CN111277148B - 三相-单相电力电子变换器系统及其整流器故障容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相‑单相电力电子变换器系统及其整流器故障容错方法，在传统三相‑单相电力电子变换器的基础上，增加了隔离开关组，降低了因三相三电平整流器故障而损坏后端设备从而造成牵引网输出失稳的风险，提高了单三相三电平级联逆变器鲁棒性，保证了牵引网的稳定输出；在进行故障容错时充分考虑了开关脉冲序列SSi的越级跳变与直流环节中直流电容充放电时间不平衡的问题，最大限度地利用直流电容充放电实现了系统故障后的容错运行，增强了系统运行的可靠性，扩宽了系统容错后的稳定范围，即使出现极端恶劣的故障状态，即某一模块的三相三电平整流器因故障完全退出运行后，仍能保证系统正常稳定运行，不使故障影响到牵引网网压。

Description

三相-单相电力电子变换器系统及其整流器故障容错方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种三相-单相电力电子变换器系统及其整流器故障容错方法。

背景技术

目前，为解决我国现有电气化铁路供电系统中由电分相引起的存在死区、电能质量低、越区供电难等问题，有学者提出了贯通式同相供电的铁路供电系统。利用多绕组变压器与三相-单相电力电子变换器替换原有牵引变电所中铁芯式变压器，结合电力电子控制技术，使得牵引网全线取消电分相装置，并保持全网电压相位、幅值和频率一致。三相-单相电力电子变换器由三相三电平整流器、直流环节以及单相三电平级联逆变器组成，具有输出可控、输出电能质量高等特点。其中三相三电平整流器作为该系统中的前端整流设备，为其后端直流环节提供稳定的直流电能，其稳定正常工作是牵引网可靠供电的基本条件之一。但该三相三电平整流器存在隔离度低、故障后无法向后端提供稳定直流电能从而影响牵引网网压等问题，且该系统中功率器件需要承受高电压和大电流，器件损坏几率较小功率场合有所提升。极端情况下，当某一三相三电平整流器因故障而退出运行，且该故障无法被隔离时，将导致输出端单相三电平级联逆变器端口电平缺失、逆变输出网压降低等问题，从而使故障变电所输出失稳，牵引网电压产生较大波动，甚至进一步扩大事故，导致列车停运。因此，对三相-单相电力电子变换器系统及其三相三电平整流器故障容错方法的研究具有重要意义。

近年来，针对以上问题，有学者提出了一种反向矢量的故障容错方法，该方法通过利用输出侧单相三电平级联逆变器合成反向大矢量，当直流环节处于故障状态时选择反向大矢量对电容进行强制充放电。这种容错方法通过在调制过程中插入反向大矢量，使直流侧支撑电容处于强制充放电状态，从而极大的提升了容错范围。然而这种方法中出现了开关脉冲序列SSi的越级跳变，且各直流环节在一个调制波周期内对电容充放电时间不平衡，这些缺点将导致输出侧单相三电平级联逆变器的开关频率增高，降低功率开关器件的寿命，增加了功率开关器件的误导通率，降低了系统的可靠性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的三相-单相电力电子变换器系统及其故障容错方法解决了上述背景技术中的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：三相-单相电力电子变换器系统，包括多绕组变压器、三相三电平整流器、隔离开关组、直流环节、级联逆变器模块和控制电路；

所述多绕组变压器的原边绕组与三相电网连接；所述多绕组变压器配置有n个副边绕组，且每个副边绕组均依次连接一个三相三电平整流器、隔离开关组、直流环节、级联逆变器模块和控制电路。

进一步地，所述三相三电平整流器为基于IGBT功率开关管的三相三电平整流器；

所述三相三电平整流器包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；

所述第一桥臂包括4个IGBT开关管S₁₁、IGBT开关管S₁₂、IGBT开关管S₁₃和IGBT开关管S₁₄；所述第二桥臂包括4个IGBT开关管S₂₁、IGBT开关管S₂₂、IGBT开关管S₂₃和IGBT开关管S₂₄；所述第三桥臂包括4个IGBT开关管S₃₁、IGBT开关管S₃₂、IGBT开关管S₃₃和IGBT开关管S₃₄；

