CN113595369B - 共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法 - Google Patents

共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，适用于双三电平逆变器系统桥臂故障容错。共直流母线双三电平逆变器包括双三电平逆变器以及六个双向晶闸管，六个双向晶闸管分别与共直流母线的双三电平逆变器的六个桥臂直流侧中点连接，当双三电平逆变器中某桥臂故障时，通过导通相应桥臂连接的双向晶闸管即可进行拓扑重构，在零共模电压矢量调制策略的基础上，将一侧三电平逆变器通过拓扑重构变为三相八开关拓扑，通过将容错后剩余的各扇区零共模电压矢量的作用时间确认确定各零共模电压矢量的作用顺序，从而成脉冲序列的输出，实现共直流母线双三电平逆变器任意桥臂故障容错，同时系统零序电压为零。其方法简单，具有广泛的适用性。

Description

共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法
技术领域
本发明涉及一种共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，适用于双三电平逆变器系统桥臂故障容错。
背景技术
多电平逆变器系统由于输出电平数多，所以系统输出电压、电流波形更加接近于正弦波，电流谐波含量低，电力电子器件开关应力小，被广泛应用在电机调速、光伏发电等领域。共直流母线双三电平逆变器系统作为实现五电平的一种重要手段，目前被广泛研究。但是共直流母线双三电平逆变器系统由于开关器件太多，所以共直流母线双三电平逆变器系统可靠性低。但是开关器件多的优点是容错更加方便，而且共直流母线双三电平逆变器系统是由两套三电平NPC逆变器级联形成，具有冗余特性，所以共直流母线双三电平逆变器系统的容错控制策略也是研究的热点之一。
现有的技术之中，有的文献提出利用在系统中增加冗余桥臂的方式，当双逆变器系统故障时，将冗余桥臂接入系统实现容错控制。该方法是最简单的容错控制方法，但是增加冗余桥臂意味着系统成本和体积的增加，不利于实际生产。有的文献提出当共直流母线双三电平逆变器系统中某桥臂发生故障时，通过断开故障桥臂所在的逆变器，然后改变调制策略，使共直流母线双三电平逆变器系统变为普通三电平NPC系统实现容错控制。但是该方法的容错电路复杂，需要控制多路的断路器及开关器件。有的文献提出将故障桥臂所在的相切除，然后改变调制策略，将正常两相的相电流幅值变为原先的
Figure BDA0003172721610000011
倍实现容错控制。但是该方法需要使正常两相的开关器件承受大于其额定的电流幅值，不利于系统可靠性。
发明内容
技术问题：针对现有技术的不足之处，提供一种共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，提供一种简单有效的桥臂故障容错方法，通过选用零共模电压矢量调制策略，实现故障容错的同时系统共模电压消除。
技术方案：本发明的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，共直流母线双三电平逆变器包括双三电平逆变器以及六个双向晶闸管：双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3、双向晶闸管TR4、双向晶闸管TR5、双向晶闸管TR6，六个双向晶闸管分别与共直流母线的双三电平逆变器的六个桥臂直流侧中点连接，当双三电平逆变器中某桥臂故障时，通过导通相应桥臂连接的双向晶闸管即可进行拓扑重构，在零共模电压矢量调制策略的基础上，将一侧三电平逆变器通过拓扑重构变为三相八开关拓扑，通过将容错后剩余的各扇区零共模电压矢量的作用时间确认确定各零共模电压矢量的作用顺序，从而成脉冲序列的输出，实现共直流母线双三电平逆变器任意桥臂故障容错，同时系统零序电压为零。
使用的共直流母线双三电平逆变器包括相互连接的逆变器Ⅰ和逆变器Ⅱ，逆变器Ⅰ包含桥臂A1、桥臂B1、桥臂C1，逆变器Ⅱ包含桥臂A2、桥臂B2、桥臂C2；其中，桥臂A1通过双向晶闸管TR1和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B1通过双向晶闸管TR2和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1通过双向晶闸管TR3和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2通过双向晶闸管TR4和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2通过双向晶闸管TR5和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2通过双向晶闸管TR6和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；
