CN110311543A - 级联h桥变换器故障时拓扑重构及其功率因数角计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，属于容错控制技术领域。若H桥模块单元的某一个或者两个开关管发生开路故障时，可切换到无桥模块单元运行模式，并与正常运行的H桥模块单元相配合，以混合级联多电平变换器模式运行，在提供有功功率的同时，仍然能够实现滞后、超前和单位功率因数运行。另外，本发明还给出了级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器运行模式下可运行的最大功率因数角的计算方法，为能否切换提供依据。与现有方法相比，本发明充分利用了故障模块单元中正常运行的开关管，给出了能否切换的依据，减少了故障对系统的影响，提高了可靠性。

Description

级联H桥变换器故障时拓扑重构及其功率因数角计算方法

技术领域

本发明属于高电压大功率级联式电力电子变换器在电能变换中的容错控制技术领域,特别涉及级联H 桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法。

背景技术

级联H桥多电平变换器广泛运用在静止同步补偿器、光伏并网逆变器、电力电子变压器、中高压变频器、储能系统中，具有开关损耗较小、应力低、结构简单、易于模块化、可冗余操作运行等优点。近年来，基于新能源发电技术的分布式发电系统得到了越来越多的关注以及日益广泛的应用，将级联H桥多电平变换器融合无功补偿功能，使得其在实现其自身功能的同时，完成对电网的无功补偿是一种更经济合理的电能质量治理方案。然而，级联H桥多电平变换器的基础元件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)非常脆弱，故障率高，一旦发生故障将会影响整个系统的正常运行，甚至对电网造成严重的经济损失，特别是当级联H桥多电平变换器向电网注入无功功率以维持母线电压稳定的场合。此外，在高压的应用场合中，级联的H桥模块的数量很多，因此采用容错控制对于系统保持原有状态或在原有性能稍低的状态下运行是十分有必要的。

针对级联H桥多电平变换器，有不少学者对其容错控制进行了研究，主要分为两大类。一是通过旁路发生故障的模块，同时增加其它H桥模块输出电压的参考值，保持总的输出电压参考值不变，设计合适的控制器的方法来实现正常运行。二是通过增加冗余模块，发生故障时旁路发生故障的模块，同时接入冗余模块来实现正常运行。尽管上述方法均可行，但是均没有充分利用故障模块中的非故障器件的输出能力，并且冗余模块的投入，会增加级联H桥多电平变换器的体积和成本，降低系统的效率。因此，如何有效地利用故障单元中非故障器件的输出能力，并且计算出此时变换器可运行的最大功率因数角对级联H桥多电平变换器融合无功补偿功能的正常运行具有重要意义。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供的一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，其特征在于：

本发明在级联H桥多电平变换器的H桥模块单元的某一个或者两个开关管(除去对角线侧的两个开关管)发生开路故障时，可以将发生故障的H桥模块单元切换到无桥模块单元运行模式，包括Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式以及对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，此时以无桥模块单元模式运行的故障模块与剩余正常运行的H桥模块单元相配合，称为混合级联多电平变换器模式，此时发生故障的级联H桥多电平变换器在提供有功功率的同时，仍然能够实现滞后、超前和单位功率因数运行，为系统提供连续的无功功率。然而，当故障模块切换到无桥模块单元运行模式时，由于无桥模块单元的单向特性，会限制级联H桥多电平变换器以混合级联多电平变换器模式运行时所能提供的无功功率，因此，需要计算混合级联多电平变换器运行模式下可运行的最大功率因数角，在需要提供无功功率补偿的场合中，为故障的级联H桥多电平变换器能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。

H桥模块单元的四个功率开关管自上而下编号为S1、S2、S3、S4，如图2所示，H桥模块单元的某一个或者两个开关管(除去对角线侧的两个开关管)发生开路故障时共有8种故障状态，如表1所示，四种无桥模块单元运行模式，包括Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，如图3～图6所示。