所述IGBT开关管S₁₁的一端与IGBT开关管S₁₂的一端连接，IGBT开关管S₁₁的另一端分别与IGBT开关管S₂₁的一端和IGBT开关管S₃₁的一端连接，所述IGBT开关管S₁₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第一输出端和IGBT开关管S₁₃的一端连接，所述IGBT开关管S₁₃的另一端与IGBT开关管S₁₄的一端连接，所述IGBT开关管S₁₄的另一端分别与IGBT开关管S₂₄的一端和IGBT开关管S₃₄的一端连接；所述IGBT开关管S₂₁的另一端与IGBT开关管S₂₂的一端连接，所述IGBT开关管S₂₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第二输出端和IGBT开关管S₂₃的一端连接，所述IGBT开关管S₂₃的另一端与IGBT开关管S₂₄的另一端连接；所述IGBT开关管S₃₁的另一端与IGBT开关管S₃₂的一端连接，所述IGBT开关管S₃₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第三输出端和IGBT开关管S₃₃的一端连接，所述IGBT开关管S₃₃的另一端与IGBT开关管S₃₄的另一端连接；

所述IGBT开关管S₁₂的另一端与二极管D₁₁的负极连接，所述二极管D₁₁的正极与二极管D₁₂的负极连接，所述二极管D₁₂的正极与IGBT开关管S₁₄的一端连接；所述IGBT开关管S₂₂的另一端与二极管D₂₁的负极连接，所述二极管D₂₁的正极与二极管D₂₂的负极连接，所述二极管D₂₂的正极与IGBT开关管S₂₄的一端连接；所述IGBT开关管S₃₂的另一端与二极管D₃₁的负极连接，所述二极管D₃₁的正极与二极管D₃₂的负极连接，所述二极管D₃₂的正极与IGBT开关管S₃₄的一端连接；

所述二极管D₁₁的正极、二极管D₂₁的正极和二极管D₃₁的正极连接；所述IGBT开关管S₃₁的一端、二极管D₃₁的正极和所述IGBT开关管S₃₄的一端均与所述隔离开关组连接。

进一步地，所述隔离开关组包括开关K₁₁、开关K₁₂和开关K₁₃；所述直流环节包括电容C₁和电容C₂；

所述开关K₁₁的固定端与IGBT开关管S₃₁的一端连接，所述开关K₁₁的活动端与电容C₁的一端连接；所述开关K₁₂的固定端与二极管D₃₁的正极连接，所述开关K₁₂的活动端分别与电容C₁的另一端和电容C₂的一端连接；所述开关K₁₃的固定端与IGBT开关管S₃₄的一端连接，开关K₁₃的活动端与电容C₂的另一端连接。

进一步地，所述级联逆变器模块为基于IGBT功率开关管的单相二极管钳位三电平逆变器；所述级联逆变器模块包括滤波电容C₃、滤波电感L、第四桥臂和第五桥臂；

所述第四桥臂包括IGBT开关管S₄₁、IGBT开关管S₄₂、IGBT开关管S₄₃和IGBT开关管S₄₄；所述第五桥臂包括IGBT开关管S₅₁、IGBT开关管S₅₂、IGBT开关管S₅₃和IGBT开关管S₅₄；

所述滤波电容C₃的一端分别与电容C₁的一端、IGBT开关管S₄₁和IGBT开关管S₅₁的一端连接，所述滤波电容C₃的另一端通过滤波电感L分别与电容C₂、IGBT开关管S₄₄一端和IGBT开关管S₅₄的一端连接，所述IGBT开关管S₄₁的另一端依次与IGBT开关管S₄₂、IGBT开关管S₄₃和IGBT开关管S₄₄连接；所述IGBT开关管S₅₁的另一端依次与IGBT开关管S₅₂、IGBT开关管S₅₃和IGBT开关管S₅₄连接；所述IGBT开关管S₄₁的另一端还与二极管D₄₁的负极连接，所述二极管D₄₁的正极与二极管D₄₂的负极连接，所述二极管D₄₂的正极与IGBT开关管S₄₄的另一端连接；所述IGBT开关管S₅₁的另一端还与二极管D₅₁的负极连接，所述二极管D₅₁的正极与二极管D₅₂的负极连接，所述二极管D₅₂的正极与IGBT开关管S₅₄的另一端连接；

所述电容C₁的另一端、二极管D₄₁的正极和二极管D₅₁的正极相互连接，所述IGBT开关管S₅₂的另一端与所述控制电路连接，所述IGBT开关管S₅₂的另一端与多绕组变压器中第n+1个副边绕组连接的级联逆变器模块连接。

进一步地，所述控制电路包括FPGA主控制板；

所述FPGA主控制板的输入端与I/O板的输出端连接，所述FPGA主控制板的输出端与所述驱动子电路的输入端连接，所述驱动子电路的输出端与所述IGBT开关管S₄₂的另一端连接，所述I/O板的输入端通过AD采样子电路分别与电流传感器的输出端和电压传感器的输出端连接。

