CN109687747B - 基于零序电压注入的t型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法 - Google Patents

基于零序电压注入的t型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法，采用前馈补偿控制得到零序电压，使得中点电位达到平衡，采用反馈补偿控制得到反馈补偿量，进而抑制中点电位的低频脉动。当垂直桥臂功率器件发生故障时，采用零序电压注入对中点电位进行平衡控制，通过重构PWM调制信号，保持了三相线电压平衡。当水平桥臂功率器件发生故障时，闭锁故障相水平桥臂的驱动信号，对故障相剩余的垂直桥臂采用两电平运行和基于零序电压注入的中点电位平衡控制，输出电压和电流的幅值大小不发生变化。T型三电平逆变器采用零序电压注入法平衡故障后的中点电位，通过重构PWM载波调制信号进行容错控制，使系统具有较好的容错运行能力。

Description

基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错 控制方法
技术领域
本发明涉及T型三电平逆变器故障后的中点电位平衡与容错控制，特别是涉及一种基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法。
背景技术
近年来，多电平逆变器已成为中、高压大功率应用的热点，如高压变频调速、柔性交流输电、高压直流输电等领域。与两电平逆变器相比，三电平逆变器具有较小的dv/dt，较低的电压和电流的谐波畸变率和功率损耗等优点，典型的三电平逆变器如中点钳位型、飞跨电容型及级联H桥型拓扑已被广泛应用于中、高压的工业应用中。T型三电平逆变器因其功率器件使用数量少、通态损耗低和高功率密度而被广泛应用于低压大电流的领域。如今，随着T型三电平逆变器的广泛应用，如何提高逆变器的可靠性便成为一个重要的研究方向，采用故障检测和容错控制技术是提高逆变器可靠性的重要手段。
目前，逆变器的容错控制技术分为硬件容错和软件容错。硬件容错是通过改变T型逆变器拓扑结构进而完成故障后容错的稳定运行；软件容错是通过故障后的控制算法进而完成容错运行，该控制策略一般与故障开关器件的位置有关。
许多学者提出了基于SVPWM的调制方式进行故障后的容错运行，通过降低调制度的方法完成垂直桥臂的容错运行，采用等效矢量的合成的方法对水平桥臂的故障进行容错控制。而基于PWM载波调制方式，一般是通过增加冗余桥臂从而进行故障后的容错运行，这增加了系统的成本与体积。因此，需要通过改进算法进行相应的容错控制，基于载波调制的零序电压注入T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法具有研究价值与深远意义。
发明内容
本发明的目的在于为解决现有技术的不足，提供一种基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法，该方法包括以下步骤。
(1)通过故障诊断算法判断T型三电平逆变器的故障类型，针对不同故障类型采取相应的容错控制方法；
三相T型三电平逆变器拓扑包含垂直桥臂功率器件(Sx1,Sx4)和水平桥臂功率器件(Sx2,Sx3)(x＝a,b,c)，Sx1(Sx2)与Sx3(Sx4)为互补信号。针对T型三电平逆变器，采用三电平同相层叠PWM(phase disposition PWM)调制法。其中，同相层叠的两个三角载波信号与参考调制信号相比较，从而得到相应开关管的驱动信号。
(2)当垂直桥臂功率器件(Sx1,Sx4)发生故障，输出状态P或N将无法正常产生，导致输出线电压和相电流波形畸变和不对称。在这种情况下，通过重构PWM调制信号，故障相通过开关管Sx2或Sx3导通与关断维持逆变器系统线电压的平衡。以A相故障为例，垂直桥臂功率器件发生故障后闭锁A相故障功率器件的驱动信号，并一直保持A相水平桥臂功率器件的驱动信号。调整PWM调制信号为
Figure BDA0001971931970000021
其中，ua’,ub’,uc’为调整后的调制信号，Vm为调制信号的幅值，w为逆变器输出的角频率。调整后的PWM调制信号使A相垂直桥臂故障后T型逆变器的三相输出线电压保持平衡；当故障发生在B相或C相，PWM的调制信号分别为
Figure BDA0001971931970000022
Figure BDA0001971931970000023
为了保持三相系统的线电压平衡，通过重构PWM调制信号，改变调制信号的相位与幅值大小，使得输出线电压为三电平，其幅值降为正常工作时的
Figure BDA0001971931970000024
输出电流也相应减小，进而维持T型三电平逆变器系统故障后的稳定运行。
通过零序电压注入平衡中点电位，注入方法为：首先通过假定一个周期内三相中点电流平均值等于零的条件，计算需要注入的零序电压；将零序电压作为前馈补偿控制量，迭加到调制信号ua’,ub’,uc’中，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；运用反馈补偿控制，即将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，将该反馈补偿量叠加到前述的调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的。