其容错方法具体为：
步骤1)当双三电平逆变器无故障发生时，六个双向晶闸管均处于断开状态；当双三电平逆变器中某桥臂故障时，与发生故障桥臂连接的双向晶闸管自行导通进行拓扑重构，实现桥臂的自动容错，此时故障桥臂的矢量状态为‘0’；
步骤2)选取故障桥臂的矢量状态为‘0’的零共模电压矢量合成参考电压矢量；
步骤3)将步骤2获得的参考电压矢量分解到α-β两相静止坐标系；
步骤4)将步骤2获得的参考电压矢量生成零共模电压矢量图，然后将该零共模电压矢量图分解到两相静止坐标系并划分为六个矢量扇区：扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5、扇区6；
步骤5)根据参考电压矢量所在的扇区，运用平行四边形法则计算扇区1-扇区6中各零共模电压矢量的作用时间；
步骤6)通过各零共模电压矢量的作用时间确定各零共模电压矢量的作用顺序，从而完成脉冲序列的输出，实现桥臂容错控制。
3.根据权利要求2所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于步骤1)中当双三电平逆变器系统出现桥臂故障时通过导通相应的双向晶闸管实现拓扑重构：
A1故障时，开通双向晶闸管TR1使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；B1故障时，开通双向晶闸管TR2使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1故障时，开通双向晶闸管TR3使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2故障时，开通双向晶闸管TR4使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2故障时，开通双向晶闸管TR5使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2故障时，开通双向晶闸管TR6使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接。
故障桥臂经过对应的双向晶闸管连接至双三电平逆变器的直流侧中点，所以故障桥臂的矢量状态为‘0’，即只有故障桥臂的矢量状态为‘0’的零共模电压矢量被用来进行矢量合成。
利用式(1)将参考电压矢量Uref分解到α-β两相静止坐标系：
Figure BDA0003172721610000021
式中：θ是参考电压矢量Uref与两相静止坐标系中α轴的夹角。uα是参考矢量Uref在两相静止坐标系中α轴的投影，uβ是参考矢量Uref在两相静止坐标系中β轴的投影。
将容错后的剩余零共模电压矢量图按照相应规则分为扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5、扇区6，判断参考电压矢量所在扇区的条件为：
Figure BDA0003172721610000031
根据参考电压矢量所在的扇区，运用平行四边形法则计算扇区1-扇区6中各零共模电压矢量的作用时间，各扇区中的各零共模电压矢量作用时间为：
Figure BDA0003172721610000032
式中：m为调制度，定义为
Figure BDA0003172721610000033
其中Udc为共直流母线双三电平逆变器系统直流侧电压的一半，TS为一个PWM周期时间，T1、T2、T0为每个扇区的合成参考电压矢量的三个零共模电压矢量的作用时间。
根据步骤5)中得到的各扇区各零共模电压矢量作用时间，并且结合各扇区控制要求，确定各零共模电压矢量的作用顺序，实现双三电平逆变器系统桥臂故障容错运行。
有益效果：
1、使用本方法的共直流母线双三电平逆变器桥臂在出现故障后无需更改调制策略，系统自动实现桥臂故障的容错，即故障前后使用相同的调制策略，增加了系统的可靠性；
2、本方法用于共直流母线双三电平逆变器桥臂容错的容错电路简单、成本低廉，体积小；
3、本方法可实现共直流母线双三电平逆变器共模电压为零，从而系统轴电流、轴电压为零，提高了电机使用寿命，此外高频共模电压导致的电磁干扰也被完全消除。
附图说明
图1是常规双三电平逆变器系统的拓扑图；
图2是本发明共直流母线双三电平逆变器的容错拓扑图；
图3是本发明采用零共模电压矢量调制策略的零共模电压空间矢量图；
图4是本发明A1桥臂故障后，采用本发明提出的容错控制策略的剩余零共模电压矢量图；
图5是本发明A1桥臂故障前后，三相电流仿真波形图；
图6是本发明A1桥臂故障前后，转矩仿真波形图；
图7是本发明A1桥臂故障前后，转速仿真波形图；
图8是本发明A1桥臂故障前后，零序电压仿真波形图；
图9是本发明A1桥臂故障时，从正常运行状态切换到容错运行状态的三相电流仿真波形图；