进一步地，所述FPGA主控制板中的主控芯片为EP3C55F484C8；所述电流传感器的型号为LA-25-NP；所述电压传感器的型号为LV-25-P。

三相-单相电力电子变换器系统中整流器故障容错方法，包括以下步骤：

S1、在每个级联逆变器模块主电路的输入侧均接入一个独立直流电源；

S2、基于多电平载波层叠调制方法，实时产生电平I；

S3、根据电平I，建立单相三电平级联逆变器的开关脉冲序列数学模型，得到各级联逆变器模块开关脉冲序列，并构建第一开关脉冲序列表；

S4、通过电压传感器采集各级联逆变器模块的直流输入侧电压，并根据直流输入侧电压对第一开关脉冲序列表进行排序；

S5、对排序后的第一开关脉冲序列表中的数据进行平滑优化处理，得到开关脉冲序列的最优解，并构建第二开关脉冲序列表；

S6、根据电平I，将对应的第二开关脉冲序列表中的开关脉冲序列分配到各个级联逆变器模块中，完成故障容错。

进一步地，所述步骤S2中的电平I的数值范围为：

I∈[I_L,I_H]

其中，I_L＝2n，I_H＝-2n，n为多绕组变压器的副边绕组个数；

所述电平I总数I_all与副边绕组个数n的关系为：

I_all＝4n+1。

进一步地，所述步骤S3中，单相三电平级联逆变器的开关脉冲序列数学模型为：

式中，SS_i为开关脉冲序列i；

module_i为当前开关脉冲序列为i的级联逆变器模块数量；

所述步骤S3中，构建第一开关脉冲序列表方法为：

根据多绕组变压器的副边绕组个数n，通过特殊值法确定各级联逆变器模块的电平，进而构建第一开关脉冲序列表。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S41、构建任意级联逆变器模块的排序函数：

modulet(V_{dc t},flag_x,rank_{mun t})

式中，modulet(·)为排序函数；

V_{dc t}为第t个级联逆变器模块的直流侧输入电压；

rank_{mun t}为第t个级联逆变器模块的直流侧电压排序序号；

flag_x为rank_{mun t}是否被交换的控制变量，flag＝[0,1]；若被交换，则为flag₀，若未被交换，则flag₁；

S42、将所有级联逆变器模块的排序函数中的flag_x均置为flag₁；

S43、判断电平I是否发生变化；

若是，则进入步骤S44；

若否，则返回步骤S42；

S44、判断序号为rank_{mun t}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t}是否大于序号为rank_{mun t+1}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t+1}；

其中，t为奇数；

若是，则进入步骤S45；

若否，则进入步骤S46；

S45、将第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t+1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t+1}互换，同时将其对应的flag₁均刷新为flag₀，进入步骤S47；

S46、保持第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t+1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t+1}及其对应的flag₁不变，并返回步骤S43；

S47、当任意两连续级联逆变器模块的flag_x均为flag₀时，判断序号为rank_{mun t}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t}是否小于序号为rank_{mun t-1}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t-1}；

若是，则进入步骤S48；

若否，则进入步骤S49；

S48、将第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t-1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t-1}互换，同时将其对应的flag₀均刷新为flag₁，进入步骤S410；

S49、保持第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t-1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t-1}及其对应的flag₀不变，进入步骤S410；

S410、按照级联逆变器模块的当前排序值，对各级联逆变器模块的直流侧电压进行排序，完成对第一开关脉冲序列表的排序。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的三相-单相电力电子变换器系统及其故障容错方法，在传统三相-单相电力电子变换器的基础上，增加了隔离开关组，降低了因三相三电平整流器故障而损坏后端设备从而造成牵引网输出失稳的风险，提高了单三相三电平级联逆变器鲁棒性，保证了牵引网的稳定输出；

(2)本发明中的故障容错方法，充分考虑了开关脉冲序列SSi的越级跳变与直流环节中直流电容放电时间不平衡的问题，最大限度地利用直流电容充放电实现了系统故障后的容错运行，增强了系统运行的可靠性，扩宽了系统容错后的稳定范围，即使出现极端恶劣的故障状态，即某一模块的三相三电平整流器因故障完全退出运行后，仍能保证系统正常稳定运行，不使故障影响到牵引网网压；

(3)本发明中的故障容错方法可根据工程容量需求对所述方法中的模块数n进行实际配置，具有较强的适用性与延展性。

附图说明

图1为本发明提供的三相-单相电力电子变换器系统结构图。

图2为本发明提供的单相三电平级联逆变器主电路示意图。

图3为本发明提供的三相-单相电力电子变换器系统的整流器故障容错示意图。

图4为本发明提供的三相-单相电力电子变换器系统的整流器故障容错方法流程图。

图5为本发明提供的电平信号产生示意图。

图6为本发明提供的对第一开关脉冲序列排序方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明在三相三电平整流器故障导致后端各模块的直流环节输入功率不平衡时，通过利用单相三电平级联逆变器中的冗余矢量，以增加非故障模块最高(低)电平合成时间，保证三相-单相电力电子变换器系统的稳定性与牵引网的持续稳定输出。