所述故障状态一：当开关管S1发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的图腾柱无桥模块单元运行模式和Boost无桥模块单元运行模式，对称的图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S2的驱动脉冲为0，同时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号，Boost无桥模块单元运行模式中开关管S3的驱动脉冲为0，同时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态二：当开关管S2发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的Boost无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，对称的Boost无桥模块单元运行模式中开关管S4的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，其中对称的图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S1的驱动脉冲为0，同时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态三：当开关管S3发生开路故障时，有两种运行模式，分别是Boost无桥模块单元运行模式和图腾柱无桥模块单元运行模式，Boost无桥模块单元运行模式中开关管S1的驱动脉冲为0，同时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管 S4的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态四：当开关管S4发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的Boost无桥模块单元运行模式和图腾柱无桥模块单元运行模式，对称的Boost无桥模块单元运行模式中开关管S2的驱动脉冲为 0，同时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S3的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态五：当开关管S1、S2发生开路故障时，有一种运行模式，即对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，此时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态六：当开关管S1、S3发生开路故障时，有一种运行模式，即Boost无桥模块单元运行模式，此时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态七：当开关管S2、S4发生开路故障时，有一种运行模式，即对称的Boost无桥模块单元运行模式，此时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态八：当开关管S3、S4发生开路故障时，有一种运行模式，即图腾柱无桥模块单元运行模式，此时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

当H桥模块单元中对角线侧的两个开关管发生故障时(开关管S1、S4发生开路故障或S2、S3发生开路故障)，或者有三个或三个以上开关管开路故障时，旁路故障的H桥模块单元，此时级联H桥多电平变换器降容运行。

将上述以无桥模块单元模式运行的故障模块与剩余正常运行的H桥模块单元相配合，级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器模式，此时发生故障的级联H桥多电平变换器在提供有功功率的同时，仍然能够以滞后、超前和单位功率因数运行，为系统提供连续的无功功率。

表1 H桥模块中不同的开关管开路故障时开关信号的驱动信号分配及其运行模式

“0”表示低电平,“p”表示PWM信号,“/”表示开路故障。

级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器运行模式下，以图7所示的由m个Boost无桥模块单元和n个H桥模块单元构成的混合级联多电平变换器运行模式为例，介绍本专利所提的一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时可运行的最大功率因数角的计算方法。其中m、n均为正整数，且m≥1, n≥1。

若混合级联多电平变换器提供滞后的无功功率，根据不同的功率、电压等级和功率因数角，可能出现 U_L<|U_ssinθ|和U_L≥|U_ssinθ|两种情况，其交流侧稳态相量图分别如图8和图9所示，其中输入电流I_s滞后于电网电压U_s的角度为θ，交流侧线路电感电压U_L正交于I_s，交流侧参考电压U_con ^*滞后于U_s的角度为为了避免输入电流畸变，由m个无桥模块单元仅提供直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压 U_{con_BR} ^*应滞后于U_s的角度为θ，同时，由n个H桥模块单元提供交流侧所需无功功率以及直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压为U_{con_H} ^*，每一个模块单元的直流侧输出电压为U_dc，无桥模块单元输出直流侧等效电阻为R_i(i＝1,…m)，H桥模块单元输出直流侧等效电阻为R_j(j＝m+1,…m+n)，对于任意一个级联功率模块，通过PWM调制能够得到的交流侧参考电压的有效值的最大值为因此，m个无桥模块单元交流侧参考电压有效值的最大值的总和为稳态时，假设直流侧输出电压平衡，定义升压比k为

此时输入电流I_s为

当U_L<|U_ssinθ|时，如图8所示，在ΔHPC中，根据几何关系，可得出n个H桥模块单元交流侧参考电压在U_s上的分量U_PC、n个H桥模块单元交流侧参考电压在垂直于U_s上的分量U_PH、n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

n个H桥模块单元的交流侧参考电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧参考电压有效值的最大值的总和，即

将(1)、(2)、(3)代入(4)中，滞后功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

当U_L≥|U_ssinθ|时，如图9所示，在ΔHDC中，根据几何关系，可得出n个H桥模块单元交流侧参考电压在I_s上的分量U_HD、n个H桥模块单元交流侧参考电压在垂直于I_s上的分量U_DC、n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

由于n个H桥模块单元的交流侧电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧电压有效值的最大值的总和，即也满足(4)，将(1)、(2)、(6)代入(4)中，滞后功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