(3)当水平桥臂功率器件(Sx2,Sx3)发生故障时，输出状态O将无法正常产生，导致输出线电压和相电流波形畸变和不对称。在这种情况下，一旦检测到水平桥臂功率器件发生故障时，切断故障相水平桥臂的驱动信号。利用正常的垂直桥臂调整T型逆变器故障相为两电平运行，非故障相采用三电平运行。故障后采用的调制信号为
Figure BDA0001971931970000031
由于故障相采用两电平而非故障相采用三电平运行，因此三相所采用的PWM载波不一致，其中，故障相采用单三角载波，非故障相可采用双三角载波。
通过零序电压注入平衡中点电位，注入方法为：首先通过假定一个周期内三相中点电流平均值等于零的条件，计算需要注入的零序电压；将零序电压作为前馈补偿控制量，迭加到调制信号ua’,ub’,uc’中(式4)，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；运用反馈补偿控制，即将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，将该反馈补偿量叠加到前述的调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的。
作为优选，所述的零序电压注入具体方法为：
计算T型三电平逆变器的中点平均电流Io为：
Io＝daoia+dboib+dcoic (5)
式中ia,ib,ic为逆变器输出三相电流；dao,dbo,dco为在一个载波周期Ts内T型三电平逆变器输出为零电平的占空比，可通过下式计算：
Figure BDA0001971931970000032
式中udc为直流侧电压，ux(x＝a,b,c)为参考调制信号。通过注入零序电压uo，并把(6)代入(5)，则中点平均电流Io’可表示为：
Figure BDA0001971931970000041
通过开关平均模型和中点电位模型的建立，使得表达式Io’为零，根据三相调制信号的区域(I,II,III,IV,V,VI)进而计算得到零序电压uo如表1所示。计算注入零序电压uo所采用的三相T型逆变器调制信号ux(x＝a,b,c)与具体故障类型有关
针对垂直桥臂功率器件(Sx1,Sx4)发生故障，所述的三相T型逆变器的调制信号ux为
Figure BDA0001971931970000042
针对水平桥臂功率器件(Sx2,Sx3)发生故障，所述的三相T型逆变器的调制信号ux为
Figure BDA0001971931970000043
表1零序电压表达式
Figure BDA0001971931970000044
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案有以下优点：
(1)本发明的中点电位平衡策略是通过前馈补偿控制得到零序电压，使得中点电位达到平衡，采用反馈补偿控制得到反馈补偿量，进而抑制中点电位的低频脉动。基于零序电压的注入，使故障后的系统稳定运行，提高系统的可靠性。
(2)本发明的容错控制方法是基于载波调制方式，相比于SVPWM调制方式，不需要选择相应的矢量，调制方式更简单，提高了控制系统的灵活性，减少系统算法的开发周期。
(3)本发明的容错控制方法针对垂直桥臂功率器件与水平桥臂功率器件发生故障后，将前馈补偿控制得到的零序电压与反馈补偿控制得到的反馈量叠加到相应的调制信号，通过改变调制信号的相位与幅值大小进行相应故障功率器件的容错控制，保证故障后的系统稳定运行。
附图说明
图1为T型三电平逆变器拓扑示意图；
图2为三电平同相层叠PWM调制法示意图；
图3是基于零序电压注入的中点电位平衡与容错控制示意图；
图4是本发明中点电位平衡与容错控制的流程图；
图5为垂直桥臂功率器件故障调制信号示意图；
图6为水平桥臂功率器件故障调制方式示意图；
图7为三相参考电压区间划分示意图；
图8为功率器件Sa1故障的容错仿真波形图；
图9为功率器件Sa2故障的容错仿真波形图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，T型三电平逆变器拓扑包含垂直桥臂功率器件(Sx1,Sx4)和水平桥臂功率器件(Sx2,Sx3)(x＝a,b,c)，由12个IGBT功率器件构成，L为负载电感，R为负载电阻，udc为直流侧电压，C1、C2为直流母线电容，O点为零电位参考点。输出状态为P,O,N，其中Sx1(Sx2)与Sx3(Sx4)为互补信号。针对T型三电平逆变器，本文采用了三电平同相层叠PWM(phasedisposition PWM)调制法，其调制原理如图2所示。其中，同相层叠的两个三角载波信号与参考正弦调制波相比较，从而得到相应开关管的驱动信号。
如图3所示，一种基于零序电压注入的中点电位平衡与容错控制方法，包括以下几个部分：前馈补偿控制、反馈补偿控制、参考调制信号和前馈加反馈叠加后的调制信号。在前馈补偿控制环节基于三相调制信号ua,ub,uc计算零序电压uo，叠加到故障后重构的调制信号u’a,u’b,u’c中，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；反馈补偿控制环节将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，该反馈补偿量叠加到前述的调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的。
