CN112152497A - 一种级联型五电平逆变器的容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露一种级联型五电平逆变器的容错控制方法。其包括增加开关支路和相电压重构。增加开关支路后的基本模块包括：第一H桥模块和第二H桥模块，第一H桥模块包含4个IGBT开关管，2个单刀双掷开关，1个隔离开关。第二H桥也包含4个IGBT开关，2个单刀双掷开关，1个隔离开关。两个H桥电源之间包含1个继电器开关。H桥故障后，增加的开关支路隔离对应故障桥并将其健康电源串联至健康桥。在隔离故障桥后对相参考电压进行重构，完成容错控制。本发明可以用于高压大功率，无法进行降电压容错的场合，可以在保持电压峰值不变的情况下进行降电平容错，具有工程应用价值。

Description

一种级联型五电平逆变器的容错控制方法
技术领域
本发明属于级联型逆变器容错控制技术，具体涉及一种级联型五电平逆变器的容错控制方法。
背景技术
近年来，工业生产，交通运输等领域对中高压大功率器件的需求愈发强烈，而多电平逆变器以其开关损耗较小，输出电能质量较高，应力低等特点在工业应用等领域受到了广泛关注。因为级联型逆变器是由具有独立直流电源的H桥作为基本功率单元级联而成的，不存在直流电容分压的均压问题，所以在工业中受到了广泛的应用。
但是在实际的工业操作中，级联型逆变器中大量的H桥会增加其所包含开关器件发生故障的概率，据统计显示，在逆变器供电系统的故障中，开关器件的故障高达83％。当级联型逆变器被广泛应用于各类工业工程中时，一旦发生故障，就会造成工厂停产，更严重还会造成灾难性事故，给企业甚至整个社会带来难以估计的损失。因此，在工业操作中逆变器的容错控制必不可少。在目前现有的逆变器容错控制方法中，主要通过隔离整个故障H桥来进行容错控制，如下附图1 所示，当某一H桥发生故障后，隔离开关Si,(i＝1,2)将整个故障H桥隔离进行容错操作[1]，但这种容错控制方法对故障桥的健康电源利用率较低，并且不适用于对容错后满载运行要求严格的应用中。
发明内容
针对上述所提到的问题，本发明创新型的提供一种针对级联型五电平逆变器的容错控制方法，利用PWM波形重构算法，实现切除故障桥后保持总参考电压峰值不变的容错控制。本发明最重要的部分是可以在级联型五电平逆变器的基础结构上增加开关支路，发生故障后可以对故障桥进行隔离并保留故障桥健康电源，以及对逆变器相参考电压进行重构：
1.级联型五电平逆变器由第一H桥模块和第二H桥模块串联而成，第一H桥模块为4个编号为H1S1、H1S2、H1S3、H1S4的IGBT 开关管H桥式连接组成，第二H桥模块为4个编号为H2S1、 H2S2、H2S3、H2S4的IGBT开关管H桥式连接组成，在级联型五电平逆变器上增加开关支路，在第一H桥模块的电源两端增加 2个编号为R1,R2的单刀双掷开关，在输出端增加1个编号为G1 的隔离开关；在第二H桥模块的电源两端增加2个编号为R'1,,, R'2的单刀双掷开关，在输出端增加1个编号为G2的隔离开关；在两个H桥电源之间增加1个编号为R3的继电器开关。上述的级联H桥型五电平逆变器，各基本模块采用相同的母线直流电压。基本模块中的开关管采用通态压降小，耐压高的IGBT器件。
2.级联H桥型逆变器中的开关模块分为故障隔离开关Gi和串电压开关R1,R2,R'1,,R'2,R3。当第一H桥模块发生故障时，G1,R1, R2,R3同时闭合，隔离第一H桥模块并将其健康电源串联至第二 H桥模块，进行容错操作；当第二H桥模块发生故障时，G2,R'1, R'2,R3同时闭合，隔离第二H桥模块并将其健康电源串联至第一H桥模块，进行容错操作。在容错过程中，逆变器H桥中与x 轴上方的三角载波进行比较的参考电压urefi+由总相参考电压urefi和故障信号矩阵A(i)相加得到；逆变器H桥中与x轴下方的三角载波进行比较的参考电压urefi-由总相参考电压urefi和故障信号矩阵A(i)相减得到：
Figure BDA0002716218780000021
其中，urefi为总相参考电压；A(i)为故障信号矩阵，由第i个H 桥的故障信号λi组成：,
Figure BDA0002716218780000022
其中，当第i个H桥故障时，其故障信号λi＝1；反之，则λi＝0。
3.本发明主要解决级联型五电平逆变器在容错控制中遇到的以下问题：
1)硬件冗余容错产生的过高的生产成本
2)硬件冗余容错导致控制器发生故障概率的增加
3)故障桥内健康电源利用率低
优点和效果
本发明有以下优点：
1.本发明未采用冗余电路的方法来进行故障隔离及容错控制，不存在容错过程中因为电路结构复杂而引起的故障率增加问题。