若混合级联多电平变换器提供超前的无功功率，交流侧稳态相量图如图10所示，其中输入电流I_s超前于电网电压U_s的角度为θ，交流侧线路电感电压U_L正交于I_s，交流侧参考电压U_con ^*滞后于U_s的角度为为了避免输入电流畸变，由m个无桥模块单元仅提供直流侧负载所需的有功功率，此时交流侧参考电压U_{con_BR} ^*应超前于U_s的角度为θ，同时，由n个H桥模块单元提供交流侧所需无功功率以及直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压为U_{con_H} ^*，直流侧输出电压为U_dc，在ΔOHC中，根据几何关系，可得出混合级联多电平变换器交流侧参考电压U_con ^*、U_con ^*与U_s之间的角度n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

由于n个H桥模块单元的交流侧参考电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧参考电压有效值的最大值的总和，即也满足(4)。将(1)、(2)、(8)代入(4)中，超前功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

根据(5)、(7)、(9)，分别画出左边等式的值随功率因数角θ变化的曲线，以及平行于θ轴且等于右边等式值的直线，两条线的交点所对应的功率因数角θ即为该混合级联多电平变换器以滞后功率因数 (U_L<|U_ssinθ|、U_L≥|U_ssinθ|)、超前功率因数运行时所能提供的最大功率因数角。

根据上述推导能够确定级联H桥多电平变换器以混合级联多电平变换器模式运行时的最大功率因数角,在需要提供无功功率补偿的场合中，为级联H桥多电平变换器能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1为级联H桥多电平变换器的拓扑图；

图2为H桥模块单元的拓扑图；

图3为Boost无桥模块单元的拓扑图；

图4为对称的Boost无桥模块单元的拓扑图；

图5为图腾柱无桥模块单元的拓扑图；

图6为对称的图腾柱无桥模块单元的拓扑图；

图7为包含m个Boost无桥模块单元和n个H桥模块单元的混合级联多电平变换器的拓扑图；

图8为混合级联多电平变换器在滞后功率因数(U_L<|U_ssinθ|)下基波相量图；

图9为混合级联多电平变换器在滞后功率因数(U_L≥U_ssinθ|)下基波相量图；

图10为混合级联多电平变换器在超前功率因数下基波相量图；

图11为混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行时的最大滞后功率因数角θ与Boost无桥模块单元个数m和H桥模块单元个数n的关系图；

图12为混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行时的最大滞后功率因数角θ与升压比k的关系图；

图13为混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行时且在最大滞后功率因数角范围内的输入电压和输入电流的波形图；

图14为混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行时且在最大滞后功率因数角范围外的输入电压和输入电流的波形图；

图15为混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时的最大超前功率因数角θ与Boost无桥模块个数 m和H桥模块个数n的关系图；

图16为混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时的最大超前功率因数角θ与升压比k的关系图；

图17为混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时且在最大超前功率因数角范围内的输入电压和输入电流的波形图；

图18为混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时且在最大超前功率因数角范围外的输入电压和输入电流的波形图；

具体实施模式

下面结合附图和具体实施模式以图1所示的级联H桥多电平变换器为例，对本发明作进一步说明。

H桥模块单元的四个功率开关管自上而下编号为S1、S2、S3、S4，如图2所示，H桥模块单元的某一个或者两个开关管(除去对角线侧的两个开关管)发生开路故障时共有8种故障状态，如表1所示，四种无桥模块单元运行模式，分别是Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，如图3～图6所示。

所述故障状态一：当开关管S1发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的图腾柱无桥模块单元运行模式和Boost无桥模块单元运行模式，对称的图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S2的驱动脉冲为0，同时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号，Boost无桥模块单元运行模式中开关管S3的驱动脉冲为0，同时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态二：当开关管S2发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的Boost无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，对称的Boost无桥模块单元运行模式中开关管S4的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，其中对称的图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S1的驱动脉冲为0，同时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态三：当开关管S3发生开路故障时，有两种运行模式，分别是Boost无桥模块单元运行模式和图腾柱无桥模块单元运行模式，Boost无桥模块单元运行模式中开关管S1的驱动脉冲为0，同时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管 S4的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态四：当开关管S4发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的Boost无桥模块单元运行模式和图腾柱无桥模块单元运行模式，对称的Boost无桥模块单元运行模式中开关管S2的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S3的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态五：当开关管S1、S2发生开路故障时，有一种运行模式，即对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，此时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态六：当开关管S1、S3发生开路故障时，有一种运行模式，即Boost无桥模块单元运行模式，此时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态七：当开关管S2、S4发生开路故障时，有一种运行模式，即对称的Boost无桥模块单元运行模式，此时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态八：当开关管S3、S4发生开路故障时，有一种运行模式，即图腾柱无桥模块单元运行模式，此时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