图10是本发明A1桥臂故障时，从正常运行状态切换到容错运行状态的转矩仿真波形图；
图11是本发明A1桥臂故障时，从正常运行状态切换到容错运行状态的转速仿真波形图；
图12是本发明A1桥臂故障时，从正常运行状态切换到容错运行状态的零序电压仿真波形图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明提出的容错控制策略做进一步说明：
如图1和图2所使用的一种共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，共直流母线双三电平逆变器包括双三电平逆变器以及六个双向晶闸管：双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3、双向晶闸管TR4、双向晶闸管TR5、双向晶闸管TR6，六个双向晶闸管分别与共直流母线的双三电平逆变器的六个桥臂直流侧中点连接，当双三电平逆变器中某桥臂故障时，通过导通相应桥臂连接的双向晶闸管即可进行拓扑重构，在零共模电压矢量调制策略的基础上，将一侧三电平逆变器通过拓扑重构变为三相八开关拓扑，通过将容错后剩余的各扇区零共模电压矢量的作用时间确认确定各零共模电压矢量的作用顺序，从而成脉冲序列的输出，实现共直流母线双三电平逆变器任意桥臂故障容错，同时系统零序电压为零。
使用的共直流母线双三电平逆变器包括相互连接的逆变器Ⅰ和逆变器Ⅱ，逆变器Ⅰ包含桥臂A1、桥臂B1、桥臂C1，逆变器Ⅱ包含桥臂A2、桥臂B2、桥臂C2；其中，桥臂A1通过双向晶闸管TR1和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B1通过双向晶闸管TR2和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1通过双向晶闸管TR3和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2通过双向晶闸管TR4和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2通过双向晶闸管TR5和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2通过双向晶闸管TR6和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；
具体步骤为：
步骤1)中的进行故障系统的拓扑重构。图1为双三电平逆变器系统的拓扑图，主电路包括逆变器Ⅰ和逆变器Ⅱ。其中逆变器Ⅰ包含桥臂A1、桥臂B1、桥臂C1；逆变器Ⅱ包含桥臂A2、桥臂B2、桥臂C2。图2为共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法的容错拓扑图。桥臂A1臂通过双向晶闸管TR1和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B1通过双向晶闸管TR2和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1通过双向晶闸管TR3和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2通过双向晶闸管TR4和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2通过双向晶闸管TR5和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2通过双向晶闸管TR6和双三电平逆变器系统直流侧中点连接。当某桥臂故障时通过开启对应的双向晶闸管实现容错控制，具体是：桥臂A1故障时，开通双向晶闸管TR1使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B1故障时，开通双向晶闸管TR2使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1故障时，开通双向晶闸管TR3使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2故障时，开通双向晶闸管TR4使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2故障时，开通双向晶闸管TR5使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2故障时，开通双向晶闸管TR6使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接。