2.本发明采用切除整个故障桥的方法使发生开路故障的开关管所在桥臂两端电压为0，容错过程中不存在安全隐患。
3.本发明将故障桥的直流电源保留并串联至健康桥，使得电路可以保持参考电压峰值不变，降电平运行。这样提高了故障桥健康电源的利用率，也使得本发明更适用于对容错后满载运行要求严格的应用。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1传统逆变器容错控制方法的容错拓扑图[1]
图2,本发明一种针对级联型五电平逆变器的容错控制方法的级联H桥型五电平逆变器的单相主电路容错结构图
图3,本发明一种针对级联型五电平逆变器的容错控制方法的单相级联H桥型五电平逆变器容错控制流程图
图4,本发明一种针对级联型五电平逆变器的容错控制方法的级联H桥型五电平逆变器单相电压的容错波形仿真
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐释本发明。
该容错控制的工作原理主要是在提出的级联型五电平逆变器的容错结构上对级联型五电平逆变的驱动PD-SPWM进行重构以实现隔离相关H桥并保证输出电压峰值不变的情况下输出正弦电压波形。
下面主要介绍本发明提出的基于级联型五点评逆变器PD- SPWM调制的级联型五电平逆变器容错控制方法，主要包括模型构建、故障诊断和容错控制及仿真验证阶段。具体的步骤如下：
1.模型构建
采用MATLAB/Simulink搭建一个单相级联H桥五电平逆变容错系统模型，结构图如图2所示，其基本模块由第一H桥模块和第二H桥模块串联而成，第一H桥模块包含4个编号为H1S1、 H1S2、H1S3、H1S4的IGBT开关管，2个编号为R1,R2的单刀双掷开关，1个编号为G1的隔离开关。第二H桥模块包含4个编号为H2S1、H2S2、H2S3、H2S4的IGBT开关管，2个编号为R'1,,R'2的单刀双掷开关，1个编号为G2的隔离开关。两个H桥电源之间包含1个编号为R3的继电器开关。
本模型利用PD-SPWM进行调制，调制波频率为50Hz，载波频率为3kHz，采样频率为50kHz。然后针对任一H桥内单个或多个IGBT制造开路故障，观察容错效果。
2.故障诊断和容错控制
当图2模型中某一H桥出现单个或多个IGBT故障时，故障诊断系统驱动相应的故障隔离开关，促使系统执行容错控制操作。当某一相H桥上的开关管发生开路故障，如图3容错控制流程图所示，该H桥上的隔离开关Gi动作，将H桥隔离开。如果某一相的H1桥故障，G1,R1,R2,R3同时闭合，G1闭合使H1桥被隔离，H1桥所对应的单刀双掷开关R1,,R2分别闭合于R12和R21， R3闭合，使得H1桥上的直流电源E1串联至H2桥，此相以参考电压峰值降电平运行，实现容错；如果某一相的H2桥故障，G2, R'1,R'2,R3同时闭合，G2闭合使H2桥被隔离，H2桥所对应的单刀双掷开关R'1,R'2分别闭合于R'12和R'21，R3闭合，使得H2 桥上的直流电源E2串联至H1桥，此相以参考电压峰值降电平运行，实现容错。
在容错过程中，，逆变器H桥中与x轴上方的三角载波进行比较的参考电压urefi+由总相参考电压urefi和故障信号矩阵 A(i)相加得到；逆变器H桥中与x轴下方的三角载波进行比较的参考电压urefi-由总相参考电压urefi和故障信号矩阵A(i)相减得到：
Figure BDA0002716218780000051
其中，urefi为相参考电压；A(i)为故障信号矩阵，由第i个H桥的故障信号λi组成：,
Figure BDA0002716218780000052
其中，当第i个H桥故障时，其故障信号λi＝1；反之，则λi＝0。
3.容错仿真验证
根据故障诊断结果进行相应的容错控制，其容错前后输出电压波形对比图如图4所示。在图3中，0至0.2s为正常工作状态， 0.2至0.3s为故障状态，0.3至0.6s为容错后状态。通过容错前后输出电压波形的对比可看出，在容错方法实施后输出正弦电压波形。虽然在故障发生后隔离了故障桥，但是保留了故障桥的直流电源，容错后电压等级降低，但是保持了电压峰值不变，提高了故障桥内电源的利用率。
本发明主要是基于每一相H桥之间的功能承接，将本来应该由故障桥承担的直流电压串联利用一系列开关动作串联至健康桥，再进行相参考电压幅值和相位重构之后，使得剩余健康桥可以在总参考电压峰值不变的情况下降电平继续运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
参考文献 [1]耿超,王天真,韩金刚,刘卓,秦海洋.,多电平逆变器的参考电压信号重构的容错控制方法[P].,上海：CN105811794A,2016-07-27。