实施例1：

如图1为一种贯通式同相供电系统中单个牵引变电所拓扑结构图，由于本发明通过调配后端单相三电平级联逆变器模块的开关脉冲序列以实现故障容错，因此本发明第二种技术方案主要研究后端单相三电平级联逆变器拓扑；其包括多绕组变压器、三相三电平整流器、隔离开关组、直流环节、级联逆变器模块和控制电路；所有级联逆变器模块级联形成单相三电平级联逆变器。

多绕组变压器的原边绕组与三相电网连接；多绕组变压器配置有n个副边绕组，且每个副边绕组均依次连接一个三相三电平整流器、隔离开关组、直流环节、级联逆变器模块和控制电路。

具体地，本发明实施例中的三相三电平整流器为基于IGBT功率开关管的三相三电平整流器；

三相三电平整流器包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；第一桥臂包括4个IGBT开关管S₁₁、IGBT开关管S₁₂、IGBT开关管S₁₃和IGBT开关管S₁₄；第二桥臂包括4个IGBT开关管S₂₁、IGBT开关管S₂₂、IGBT开关管S₂₃和IGBT开关管S₂₄；第三桥臂包括4个IGBT开关管S₃₁、IGBT开关管S₃₂、IGBT开关管S₃₃和IGBT开关管S₃₄；

IGBT开关管S₁₁的一端与IGBT开关管S₁₂的一端连接，IGBT开关管S₁₁的另一端分别与IGBT开关管S₂₁的一端和IGBT开关管S₃₁的一端连接，IGBT开关管S₁₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第一输出端和IGBT开关管S₁₃的一端连接，IGBT开关管S₁₃的另一端与IGBT开关管S₁₄的一端连接，IGBT开关管S₁₄的另一端分别与IGBT开关管S₂₄的一端和IGBT开关管S₃₄的一端连接；IGBT开关管S₂₁的另一端与IGBT开关管S₂₂的一端连接，IGBT开关管S₂₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第二输出端和IGBT开关管S₂₃的一端连接，IGBT开关管S₂₃的另一端与IGBT开关管S₂₄的另一端连接；IGBT开关管S₃₁的另一端与IGBT开关管S₃₂的一端连接，IGBT开关管S₃₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第三输出端和IGBT开关管S₃₃的一端连接，IGBT开关管S₃₃的另一端与IGBT开关管S₃₄的另一端连接；IGBT开关管S₁₂的另一端与二极管D₁₁的负极连接，二极管D₁₁的正极与二极管D₁₂的负极连接，二极管D₁₂的正极与IGBT开关管S₁₄的一端连接；

IGBT开关管S₂₂的另一端与二极管D₂₁的负极连接，二极管D₂₁的正极与二极管D₂₂的负极连接，二极管D₂₂的正极与IGBT开关管S₂₄的一端连接；IGBT开关管S₃₂的另一端与二极管D₃₁的负极连接，二极管D₃₁的正极与二极管D₃₂的负极连接，二极管D₃₂的正极与IGBT开关管S₃₄的一端连接；二极管D₁₁的正极、二极管D₂₁的正极和二极管D₃₁的正极连接；IGBT开关管S₃₁的一端、二极管D₃₁的正极和IGBT开关管S₃₄的一端均与隔离开关组连接。

需要说明的是，三相三电平整流器包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂对应的载波相位依次相差2π/3，且每个与多绕组变压器副边绕组连接的三相三电平整流器的各输入端口与输出端口相互独立，互不影响。

本发明实施例中的隔离开关组包括开关K₁₁、开关K₁₂和开关K₁₃；直流环节包括电容C₁和电容C₂；开关K₁₁的固定端与IGBT开关管S₃₁的一端连接，开关K₁₁的活动端与电容C₁的一端连接；开关K₁₂的固定端与二极管D₃₁的正极连接，开关K₁₂的活动端分别与电容C₁的另一端和电容C₂的一端连接；开关K₁₃的固定端与IGBT开关管S₃₄的一端连接，开关K₁₃的活动端与电容C₂的另一端连接。

当三相三电平整流器正常运行时，隔离开关组处于闭合状态，三相三电平整流器处于投放状态，当三相三电平整流器出现故障时，快速断开隔离开关组，三相三电平整流器的故障影响不到后端设备，且各个隔离开关组的输入端口和输出端口相互独立。

