CN113765336B - 一种应用于svg的i型三电平逆变器开关管自检方法 - Google Patents

一种应用于svg的i型三电平逆变器开关管自检方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，包括以下步骤：S1，根据实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值来判定直流母线是否正常；S2，检测I型三电平逆变器滤波电容电压是否正常；S3，施加PWM驱动信号至I型三电平逆变器的开关管，根据计算到的电感电流理论值和来确定电感电流阈值，将采样到的电感电流实际值和与电感电流阈值进行比较，进而判断开关管是否正常。本发明无需额外电路或设备即可通过直流母线电压检测、滤波电容电压检测以及对开关管的依次检测来及时且全面地检测出I型三电平并网逆变器开关管的异常情况，在能避免逆变器进一步的损坏的前提下，降低了设备成本。

Description

一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器自检方法，尤其涉及一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法。
背景技术
静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）是一种并网逆变器设备，其通过并联于低压线路，向电网注入电流的方式来治理低压侧的无功、谐波、功率因数低问题。I型三电平逆变器是一种常见的拓扑，开关管是逆变器的核心电路，及时检测出逆变器的开关管异常情况，可以避免逆变器发生进一步损坏。然而现有的开关管检测模块需要额外的电路，增加了设备成本。
滞环控制有着高频采样的特点，故可用于I型并网逆变器开关管的自检中。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，采用双环控制，电压外环为线性控制，电流内环为滞环控制，方法无需额外的电路或设备即可实现自检，能够及时有效地检测出开关异常情况；方法基于I型三电平逆变器的结构，考虑了器件的关断时序问题，有效避免了器件损坏。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，所述I型三电平逆变器包括母线电容C1、母线电容C2、开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、二极管D5、二极管D6、电感L1、电感L2和滤波电容C3；
其连接关系为：电容C1的第一端部和开关管T1的集电极连接，开关管T1的发射极分别与开关管T2的集电极、二极管D5的阴极连接，开关管T2的发射极分别与、开关管T3的集电极、电感L1的第一端部连接，电容C1的第二端部、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极以及电容C2的第一端部连接至连接线N点，开关管T3的发射极与开关管T4的集电极、二极管D6的阳极连接，开关管T4的发射极与电容C2的第二端部连接，电感L1的第二端部与电感L2的第一端部、电容C3的第一端部连接，电感L2的第二端部与交流电源的正极连接，电容C3的第二端部与交流电源的负极连接至连接线的O点，T1、T2、T3、T4的基极均连接驱动单元；
开关管T1包括一个IGBT管与一个二极管D1，二极管D1反向并联于IGBT管；开关管T2包括一个IGBT管与一个二极管D2，二极管D2反向并联于IGBT管；开关管T3包括一个IGBT管与一个二极管D3，二极管D3反向并联于IGBT管；开关管T4包括一个IGBT管与一个二极管D4，二极管D4反向并联于IGBT管；
所述方法包括以下步骤：
步骤S1，根据实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值来判定直流母线是否正常，若正常则跳转步骤S2，否则重复检测，若3次复检均不通过则判定逆变器直流母线异常，流程终止；
步骤S2，检测I型三电平逆变器滤波电容电压是否正常，若正常则跳转步骤S3，否则重复检测，若3次复检均不通过则判定逆变器滤波电容电压采样异常，流程终止；
步骤S3，施加PWM驱动信号至I型三电平逆变器的开关管，根据计算得到的电感电流理论值和来确定电感电流阈值，将采样得到的电感电流实际值和与电感电流阈值进行比较，进而判断开关管是否正常。
进一步地，所述步骤S1中直流母线是否正常的判据为：当实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值大于设定阈值，则认为直流母线正常，否则认为直流母线不正常。
进一步地，所述步骤S2中滤波电容电压是否正常的判据为：当滤波电容电压的有效值在设定阈值范围内，则认为滤波电容电压正常，否则认为滤波电容电压不正常，阈值范围是根据电网电压的有效值来设定的。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下子步骤：
S301，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T3；
分别计算电压外环采样周期Tout时间通过T3D6与D1D2的电感电流实际值和与理论值和，根据二者的电感电流理论值和确定二者的电感电流阈值；
当T3D6的电感电流实际值和在阈值范围内，认为T3D6正常；当D1D2的电感电流实际值和在阈值范围内，认为D1D2正常；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T3D6或D1D2异常，流程终止；
S302，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T2；
分别计算Tout时间通过T2D5与D3D4的电感电流实际值和与理论值和，根据二者的电感电流理论值和确定二者的电感电流阈值；
当T2D5的电感电流实际值和在阈值范围内，认为T2D5正常；当D3D4的电感电流实际值和在阈值范围内，认为D3D4正常；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T2D5或D3D4异常，流程终止；
S303，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T1、T2；
计算Tout时间通过T1T2的电感电流实际值和与理论值和，根据电感电流理论值和确定电感电流阈值；
当电感电流实际值和在阈值范围内，认为T1T2正常；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T1T2异常，流程终止；