当H桥模块单元中对角线侧的两个开关管发生故障时(开关管S1、S4发生开路故障或S2、S3发生开路故障)，或者有三个或三个以上开关管开路故障时，旁路故障的H桥模块单元，此时级联H桥多电平变换器降容运行。

将上述以无桥模块单元模式运行的故障模块与剩余正常运行的H桥模块单元相配合，级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器模式，此时发生故障的级联H桥多电平变换器在提供有功功率的同时，仍然能够以滞后、超前和单位功率因数运行，为系统提供连续的无功功率。

表1 H桥模块中不同的开关管开路故障时开关信号的驱动信号分配及其运行模式

“0”表示低电平,“p”表示PWM信号,“/”表示开路故障。

级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器运行模式下，以图7所示的由m个Boost无桥模块单元和n个H桥模块单元构成的混合级联多电平变换器运行模式为例，介绍本专利所提的一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时可运行的最大功率因数角的计算方法。其中m、n均为正整数，且m≥1, n≥1。

若混合级联多电平变换器提供滞后的无功功率，根据不同的功率、电压等级和功率因数角，可能出现 U_L<|U_ssinθ|和U_L≥|U_ssinθ|两种情况，其交流侧稳态相量图分别如图8和图9所示，其中输入电流I_s滞后于电网电压U_s的角度为θ，交流侧线路电感电压U_L正交于I_s，交流侧参考电压U_con ^*滞后于U_s的角度为为了避免输入电流畸变，由m个无桥模块单元仅提供直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压 U_{con_BR} ^*应滞后于U_s的角度为θ，同时，由n个H桥模块单元提供交流侧所需无功功率以及直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压为U_{con_H} ^*，每一个模块单元的直流侧输出电压为U_dc，无桥模块单元输出直流侧等效电阻为R_i(i＝1,…m)，H桥模块单元输出直流侧等效电阻为R_j(j＝m+1,…m+n)，对于任意一个级联功率模块，通过PWM调制能够得到的交流侧参考电压的有效值的最大值为因此，m个无桥模块单元交流侧参考电压有效值的最大值的总和为稳态时，假设直流侧输出电压平衡，定义升压比k为

此时输入电流I_s为

当U_L<|U_ssinθ|时，如图8所示，在ΔHPC中，根据几何关系，可得出n个H桥模块单元交流侧参考电压在U_s上的分量U_PC、n个H桥模块单元交流侧参考电压在垂直于U_s上的分量U_PH、n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

n个H桥模块单元的交流侧参考电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧参考电压有效值的最大值的总和，即

将(1)、(2)、(3)代入(4)中，滞后功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

当U_L≥|U_ssinθ|时，如图9所示，在ΔHDC中，根据几何关系，可得出n个H桥模块单元交流侧参考电压在I_s上的分量U_HD、n个H桥模块单元交流侧参考电压在垂直于I_s上的分量U_DC、n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

由于n个H桥模块单元的交流侧电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧电压有效值的最大值的总和，即也满足(4)，将(1)、(2)、(6)代入(4)中，滞后功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

若混合级联多电平变换器提供超前的无功功率，交流侧稳态相量图如图10所示，其中输入电流I_s超前于电网电压U_s的角度为θ，交流侧线路电感电压U_L正交于I_s，交流侧参考电压U_con ^*滞后于U_s的角度为为了避免输入电流畸变，由m个无桥模块单元仅提供直流侧负载所需的有功功率，此时交流侧参考电压U_{con_BR} ^*应超前于U_s的角度为θ，同时，由n个H桥模块单元提供交流侧所需无功功率以及直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压为U_{con_H} ^*，直流侧输出电压为U_dc，在ΔOHC中，根据几何关系，可得出混合级联多电平变换器交流侧参考电压U_con ^*、U_con ^*与U_s之间的角度n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

由于n个H模块单元的交流侧参考电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧参考电压有效值的最大值的总和，即也满足(4)。将(1)、(2)、(8)代入(4)中，超前功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