本发明实施例中的级联逆变器模块为基于IGBT功率开关管的单相二极管钳位三电平逆变器；级联逆变器模块包括滤波电容C₃、滤波电感L、第四桥臂和第五桥臂；第四桥臂包括IGBT开关管S₄₁、IGBT开关管S₄₂、IGBT开关管S₄₃和IGBT开关管S₄₄；第五桥臂包括IGBT开关管S₅₁、IGBT开关管S₅₂、IGBT开关管S₅₃和IGBT开关管S₅₄；

滤波电容C₃的一端分别与电容C₁的一端、IGBT开关管S₄₁和IGBT开关管S₅₁的一端连接，滤波电容C₃的另一端通过滤波电感L分别与电容C₂、IGBT开关管S₄₄一端和IGBT开关管S₅₄的一端连接，IGBT开关管S₄₁的另一端依次与IGBT开关管S₄₂、IGBT开关管S₄₃和IGBT开关管S₄₄连接，IGBT开关管S₅₁的另一端依次与IGBT开关管S₅₂、IGBT开关管S₅₃和IGBT开关管S₅₄连接；IGBT开关管S₄₁的另一端还与二极管D₄₁的负极连接，二极管D₄₁的正极与二极管D₄₂的负极连接，二极管D₄₂的正极与IGBT开关管S₄₄的另一端连接；IGBT开关管S₅₁的另一端还与二极管D₅₁的负极连接，二极管D₅₁的正极与二极管D₅₂的负极连接，二极管D₅₂的正极与IGBT开关管S₅₄的另一端连接；电容C₁的另一端、二极管D₄₁的正极和二极管D₅₁的正极相互连接，IGBT开关管S₅₂的另一端与控制电路连接，IGBT开关管S₅₂的另一端与多绕组变压器中第n+1个副边绕组连接的级联逆变器模块连接。

其中，第四桥臂和第五桥臂对应的载波相位相差π，每个级联逆变器模块交流输出侧相互级联后与牵引网相连。

本发明实施例中的控制电路包括FPGA主控制板；FPGA主控制板的输入端与I/O板的输出端连接，FPGA主控制板的输出端与驱动子电路的输入端连接，驱动子电路的输出端与IGBT开关管S₄₂的另一端连接，I/O板的输入端通过AD采样子电路分别与电流传感器的输出端和电压传感器的输出端连接。

其中，FPGA主控制板中的主控芯片为EP3C55F484C8；电流传感器的型号为LV-25-NP；电压传感器的型号为LV-25-P。

实施例2：

本发明实施例提供了上述实施例1中变换器系统中三相三电平整流器故障容错方法，如图2所示，其涉及的结构包括独立的直流电源、直流环节、级联逆变器模块主电路以及控制电路；每个级联逆变器模块的输入侧均接入一个独立的直流电源，以模拟前端三相三电平整流器，每个独立输入直流电源与单相三电平级联逆变器之间串联接入隔离开关组K_i(第i模块)，以模拟隔离开关组，防止三相三电平整流器的故障影响到后端设备。

如图3所示为本发明提供的整流器故障容错方法示意图，当某一模块的三相三电平整流器出现故障时，控制电路将采集该故障特征量，生成调制波u_M输出到电平产生器，再将电平数I与子模块数n输出至故障容错系统。

如图4所示，本发明实施例中的整流器故障容错方法，具体包括以下步骤：

S1、在每个级联逆变器模块主电路的输入侧均接入一个独立直流电源；

S2、基于多电平载波层叠调制方法，实时产生电平I；

S3、根据电平I，建立单相三电平级联逆变器的开关脉冲序列数学模型，得到各级联逆变器模块开关脉冲序列，并构建第一开关脉冲序列表；

S4、通过电压传感器采集各级联逆变器模块的直流输入侧电压，并根据直流输入侧电压对第一开关脉冲序列表进行排序；

S5、对排序后的第一开关脉冲序列表中的数据进行平滑优化处理，得到开关脉冲序列的最优解，并构建第二开关脉冲序列表；

S6、根据电平I，将对应的第二开关脉冲序列表中的开关脉冲序列分配到各个级联逆变器模块中，完成故障容错。

在上述步骤S1中，独立直流电源接入单相三电平级联逆变器各个子模块输入侧，以模拟直流环节；由于单相三电平级联逆变器中三相三电平整流器故障后将发生直流电压的不平衡，因此可用独立直流电源模拟前端直流环节；每个独立输入直流电源前串联接入开关，以模拟直流环节隔离开关组，防止直流环节的故障影响到后端牵引网。

在上述步骤S2中的电平I的数值范围为：

I∈[I_L,I_H]