步骤2)中的选取可用零共模电压矢量。经过拓扑重构之后，故障桥臂经过双向晶闸管连接至双三电平逆变器系统直流侧中点，所以故障桥臂的矢量状态为‘0’，即只有故障桥臂的矢量状态为‘0’的零共模电压矢量被用来进行矢量合成。图3是采用零共模电压矢量调制策略的零共模电压空间矢量图，图4是A1桥臂故障后，采用本发明提出的容错控制策略的剩余共模电压矢量图。由图3和图4可以得到，经过拓扑重构及容错控制之后，故障桥臂的矢量状态为‘0’，只有故障桥臂的矢量状态为‘0’的零共模电压矢量被用来进行矢量合成，即图4中加粗部分矢量被用来进行矢量合成。
步骤3)中的把参考电压矢量Uref分解到α-β两相静止坐标系。
Figure BDA0003172721610000051
式中：θ是参考电压矢量Uref与两相静止坐标系中α轴的夹角。uα是参考矢量Uref在两相静止坐标系中α轴的投影，uβ是参考矢量Uref在两相静止坐标系中β轴的投影。
步骤4)中图3的A1桥臂故障后，采用本发明提出的容错控制策略的剩余零共模电压矢量图被划分为扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5、扇区6，判断参考电压矢量所在扇区的条件为
Figure BDA0003172721610000061
步骤5)中的计算零共模电压矢量作用时间。根据参考电压矢量所在的扇区计算各零共模电压矢量的作用时间，各扇区中的各零共模电压矢量作用时间为
Figure BDA0003172721610000062
式中：m为调制度，定义为
Figure BDA0003172721610000063
其中Udc为共直流母线双三电平逆变器系统直流侧电压的一半，TS为一个PWM周期时间，T1、T2、T0为合成参考电压矢量的三个零共模电压矢量的作用时间。
步骤6)中的确定各零共模电压矢量作用顺序。根据步骤5)中得到的各扇区各零共模电压矢量作用时间，并且结合各扇区控制要求，确定各零共模电压矢量的作用顺序，实现双三电平逆变器系统桥臂故障容错运行。
在Matlab/Simulink中对本发明所述共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法进行仿真验证。系统初始状态为转速给定1460r/min，转矩给定36N.m，当t＝0.75s时，A1桥臂发生开路故障。
图5、图6、图7和图8分别是A1桥臂故障前后的三相电流、转矩、转速、零序电压仿真波形图。由图5可以看出，当故障发生时，A相的电流突降为零，B相和C相电流发生较大的波动；由图6和图7可以看出，故障发生后，转速一直下降，转矩波动大，系统已经无法正常运行；由图8可以看出，故障发生前，双三电平逆变器系统应用零共模电压矢量调制策略，系统的零序电压为零，故障发生后，系统零序电压峰值达到将近600V，严重损害了系统的稳定性。
图9、图10、图11和图12分别是A1桥臂故障时，从正常运行状态切换到容错运行状态的三相电流、转速、转矩、零序电压仿真波形图。故障发生前，系统处于额定运行状态。由图9可以得到，当切换到容错运行状态时，电流经过0.15s的调节之后，然后稳定运行，；由图10得到，当系统切换到容错运行模式时，转速经过0.15s的调节之后，由1460r/min，稳定在730r/min，即额定转速的一半，这是因为经过拓扑重构后的电压空间矢量图是正常电压空间矢量图的一半；由图11可以看出，当系统切换到容错运行模式时，转矩以1.5倍的额定转矩进行调节，当达到稳定运行状态时，转矩保持和故障前一致；由图12可以得到，当系统切换到容错运行模式时，系统零序电压仍为零，这验证了本文所提容错算法的正确性和有效性。

Claims (7)

1.一种共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于：共直流母线双三电平逆变器包括双三电平逆变器以及六个双向晶闸管：双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3、双向晶闸管TR4、双向晶闸管TR5、双向晶闸管TR6，六个双向晶闸管分别与共直流母线的双三电平逆变器的六个桥臂直流侧中点连接，当双三电平逆变器中某桥臂故障时，通过导通相应桥臂连接的双向晶闸管即可进行拓扑重构，在零共模电压矢量调制策略的基础上，将一侧三电平逆变器通过拓扑重构变为三相八开关拓扑，通过将容错后剩余的各扇区零共模电压矢量的作用时间确认确定各零共模电压矢量的作用顺序，从而成脉冲序列的输出，实现共直流母线双三电平逆变器任意桥臂故障容错，同时系统零序电压为零；
使用的共直流母线双三电平逆变器包括相互连接的逆变器Ⅰ和逆变器Ⅱ，逆变器Ⅰ包含桥臂A1、桥臂B1、桥臂C1，逆变器Ⅱ包含桥臂A2、桥臂B2、桥臂C2；其中，桥臂A1通过双向晶闸管TR1和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B1通过双向晶闸管TR2和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1通过双向晶闸管TR3和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2通过双向晶闸管TR4和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2通过双向晶闸管TR5和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2通过双向晶闸管TR6和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；
