相连。补偿电感连接在B、C间，其特征在于：
3-1MC在正常工作时，双向晶闸管处于阻断状态，A、C相对单相负载供电，B、C相间的补偿电感对脉动功率进行解耦控制。发生短路故障时，快速熔断器熔断，使对应相开关桥臂被隔离，发生开路故障时，控制器对该桥臂进行脉冲封锁从而实现故障相隔离。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，为实现容错控制，调制策略包括以下步骤：
步骤1：容错调制策略中，根据输入三相电压关系，每个输出相的占空比计算公式为：
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其中，Vmax为三相输入电压最高值，Vmid为三相输入电压中间值，Vmin为三相输入电压最小值。为该相电压指令函数。
步骤2：当A相故障时，双向晶闸管触发，接通中性线，输出相接于中性线与C相间，此时C相调制函数为：补偿电感用于对输出相进行功率解耦，B相调制函数为：
步骤3：当B相故障时，输出相接于A、C相间，A相调制函数为：C相调制函数为：
步骤4：当C相故障时，输出相与补偿电感串联，接于A相与B相间，此时A相调制函数为：B相调制函数为：
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