其中，I_L＝2n，I_H＝-2n，n为多绕组变压器的副边绕组个数；

电平I总数I_all与副边绕组个数n的关系为：

I_all＝4n+1。

其中，n＝3的载波层叠算如图5所示；

步骤S3中，以级联逆变器模块的数量为3为例，建立单相三电平级联逆变器的开关脉冲数学模型为：

定义在所有级联逆变器模块中存在唯一的“特殊模块”，有且仅有该特殊模型被允许产生任意i的开关脉冲序列，其余模块仅产生+2电平或-2电平，同时假设该特殊模块产生的脉冲序列为SS_i(SS_i＝±2或±1或0)，则级联逆变器模块的开关脉冲序列数学模型为：

式中，SS_i为开关脉冲序列i；

module_i为当前开关脉冲序列为i的级联逆变器模块数量；

以级联逆变器模块数量为3示例，将式(2)进行移相整理，得到module₂与module_-2的表达式为：

构建第一开关脉冲序列表方法为：

根据多绕组变压器的副边绕组个数n，通过特殊值法确定各级联逆变器模块的电平，进而构建第一开关脉冲序列表；

以n＝3的级联逆变器模块为例，第一开关脉冲序列表如表1所示：

表1：第一开关脉冲序列表

表中rank_num表示各子模块直流侧电压排序序号，排序序号越大表示该子模块直流侧电压值越大，直流侧电压排序关系为rank_1st>rank_2nd>rank_3th；

如图6所示，上述步骤S4具体为：

S41、构建任意级联逆变器模块的排序函数：

modulet(V_{dc t},flag_x,rank_{mun t})

式中，modulet(·)为排序函数；

V_{dc t}为第t个级联逆变器模块的直流侧输入电压；

rank_{mun t}为第t个级联逆变器模块的直流侧电压排序序号；

flag_x为rank_{mun t}是否被交换的控制变量，flag＝[0,1]；若被交换，则为flag₀，若未被交换，则flag₁；

S42、将所有级联逆变器模块的排序函数中的flag_x均置为flag₁；

S43、判断电平I是否发生变化；

若是，则进入步骤S44；

若否，则返回步骤S42；

S44、判断序号为rank_{mun t}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t}是否大于序号为rank_{mun t+1}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t+1}；

其中，t为奇数；

若是，则进入步骤S45；

若否，则进入步骤S46；

S45、将第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t+1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t+1}互换，同时将其对应的flag₁均刷新为flag₀，进入步骤S47；

S46、保持第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t+1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t+1}及其对应的flag₁不变，并返回步骤S43；

S47、当任意两连续级联逆变器模块的flag_x均为flag₀时，判断序号为rank_{mun t}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t}是否小于序号为rank_{mun t-1}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t-1}；

若是，则进入步骤S48；

若否，则进入步骤S49；

S48、将第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t-1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t-1}互换，同时将其对应的flag₀均刷新为flag₁，进入步骤S410；

S49、保持第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t-1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t-1}及其对应的flag₀不变，进入步骤S410；

S410、按照级联逆变器模块的当前排序值，对各级联逆变器模块的直流侧电压进行排序，完成对第一开关脉冲序列表的排序。

上述步骤S5中，将排序后的第一开关脉冲序列表中的rank_1st与rank_3th中的电容充电电平与电容放电电平进行平衡处理，得到开关脉冲序列的最优解并建立第二开关脉冲序列；以n＝3为例，得到第二开关脉冲序列如表2所示：

表2 经排序算法优化后各模块开关脉冲序列

其中，子模块直流侧电压关系为rank_1st>rank_2nd>rank_3th。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的三相-单相电力电子变换器系统及其故障容错方法，在传统三相-单相电力电子变换器的基础上，增加了隔离开关组，降低了因三相三电平整流器故障而损坏后端设备从而造成牵引网输出失稳的风险，提高了单三相三电平级联逆变器鲁棒性，保证了牵引网的稳定输出；

(2)本发明中的故障容错方法，充分考虑了开关脉冲序列SSi的越级跳变与直流环节中直流电容充放电时间不平衡的问题，最大限度地利用直流电容充放电实现了系统故障后的容错运行，增强了系统运行的可靠性，扩宽了系统容错后的稳定范围，即使出现极端恶劣的故障状态，即某一模块的三相三电平整流器因故障完全退出运行后，仍能保证系统正常稳定运行，不使故障影响到牵引网网压；

(3)本发明中的故障容错方法可根据工程容量需求对方法中的模块数n进行实际配置，具有较强的适用性与延展性。

Claims (4)

1.三相-单相电力电子变换器系统中整流器故障容错方法，其特征在于，其中，三相-单相电力电子变换器系统包括多绕组变压器、三相三电平整流器、隔离开关组、直流环节、级联逆变器模块和控制电路；

所述多绕组变压器的原边绕组与三相电网连接；所述多绕组变压器配置有n个副边绕组，且每个副边绕组均依次连接一个三相三电平整流器、隔离开关组、直流环节、级联逆变器模块和控制电路；