一种基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法，如图4所示，该方法的步骤包括以下步骤。
(1)通过故障诊断算法判断T型三电平逆变器的故障类型，针对不同故障类型采取相应的容错控制方法；
(2)如果是垂直桥臂功率器件(Sx1,Sx4)发生故障，通过重构PWM调制信号，使逆变器系统线电压保持平衡。以A相故障为例，垂直桥臂功率器件发生故障后闭锁A相故障功率器件的驱动信号，并一直保持A相水平桥臂功率器件的驱动信号。如图5所示，调整PWM调制信号为
Figure BDA0001971931970000061
其中，ua’,ub’,uc’为调整后的调制信号，Vm为调制信号的幅值，w为逆变器输出的角频率。调整后的PWM调制信号使A相垂直桥臂故障后T型逆变器的三相输出线电压保持平衡；当故障发生在B相或C相，PWM的调制信号分别为
Figure BDA0001971931970000062
Figure BDA0001971931970000063
通过零序电压注入平衡中点电位，注入方法为：首先通过假定一个周期内三相中点电流平均值等于零的条件，计算需要注入的零序电压；将零序电压作为前馈补偿控制量，迭加到调制信号ua’,ub’,uc’中，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；运用反馈补偿控制，即将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，将该反馈补偿量叠加到前述的调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的。
(3)如果是水平桥臂功率器件(Sx2,Sx3)发生故障，切断故障相水平桥臂的驱动信号，利用正常的垂直桥臂调整T型逆变器故障相为两电平运行，非故障相采用三电平运行，如图6所示。故障后采用的调制信号为
Figure BDA0001971931970000071
由于故障相采用两电平而非故障相采用三电平运行，因此三相所采用的PWM载波不一致，其中，故障相采用单三角载波，非故障相可采用双三角载波。
通过零序电压注入平衡中点电位，注入方法为：首先通过假定一个周期内三相中点电流平均值等于零的条件，计算需要注入的零序电压；将零序电压作为前馈补偿控制量，迭加到调制信号ua’,ub’,uc’中(式13)，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；运用反馈补偿控制，即将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，将该反馈补偿量叠加到前述的调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的。
所述的零序电压注入具体方法为：
计算T型三电平逆变器的中点平均电流Io为：
Io＝daoia+dboib+dcoic (14)
式中ia,ib,ic为逆变器输出三相电流；dao,dbo,dco为在一个载波周期Ts内T型三电平逆变器输出为零电平的占空比，可通过下式计算：
Figure BDA0001971931970000072
式中udc为直流侧电压，ux(x＝a,b,c)为参考调制信号。通过注入零序电压uo，并把(15)代入(14)，则中点平均电流Io’可表示为：
Figure BDA0001971931970000081
通过开关平均模型和中点电位模型的建立，使得表达式Io’为零。如图7所示，根据三相对称调制波的相位互差2π/3这一特性，对一个周期进行区域Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ分别讨论与分析，进而计算得到零序电压uo。计算注入零序电压uo所采用的三相T型逆变器调制信号ux(x＝a,b,c)与具体故障类型有关
针对垂直桥臂功率器件(Sx1,Sx4)发生故障，所述的三相T型逆变器的调制信号ux为
Figure BDA0001971931970000082
针对水平桥臂功率器件(Sx2,Sx3)发生故障，所述的三相T型逆变器的调制信号ux为
Figure BDA0001971931970000083
以功率器件开路故障为例，图8和图9给出了仿真结果。图8所示，在0-0.1s时刻，T型三电平逆变器正常工作，输出线电压uab为五电平，输出电流ia为正弦波，中点电位平衡。在0.1s时，功率器件Sa1发生开路故障，输出电流不对称发生畸变，直流侧上、下两电容电压不平衡。在0.2s时刻，采用一种基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡控制与容错控制方法，输出线电压uab为三电平，输出电流大小为正常运行时的
Figure BDA0001971931970000084
上、下两电容电压平衡。
图9所示，在0.1s时，功率器件Sa2发生开路故障，输出电流不对称发生畸变，直流侧上、下两电容电压不平衡。在0.2s时刻，采用基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡控制与容错控制方法，输出电流大小与正常运行时的输出电流相等，上、下两电容电压平衡。