Claims (1)

1.一种级联型五电平逆变器的容错控制方法，所述级联型五电平逆变器由第一H桥模块和第二H桥模块串联而成，第一H桥模块为4个编号为H1S1、H1S2、H1S3、H1S4的IGBT开关管H桥式连接组成，第二H桥模块为4个编号为H2S1、H2S2、H2S3、H2S4的IGBT开关管H桥式连接组成；级联型五电平逆变器采用PD-SPWM进行调制，其特征在于，所述级联型五电平逆变器的容错控制方法包括在级联型五电平逆变器基本模块上增加开关支路和容错过程中对逆变器相参考电压进行重构：
在级联型五电平逆变器上增加开关支路：在第一H桥模块的电源两端增加2个编号为R1,R2的单刀双掷开关，在输出端增加1个编号为G1的隔离开关；在第二H桥模块的电源两端增加2个编号为R'1,R'2的单刀双掷开关，在输出端增加1个编号为G2的隔离开关；在两个H桥电源之间增加1个编号为R3的继电器开关；单刀双掷开关和隔离开关的特征在于针对不同H桥故障，当第一H桥模块发生故障时，G1,R1,R2,R3同时闭合，隔离故障H桥并将其健康电源串联至第二H桥模块，进行容错操作；当第二H桥模块发生故障时，G2,R'1,R'2,R3同时闭合，隔离故障H桥并将其健康电源串联至第一H桥模块，进行容错操作；
其在容错过程中，逆变器H桥中与x轴上方的三角载波进行比较的参考电压urefi+由总相参考电压urefi和故障信号矩阵A(i)相加得到；逆变器H桥中与x轴下方的三角载波进行比较的参考电压urefi-由总相参考电压urefi和故障信号矩阵A(i)相减得到：
Figure FDA0002716218770000011
其中，urefi为总相参考电压；A(i)为故障信号矩阵，由第i个H桥的故障信号λi组成：
Figure FDA0002716218770000012
其中，当第i个H桥故障时，其故障信号λi＝1；反之，则λi＝0。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2010013322A1 (ja) * 2008-07-30 2012-01-05 東芝三菱電機産業システム株式会社 電力変換装置
CN105811794A (zh) * 2016-05-06 2016-07-27 上海海事大学 多电平逆变器的参考电压信号重构的容错控制方法
CN108963980A (zh) * 2018-04-26 2018-12-07 上海海事大学 一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2010013322A1 (ja) * 2008-07-30 2012-01-05 東芝三菱電機産業システム株式会社 電力変換装置
CN105811794A (zh) * 2016-05-06 2016-07-27 上海海事大学 多电平逆变器的参考电压信号重构的容错控制方法
CN108963980A (zh) * 2018-04-26 2018-12-07 上海海事大学 一种基于故障隔离库的多模态故障隔离方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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刘卓等: "一种多电平逆变器故障诊断与容错控制策略", 《山东大学学报(工学版)》 *

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