所述三相三电平整流器为基于IGBT功率开关管的三相三电平整流器；

所述三相三电平整流器包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；

所述第一桥臂包括4个IGBT开关管S₁₁、IGBT开关管S₁₂、IGBT开关管S₁₃和IGBT开关管S₁₄；所述第二桥臂包括4个IGBT开关管S₂₁、IGBT开关管S₂₂、IGBT开关管S₂₃和IGBT开关管S₂₄；所述第三桥臂包括4个IGBT开关管S₃₁、IGBT开关管S₃₂、IGBT开关管S₃₃和IGBT开关管S₃₄；

所述IGBT开关管S₁₁的一端与IGBT开关管S₁₂的一端连接，IGBT开关管S₁₁的另一端分别与IGBT开关管S₂₁的一端和IGBT开关管S₃₁的一端连接，所述IGBT开关管S₁₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第一输出端和IGBT开关管S₁₃的一端连接，所述IGBT开关管S₁₃的另一端与IGBT开关管S₁₄的一端连接，所述IGBT开关管S₁₄的另一端分别与IGBT开关管S₂₄的一端和IGBT开关管S₃₄的一端连接；所述IGBT开关管S₂₁的另一端与IGBT开关管S₂₂的一端连接，所述IGBT开关管S₂₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第二输出端和IGBT开关管S₂₃的一端连接，所述IGBT开关管S₂₃的另一端与IGBT开关管S₂₄的另一端连接；所述IGBT开关管S₃₁的另一端与IGBT开关管S₃₂的一端连接，所述IGBT开关管S₃₂的另一端分别与多绕组变压器第n个副边绕组的第三输出端和IGBT开关管S₃₃的一端连接，所述IGBT开关管S₃₃的另一端与IGBT开关管S₃₄的另一端连接；

所述IGBT开关管S₁₂的一端与二极管D₁₁的负极连接，所述二极管D₁₁的正极与二极管D₁₂的负极连接，所述二极管D₁₂的正极与IGBT开关管S₁₄的一端连接；所述IGBT开关管S₂₂的一端与二极管D₂₁的负极连接，所述二极管D₂₁的正极与二极管D₂₂的负极连接，所述二极管D₂₂的正极与IGBT开关管S₂₄的一端连接；所述IGBT开关管S₃₂的一端与二极管D₃₁的负极连接，所述二极管D₃₁的正极与二极管D₃₂的负极连接，所述二极管D₃₂的正极与IGBT开关管S₃₄的一端连接；

所述二极管D₁₁的正极、二极管D₂₁的正极和二极管D₃₁的正极连接；所述IGBT开关管S₃₁的一端、二极管D₃₁的正极和所述IGBT开关管S₃₄的另一端均与所述隔离开关组连接；

所述隔离开关组包括开关K₁₁、开关K₁₂和开关K₁₃；所述直流环节包括电容C₁和电容C₂；

所述开关K₁₁的固定端与IGBT开关管S₃₁的一端连接，所述开关K₁₁的活动端与电容C₁的一端连接；所述开关K₁₂的固定端与二极管D₃₁的正极连接，所述开关K₁₂的活动端分别与电容C₁的另一端和电容C₂的一端连接；所述开关K₁₃的固定端与IGBT开关管S₃₄的另一端连接，开关K₁₃的活动端与电容C₂的另一端连接；

所述级联逆变器模块为基于IGBT功率开关管的单相二极管钳位三电平逆变器；所述级联逆变器模块包括滤波电容C₃、滤波电感L、第四桥臂和第五桥臂；

所述第四桥臂包括IGBT开关管S₄₁、IGBT开关管S₄₂、IGBT开关管S₄₃和IGBT开关管S₄₄；所述第五桥臂包括IGBT开关管S₅₁、IGBT开关管S₅₂、IGBT开关管S₅₃和IGBT开关管S₅₄；

所述滤波电容C₃的一端分别与电容C₁的一端、IGBT开关管S₄₁和IGBT开关管S₅₁的一端连接，所述滤波电容C₃的另一端通过滤波电感L分别与电容C₂、IGBT开关管S₄₄一端和IGBT开关管S₅₄的一端连接，所述IGBT开关管S₄₁的另一端依次与IGBT开关管S₄₂、IGBT开关管S₄₃和IGBT开关管S₄₄连接；所述IGBT开关管S₅₁的另一端依次与IGBT开关管S₅₂、IGBT开关管S₅₃和IGBT开关管S₅₄连接；所述IGBT开关管S₄₁的另一端还与二极管D₄₁的负极连接，所述二极管D₄₁的正极与二极管D₄₂的负极连接，所述二极管D₄₂的正极与IGBT开关管S₄₄的另一端连接；所述IGBT开关管S₅₁的另一端还与二极管D₅₁的负极连接，所述二极管D₅₁的正极与二极管D₅₂的负极连接，所述二极管D₅₂的正极与IGBT开关管S₅₄的另一端连接；