根据(5)、(7)、(9)，分别画出左边等式的值随功率因数角θ变化的曲线，以及平行于θ轴且等于右边等式值的直线，两条线的交点所对应的功率因数角θ即为该混合级联多电平变换器以滞后功率因数 (U_L<|U_ssinθ|、U_L≥|U_ssinθ|)、超前功率因数运行时所能提供的最大功率因数角。

根据上述推导能够确定级联H桥多电平变换器以混合级联多电平变换器模式运行时的最大功率因数角,在需要提供无功功率补偿的场合中，为级联H桥多电平变换器能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。

实施例：仿真结果分析。

在MATLAB/Simulink中搭建级联H桥多电平变换器模型,若其中m个H桥模块单元的开关管S1发生开路故障，相当于这m个H桥模块单元的开关管S1的驱动脉冲为0，若此时该级联H桥多电平变换器切换到由m个Boost无桥模块和n个H桥模块构成的混合级联多电平变换器运行模式，对该模式进行仿真并对混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行和超前功率因数运行时所能提供的最大功率因数角进行计算。

当级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器模式运行并提供滞后功率的无功功率时，其所能运行的最大滞后功率因数角可以由式(5)和式(7)得到，然而在大多数情况下，升压电感上的电压U_L很小，所以混合级联多电平变换器一般运行在U_L<|U_ssinθ|的情况下。图11给出了在负载电阻R₁＝30Ω,R₂＝30Ω, R₃＝70Ω，升压比k＝2.7的情况下，混合级联多电平变换器以滞后功率因数(U_L<|U_ssinθ|)运行时的最大滞后功率因数角θ与Boost无桥模块单元个数以及H桥模块单元个数的关系，并以Boost无桥模块单元个数m＝2、H桥模块单元个数n＝1以及Boost无桥模块单元个数m＝1、H桥模块单元个数n＝2这两种情况为例进行了计算，当Boost无桥模块单元个数m＝2、H桥模块单元个数n＝1时，式(5)左边的值随功率因数角θ变化的曲线与平行于θ轴且等于右边值的直线的交点为Y，此时混合级联多电平变换器所能运行的最大滞后功率因数角为27度，当Boost无桥模块单元个数m＝1、H桥模块单元个数n＝2时，式(5)左边的值随功率因数角θ变化的曲线与平行于θ轴且等于右边值的直线没有交点,说明混合级联多电平变换器能够在全范围内提供滞后的无功功率,可以看出H桥模块单元的个数越多，混合级联多电平变换器所能提供的滞后功率因数角越大。图12给出了在负载电阻R₁＝30Ω,R₂＝30Ω,R₃＝70Ω,Boost无桥模块单元个数m＝2、H桥模块单元个数n＝1的情况下，混合级联多电平变换器以滞后功率因数(U_L<|U_ssinθ|)运行时的最大滞后功率因数角θ与升压比k的关系，并以升压比k＝2、2.7、3为例进行了计算，式(5)左边的值随功率因数角θ变化的曲线与平行于θ轴且等于右边值的直线的交点为分别为Z、Y、X，所对应的混合级联多电平变换器所能运行的最大滞后功率因数角分别为32度、27度、21度，可以看出升压比越大，混合级联多电平变换器所能提供的滞后功率因数角越小。图13为混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行时且在最大滞后功率因数角范围内的输入电压和输入电流的波形图，此时输入电流波形没有畸变。图14为混合级联多电平变换器以滞后功率因数运行时且在最大滞后功率因数角范围外的输入电压和输入电流的波形图，此时输入电流波形发生畸变。