其容错方法具体为：
步骤1)当双三电平逆变器无故障发生时，六个双向晶闸管均处于断开状态；当双三电平逆变器中某桥臂故障时，与发生故障桥臂连接的双向晶闸管自行导通进行拓扑重构，实现桥臂的自动容错，此时故障桥臂的矢量状态为‘0’；
步骤2)选取故障桥臂的矢量状态为‘0’的零共模电压矢量合成参考电压矢量；
步骤3)将步骤2获得的参考电压矢量分解到α-β两相静止坐标系；
步骤4)将步骤2获得的参考电压矢量生成零共模电压矢量图，然后将该零共模电压矢量图分解到两相静止坐标系并划分为六个矢量扇区：扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5、扇区6；
步骤5)根据参考电压矢量所在的扇区，运用平行四边形法则计算扇区1-扇区6中各零共模电压矢量的作用时间；
步骤6)通过各零共模电压矢量的作用时间确定各零共模电压矢量的作用顺序，从而完成脉冲序列的输出，实现桥臂容错控制。
2.根据权利要求1所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于步骤1)中当双三电平逆变器系统出现桥臂故障时通过导通相应的双向晶闸管实现拓扑重构：
A1故障时，开通双向晶闸管TR1使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；B1故障时，开通双向晶闸管TR2使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C1故障时，开通双向晶闸管TR3使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂A2故障时，开通双向晶闸管TR4使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂B2故障时，开通双向晶闸管TR5使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接；桥臂C2故障时，开通双向晶闸管TR6使故障桥臂侧绕组和双三电平逆变器系统直流侧中点连接。
3.根据权利要求2所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于：故障桥臂经过对应的双向晶闸管连接至双三电平逆变器的直流侧中点，所以故障桥臂的矢量状态为‘0’，即只有故障桥臂的矢量状态为‘0’的零共模电压矢量被用来进行矢量合成。
4.根据权利要求1所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于：利用式(1)将参考电压矢量Uref分解到α-β两相静止坐标系：
Figure FDA0003771254380000021
式中：θ是参考电压矢量Uref与两相静止坐标系中α轴的夹角；uα是参考矢量Uref在两相静止坐标系中α轴的投影，uβ是参考矢量Uref在两相静止坐标系中β轴的投影。
5.根据权利要求4所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于将容错后的剩余零共模电压矢量图按照相应规则分为扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5、扇区6，判断参考电压矢量所在扇区的条件为：
Figure FDA0003771254380000022
6.根据权利要求4所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于：根据参考电压矢量所在的扇区，运用平行四边形法则计算扇区1-扇区6中各零共模电压矢量的作用时间，各扇区中的各零共模电压矢量作用时间为：
Figure FDA0003771254380000031
式中：m为调制度，定义为
Figure FDA0003771254380000032
其中Udc为共直流母线双三电平逆变器系统直流侧电压的一半，TS为一个PWM周期时间，T1、T2、T0为每个扇区的合成参考电压矢量的三个零共模电压矢量的作用时间。
7.根据权利要求1所述的共直流母线双三电平逆变器桥臂故障容错方法，其特征在于：根据步骤5)中得到的各扇区各零共模电压矢量作用时间，并且结合各扇区控制要求，确定各零共模电压矢量的作用顺序，实现双三电平逆变器系统桥臂故障容错运行。
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