所述电容C₁的另一端、二极管D₄₁的正极和二极管D₅₁的正极相互连接，所述IGBT开关管S₅₂的另一端与所述控制电路连接，所述IGBT开关管S₅₂的另一端与多绕组变压器中第n+1个副边绕组连接的级联逆变器模块连接；

所述控制电路包括FPGA主控制板；

所述FPGA主控制板的输入端与I/O板的输出端连接，所述FPGA主控制板的输出端与驱动子电路的输入端连接，所述驱动子电路的输出端与所述IGBT开关管S₄₂的另一端连接，所述I/O板的输入端通过AD采样子电路分别与电流传感器的输出端和电压传感器的输出端连接；

所述FPGA主控制板中的主控芯片为EP3C55F484C8；所述电流传感器的型号为LA-25-NP；所述电压传感器的型号为LV-25-P；

整流器故障容错方法包括以下步骤：

S1、在每个级联逆变器模块主电路的输入侧均接入一个独立直流电源；

S2、基于多电平载波层叠调制方法，实时产生电平I；

S3、根据电平I，建立单相三电平级联逆变器的开关脉冲序列数学模型，得到各级联逆变器模块开关脉冲序列，并构建第一开关脉冲序列表；

S4、通过电压传感器采集各级联逆变器模块的直流输入侧电压，并根据直流输入侧电压对第一开关脉冲序列表进行排序；

S5、对排序后的第一开关脉冲序列表中的数据进行平滑优化处理，得到开关脉冲序列的最优解，并构建第二开关脉冲序列表；

S6、根据电平I，将对应的第二开关脉冲序列表中的开关脉冲序列分配到各个级联逆变器模块中，完成故障容错。

2.根据权利要求1所述的三相-单相电力电子变换器系统中整流器故障容错方法，其特征在于，所述步骤S2中的电平I的数值范围为：

I∈[I_L,I_H]

其中，I_L＝2n，I_H＝-2n，n为多绕组变压器的副边绕组个数；

所述电平I总数I_all与副边绕组个数n的关系为：

I_all＝4n+1。

3.根据权利要求1所述的三相-单相电力电子变换器系统中整流器故障容错方法，其特征在于，所述步骤S3中，单相三电平级联逆变器的开关脉冲序列数学模型为：

式中，SS_i为开关脉冲序列i；

module_i为当前开关脉冲序列为i的级联逆变器模块数量；

所述步骤S3中，构建第一开关脉冲序列表方法为：

根据多绕组变压器的副边绕组个数n，通过特殊值法确定各级联逆变器模块的电平，进而构建第一开关脉冲序列表。

4.根据权利要求3所述的三相-单相电力电子变换器系统的整流器故障容错方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

S41、构建任意级联逆变器模块的排序函数：

modulet(V_{dc t},flag_x,rank_{mun t})

式中，modulet( )为排序函数；

V_{dc t}为第t个级联逆变器模块的直流侧输入电压；

rank_{mun t}为第t个级联逆变器模块的直流侧电压排序序号；

flag_x为rank_{mun t}是否被交换的控制变量，flag＝[0,1]；若被交换，则为flag₀，若未被交换，则flag₁；

S42、将所有级联逆变器模块的排序函数中的flag_x均置为flag₁；

S43、判断电平I是否发生变化；

若是，则进入步骤S44；

若否，则返回步骤S42；

S44、判断序号为rank_{mun t}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t}是否大于序号为rank_{mun t+1}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t+1}；

其中，t为奇数；

若是，则进入步骤S45；

若否，则进入步骤S46；

S45、将第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t+1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t+1}互换，同时将其对应的flag₁均刷新为flag₀，进入步骤S47；

S46、保持第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t+1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t+1}及其对应的flag₁不变，并返回步骤S43；

S47、当任意两连续级联逆变器模块的flag_x均为flag₀时，判断序号为rank_{mun t}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t}是否小于序号为rank_{mun t-1}的级联逆变器模块对应的直流侧输入电压V_{dc t-1}；

若是，则进入步骤S48；

若否，则进入步骤S49；

S48、将第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t-1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t-1}互换，同时将其对应的flag₀均刷新为flag₁，进入步骤S410；

S49、保持第t个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t}与第t-1个级联逆变器模块的排序值rank_{mun t-1}及其对应的flag₀不变，进入步骤S410；

S410、按照级联逆变器模块的当前排序值，对各级联逆变器模块的直流侧电压进行排序，完成对第一开关脉冲序列表的排序。