当级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器模式运行并提供超前功率的无功功率时，其所能运行的最大超前功率因数角可以由式(9)得到。图15给出了在负载电阻R₁＝30Ω,R₂＝30Ω,R₃＝70Ω,升压比 k＝2.7的情况下，混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时的最大超前功率因数角θ与Boost无桥模块单元个数以及H桥模块单元个数的关系，并以Boost无桥模块单元个数m＝2、H桥模块单元个数n＝1以及 Boost无桥模块单元个数m＝1、H桥模块单元个数n＝2这两种情况为例进行了计算，当Boost无桥模块单元个数m＝2、H桥模块单元个数n＝1时，式(9)左边的值随功率因数角θ变化的曲线与平行于θ轴且等于右边值的直线的交点为X，此时混合级联多电平变换器所能运行的最大超前功率因数角为32度，当Boost 无桥模块单元个数m＝1、H桥模块单元个数n＝2时，式(9)左边的值随功率因数角θ变化的曲线与平行于θ轴且等于右边值的直线交点为Y，此时混合级联多电平变换器所能运行的最大超前功率因数角为80度，可以看出H桥模块单元的个数越多，混合级联多电平变换器所能提供的超前功率因数角越大。图16给出了在负载电阻R₁＝30Ω,R₂＝30Ω,R₃＝70Ω,Boost无桥模块单元个数m＝2、H桥模块单元个数n＝1的情况下，混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时的最大超前功率因数角θ与升压比k的关系，并以升压比k＝2、2.7、3为例进行了计算，式(5)左边的值随功率因数角θ变化的曲线与平行于θ轴且等于右边值的直线的交点为分别为X、Y、Z，所对应的混合级联多电平变换器所能运行的最大超前功率因数角分别为33 度、31度、28度，可以看出升压比越大，混合级联多电平变换器所能提供的超前功率因数角越小。图17 为混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时且在最大超前功率因数角范围内的输入电压和输入电流的波形图，此时输入电流波形没有畸变。图18为混合级联多电平变换器以超前功率因数运行时且在最大超前功率因数角范围外的输入电压和输入电流的波形图，此时输入电流波形发生畸变。

上述仿真证明了本发明专利所提一种级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其最大无功补偿能力的计算方法的正确性。

从以上实施例可看出，采用本发明提出的方法可以有效地实现级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构，能够确定级联H桥多电平变换器以混合级联多电平变换器模式运行时的最大功率因数角，在需要提供无功功率补偿的场合中，为级联H桥多电平变换器能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)若级联H桥多电平变换器的H桥模块单元的某一个或者两个开关管(除去对角线侧的两个开关管)发生开路故障时，将发生故障的H桥模块单元切换到无桥模块单元运行模式，包括Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式以及对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，此时以无桥模块单元模式运行的故障模块与剩余正常运行的H桥模块单元相配合，称为混合级联多电平变换器模式，此时发生故障的级联H桥多电平变换器在提供有功功率的同时，仍然能够实现滞后、超前和单位功率因数运行，为系统提供连续的无功功率；

2)计算级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器运行模式下，所能运行的最大功率因数角，在需要提供无功功率补偿的场合中，为能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。

2.根据权利要求1所述的一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，其特征在于：所述步骤1)中，H桥模块单元的四个功率开关管自上而下编号为S1、S2、S3、S4，H桥模块单元的某一个或者两个开关管发生开路故障时共有8种故障状态，四种无桥模块单元运行模式，分别是Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式；

所述故障状态一：当开关管S1发生开路故障时，有两种运行模式,分别是对称的图腾柱无桥模块单元运行模式和Boost无桥模块单元运行模式，对称的图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S2的驱动脉冲为0，同时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号，Boost无桥模块单元运行模式中开关管S3的驱动脉冲为0，同时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态二：当开关管S2发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的Boost无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，对称的Boost无桥模块单元运行模式中开关管S4的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，其中对称的图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S1的驱动脉冲为0，同时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态三：当开关管S3发生开路故障时，有两种运行模式，分别是Boost无桥模块单元运行模式和图腾柱无桥模块单元运行模式，Boost无桥模块单元运行模式中开关管S1的驱动脉冲为0，同时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S4的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态四：当开关管S4发生开路故障时，有两种运行模式，分别是对称的Boost无桥模块单元运行模式和图腾柱无桥模块单元运行模式，对称的Boost无桥模块单元运行模式中开关管S2的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号，图腾柱无桥模块单元运行模式中开关管S3的驱动脉冲为0，同时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态五：当开关管S1、S2发生开路故障时，有一种运行模式，即对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，此时开关管S3、S4的驱动脉冲为互补的PWM信号；

所述故障状态六：当开关管S1、S3发生开路故障时，有一种运行模式，即Boost无桥模块单元运行模式，此时开关管S2、S4的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态七：当开关管S2、S4发生开路故障时，有一种运行模式，即对称的Boost无桥模块单元运行模式，此时开关管S1、S3的驱动脉冲为相同的PWM信号或互补的PWM信号；