通过对垂直桥臂和水平桥臂功率器件故障容错控制的仿真，验证了该中点电位平衡策略与容错控制方法的有效性与可行性。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)通过故障诊断算法判断T型三电平逆变器的故障类型，针对不同故障类型采取相应的容错控制方法；
三相T型三电平逆变器拓扑包含垂直桥臂功率器件Sx1、Sx4和水平桥臂功率器件Sx2、Sx3；x＝a,b,c；Sx1、Sx2与Sx3、Sx4的驱动信号为互补信号；针对T型三电平逆变器，采用三电平同相层叠PWM调制法；其中，同相层叠的两个三角载波信号与参考调制信号相比较，从而得到相应功率器件的驱动信号；
(2)当垂直桥臂功率器件Sx1、Sx4发生故障，输出状态P或输出状态N将无法正常产生，导致输出线电压和相电流波形畸变和不对称；在这种情况下，通过重构PWM调制信号，故障相通过水平桥臂功率器件Sx2或水平桥臂功率器件Sx3导通与关断维持逆变器系统线电压的平衡；以A相故障为例，垂直桥臂功率器件发生故障后闭锁A相故障垂直桥臂功率器件的驱动信号，并一直保持A相水平桥臂功率器件的驱动信号；调整PWM调制信号为
Figure FDA0002577140720000011
其中，ua’,ub’,uc’为调整后的PWM调制信号，Vm为PWM调制信号的幅值，w为逆变器输出的角频率；调整后的PWM调制信号使A相垂直桥臂功率器件故障后T型三电平逆变器的三相输出线电压保持平衡；当故障发生在B相或C相，PWM调制信号分别为
Figure FDA0002577140720000012
Figure FDA0002577140720000021
为了保持三相系统的线电压平衡，通过重构PWM调制信号，改变PWM调制信号的相位与幅值大小，使得输出线电压为三电平，其幅值降为正常工作时的
Figure FDA0002577140720000022
输出电流也相应减小，进而维持T型三电平逆变器系统故障后的稳定运行；
通过零序电压注入平衡中点电位，注入方法为：首先通过假定一个周期内三相中点电流平均值等于零的条件，计算需要注入的零序电压；将零序电压作为前馈补偿控制量，叠加到PWM调制信号ua’,ub’,uc’中，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；运用反馈补偿控制，即将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，将该反馈补偿量叠加到有前馈补偿控制量的PWM调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的；
(3)当水平桥臂功率器件Sx2、Sx3发生故障时，输出状态O将无法正常产生，导致输出线电压和相电流波形畸变和不对称；在这种情况下，一旦检测到水平桥臂功率器件发生故障时，切断故障相水平桥臂功率器件的驱动信号；利用正常垂直桥臂的功率器件调整T型三电平逆变器故障相为两电平运行，非故障相采用三电平运行；故障后采用的PWM调制信号为
Figure FDA0002577140720000023
由于故障相采用两电平而非故障相采用三电平运行，因此三相所采用的载波信号不一致，其中，故障相采用单三角载波信号，非故障相可采用双三角载波信号；
通过零序电压注入平衡中点电位，注入方法为：首先通过假定一个周期内三相中点电流平均值等于零的条件，计算需要注入的零序电压；将零序电压作为前馈补偿控制量，叠加到PWM调制信号ua’,ub’,uc’中，从而使中点电位在一个基波周期内保持平衡；运用反馈补偿控制，即将上电容C1和下电容C2的电压差值经过一个PI控制环节得到反馈补偿量Δio，将该反馈补偿量叠加到有前馈补偿控制量的PWM调制信号中，达到抑制直流侧中点低频电压脉动的目的。
2.根据权利要求1所述的基于零序电压注入的T型三电平逆变器中点电位平衡与容错控制方法，其特征在于：所述的零序电压注入具体方法为：
计算T型三电平逆变器的中点电流平均值Io为：
Io＝daoia+dboib+dcoic (5)
式中ia,ib,ic为逆变器输出三相电流；dao,dbo,dco为在一个载波周期Ts内T型三电平逆变器输出为零电平的占空比，通过下式计算：
Figure FDA0002577140720000031
式中udc为直流侧电压，ux为参考调制信号；通过注入零序电压uo，并把公式(6)代入公式(5)，则此时中点电流平均值Io’表示为：
Figure FDA0002577140720000032
通过开关平均模型和中点电位模型的建立，使得中点电流平均值Io’为零，根据三相调制信号的区域进而计算得到零序电压uo；计算注入零序电压uo所采用的三相T型三电平逆变器参考调制信号ux与具体故障类型有关，其中x＝a,b,c；
针对垂直桥臂功率器件Sx1、Sx4发生故障，所述的三相T型三电平逆变器的参考调制信号ux为
Figure FDA0002577140720000033
针对水平桥臂功率器件Sx2、Sx3发生故障，所述的三相T型三电平逆变器的参考调制信号ux为
Figure FDA0002577140720000041
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