CN107733217B - 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：
Figure BSA0000153104040000021
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。
Figure BSA0000153104040000022
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：
Figure BSA0000153104040000023
补偿电感用于对输出相进行功率解耦，B相调制函数为：
Figure BSA0000153104040000024
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：
Figure BSA0000153104040000025
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：
Figure BSA0000153104040000028
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；
Figure BSA0000153104040000044
为补偿相的初相角，其关系为：
Figure BSA0000153104040000042
|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：
Figure BSA0000153104040000043
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：
Figure BSA0000153104040000053
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
Figure BSA0000153104040000055
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：
Figure BSA0000153104040000056
和
Figure BSA0000153104040000057
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：
Figure BSA0000153104040000061
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a相、b相和c相三个输入端供电，输出侧有三个输出端：A相输出端、B相输出端和C相输出端，A相输出端串联快速熔断器后经双向晶闸管与电源中性线相连，A相输出端串联快速熔断器后连接输出滤波电路一端，B相输出端串联快速熔断器后连接补偿电感的一端，C相输出端串联快速熔断器后连接补偿电感的另一端和输出滤波电路的另一端；
三相-单相矩阵变换器在正常工作时，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，其特征在于：
容错控制工况下，根据故障相不同，主电路根据三种模态进行拓扑重构：A相故障时，由电源中性线和C端连接负载，补偿电感进行脉动功率补偿；B相故障时，补偿电感退出运行，输出负载接于A、C两个输出端；C相故障时，输出负载与补偿电感串联接于A、B两个输出端间，电感进行电流补偿；在三种模态下，三个输出相的开关管占空比控制算法为：
Figure FSB0000184176020000011
其中，dn1、dn2分别为两种不同电压关系下的A、B、C三个输出相开关的占空比，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，
Figure FSB0000184176020000012
为A、B、C三个输出相对应的指令电压。
2.根据权利要求1所述的容错控制方法，每个输出相开关管的占空比控制算法表达式中，其对应的输出相指令电压
Figure FSB0000184176020000013
的计算根据三种模态分为以下步骤：
步骤1：当A相故障时，输出相接于电源中性线与C相间，此时C相指令电压为：其中，Uo为输出电压有效值，ωo为输出电压角频率，补偿电感用于对输出相进行功率解耦，B相指令电压为：
Figure FSB0000184176020000015
其中，Lc为补偿电感，Zo为输出负载阻抗，
Figure FSB0000184176020000016
为输出负载阻抗角；
步骤2：当B相故障时，输出相接于A、C相间，A相指令电压为：C相指令电压为：
步骤3：当C相故障时，输出负载与补偿电感串联于A、B相间，此时A相指令电压为：
Figure FSB0000184176020000022
B相指令电压为：
Figure FSB0000184176020000023
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