所述故障状态八：当开关管S3、S4发生开路故障时，有一种运行模式，即图腾柱无桥模块单元运行模式，此时开关管S1、S2的驱动脉冲为互补的PWM信号；

当H桥模块单元中对角线侧的两个开关管发生故障时(开关管S1、S4发生开路故障或S2、S3发生开路故障)，或者有三个或三个以上开关管开路故障时，旁路故障的H桥模块单元，此时级联H桥多电平变换器降容运行。

将上述以无桥模块单元模式运行的故障模块与剩余正常运行的H桥模块单元相配合，级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器模式，此时发生故障的级联H桥多电平变换器在提供有功功率的同时，仍然能够以滞后、超前和单位功率因数运行，为系统提供连续的无功功率。

3.根据权利要求1所述的一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，其特征在于：所述步骤2)中，级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器运行模式下，无桥模块单元个数为m,H桥模块单元个数为n,其中m、n均为正整数，且m≥1,n≥1；

若混合级联多电平变换器提供滞后的无功功率，根据不同的功率、电压等级和功率因数角，可能出现U_L<|U_ssinθ|和U_L≥|U_ssinθ|两种情况，交流侧稳态相量图中，输入电流I_s滞后于电网电压U_s的角度为θ，交流侧线路电感电压U_L正交于I_s，交流侧参考电压为U_con ^*滞后于U_s的角度为为了避免输入电流畸变，由m个无桥模块仅提供直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压U_{con_BR} ^*应滞后于U_s的角度为θ，同时，由n个H桥模块单元提供交流侧所需无功功率以及直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压为U_{con_H} ^*，每一个模块单元的直流侧输出电压为U_dc，无桥模块单元输出直流侧等效电阻为R_i(i＝1,…m)，H桥模块单元输出直流侧等效电阻为R_j(j＝m+1,…m+n)，对于任意一个级联功率模块单元，通过PWM调制能够得到的交流侧参考电压的有效值的最大值为因此，m个无桥模块单元交流侧参考电压有效值的最大值的总和为稳态时，假设直流侧输出电压平衡，定义升压比k为

此时输入电流I_s为

当U_L<|U_ssinθ|时，n个H桥模块单元交流侧参考电压在U_s上的分量U_PC、n个H桥模块单元交流侧参考电压在垂直于U_s上的分量U_PH、n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

n个H桥模块单元的交流侧电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧参考电压有效值的最大值的总和，即

将(1)、(2)、(3)代入(4)中，滞后功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

当U_L≥|U_ssinθ|时，n个H桥模块单元交流侧参考电压在I_s上的分量U_HD、n个H桥模块单元交流侧参考电压在垂直于I_s上的分量U_DC、n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

由于n个H桥模块单元的交流侧电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧电压有效值的最大值的总和，即也满足(4)，将(1)、(2)、(6)代入(4)中，滞后功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

若混合级联多电平变换器提供超前的无功功率，交流侧稳态相量图中，输入电流I_s超前于电网电压U_s的角度为θ，交流侧线路电感电压U_L正交I_s，交流侧参考电压U_con ^*滞后于U_s的角度为为了避免输入电流畸变，由m个无桥模块单元仅提供直流侧负载所需的有功功率，此时交流侧参考电压U_{con_BR} ^*应超前于U_s的角度为θ，同时，由n个H桥模块单元提供交流侧所需无功功率以及直流侧负载所需的有功功率，其交流侧参考电压为U_{con_H} ^*，直流侧输出电压为U_dc，混合级联多电平变换器交流侧参考电压U_con ^*、U_con ^*与U_s之间的角度n个H桥模块单元交流侧参考电压U_{con_H} ^*分别为

由于n个H桥模块单元的交流侧参考电压有效值的总和不应该超过其所能提供的最大的交流侧参考电压有效值的最大值的总和，即也满足(4)。将(1)、(2)、(8)代入(4)中，超前功率因数角与升压比、电感和输出直流侧等效电阻的关系式为

根据(5)、(7)、(9)，分别画出左边等式的值随功率因数角θ变化的曲线，以及平行于θ轴且等于右边等式值的直线，两条线的交点所对应的功率因数角θ即为该混合级联多电平变换器以滞后功率因数(U_L<|U_ssinθ|、U_L≥|U_ssinθ|)、超前功率因数运行时所能提供的最大功率因数角。

根据上述推导能够确定级联H桥多电平变换器以混合级联多电平变换器模式运行时的最大功率因数角,在需要提供无功功率补偿的场合中，为级联H桥多电平变换器能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。