S304，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T4、T3；
计算Tout时间通过T3T4的电感电流实际值和与理论值和，根据电感电流理论值和确定电感电流阈值；
当电感电流实际值和在阈值范围内，认为T3T4正常，结束自检；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T3T4异常，流程终止。
本发明的有益技术效果：无需额外的电路或设备即可通过直流母线电压检测、滤波电容电压检测以及对开关管的依次检测来及时且全面地检测出I型三电平并网逆变器开关管的异常情况，在能避免I型三电平逆变器进一步的损坏的前提下，实现了设备成本的降低。
附图说明
图1为本发明的总体流程图；
图2为本发明所述I型三电平并网逆变器开关管的拓扑图；
图3为本发明实施例中T3D6检测导通拓扑；
图4为本发明实施例中D1D2检测导通拓扑；
图5为本发明实施例中T3D6、D1D2检测的电感电流与脉冲测试图；
图6为本发明实施例中T2D5检测导通拓扑；
图7为本发明实施例中D3D4检测导通拓扑；
图8为本发明实施例中T2D5、D3D4检测的电感电流与脉冲测试图；
图9为本发明实施例中T1T2检测导通拓扑；
图10为本发明实施例中T3T4检测导通拓扑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，所述逆变器为I型三电平逆变器，包括母线电容C1、母线电容C2、开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、二极管D5、二极管D6、电感L1、电感L2和滤波电容C3；
其连接关系为：电容C1的第一端部和开关管T1的集电极连接，开关管T1的发射极分别与开关管T2的集电极、二极管D5的阴极连接，开关管T2的发射极分别与、开关管T3的集电极、电感L1的第一端部连接，电容C1的第二端部、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极以及电容C2的第一端部连接至连接线N点，开关管T3的发射极与开关管T4的集电极、二极管D6的阳极连接，开关管T4的发射极与电容C2的第二端部连接，电感L1的第二端部与电感L2的第一端部、电容C3的第一端部连接，电感L2的第二端部与交流电源的正极连接，电容C3的第二端部与交流电源的负极连接至连接线的O点，T1、T2、T3、T4的基极均连接驱动单元，如图2所示。
开关管T1包括一个IGBT管与一个二极管D1，二极管D1反向并联于IGBT管；开关管T2包括一个IGBT管与一个二极管D2，二极管D2反向并联于IGBT管；开关管T3包括一个IGBT管与一个二极管D3，二极管D3反向并联于IGBT管；开关管T4包括一个IGBT管与一个二极管D4，二极管D4反向并联于IGBT管。
方法包括以下步骤：
步骤S1，根据实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值来判定直流母线是否正常，若正常则跳转步骤S2，否则重复检测，若3次复检均不通过则判定逆变器直流母线异常，流程终止；
直流母线是否正常的判据为：当实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值大于设定阈值，则认为直流母线正常，否则认为直流母线不正常。
步骤S2，检测I型三电平逆变器滤波电容电压是否正常，若正常则跳转步骤S3，否则重复检测，若3次复检均不通过则判定逆变器滤波电容电压采样异常，流程终止；
滤波电容电压是否正常的判据为：当滤波电容电压的有效值在设定阈值范围内，则认为滤波电容电压正常，否则认为滤波电容电压不正常，阈值范围是根据电网电压的有效值来设定的。
本例中，设定的的阈值范围的优选值为正负20V，即滤波电容电压的有效值UCapRms与电网电压有效值UGridRms满足
Figure 302902DEST_PATH_IMAGE001
时，才跳转至步骤S3；滤波电容电压的有效值不满足条件时，需要进行重复判断，只有三次判断均不满足条件时才判定滤波电容电压异常，流程终止。这样的设计可以有效地减少误判。阈值范围也可根据实际情况和需求进行调整。
步骤S3，施加PWM驱动信号至I型三电平逆变器的开关管，根据计算得到的电感电流理论值和来确定电感电流阈值，将采样得到的电感电流实际值和与电感电流阈值进行比较，进而判断开关管是否正常。S3包括以下子步骤：
S301，T3D6、D1D2自检：当滤波电容电压在
Figure 268584DEST_PATH_IMAGE002
时，施加Tout时间的PWM驱动信号至开关管T3，导通拓扑如图3所示，此时T3D6导通，电感电流缓慢增大；PWM信号消失后，导通拓扑如图4所示，D1D2导通，电感电流缓慢减小，电感电流的变化如图5所示；对滤波电容电压、电感电流、上下母线电压进行采样，并保存至数组UCap、IComp、UdcPos、UdcNeg中，其中数组长度为2N；
其中，电压外环的采样周期为Tout，电流内环的采样周期为Tin，Tout时间内采样点数
Figure 138582DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，规定电流正方向为电感L1指向开关管。
计算Tout时间内通过T3D6的电感电流实际值和，公式如下：
Figure 531517DEST_PATH_IMAGE004
计算Tout时间内通过T3D6的电感电流理论值和，公式如下：
Figure 618290DEST_PATH_IMAGE005
其中L为电感L1的感值，Fin为电流内环的采样频率。
根据电感电流理论值和确定电感电流阈值
Figure 387663DEST_PATH_IMAGE006
；
计算Tout时间内通过D1D2的电感电流实际值和，公式如下：
Figure 627015DEST_PATH_IMAGE007
计算Tout时间内通过D1D2的电感电流理论值和，公式如下：
Figure 960825DEST_PATH_IMAGE008
根据电感电流理论值和确定电感电流阈值
Figure 675840DEST_PATH_IMAGE009
；
其中
Figure 668811DEST_PATH_IMAGE010
为预先设置的滤波电容电压误差，
Figure 746357DEST_PATH_IMAGE011
为预先设置的电感电流误差。
当电感电流实际值和Isum_T3D6在阈值
Figure 746674DEST_PATH_IMAGE012
范围内，则认为T3D6正常；当电感电流实际值和Isum_D1D2在阈值
Figure 558772DEST_PATH_IMAGE009
范围内，则认为D1D2正常；跳转至步骤S302；否则重复自检；若3次复检均不通过则判定T3D6或D1D2异常，流程终止。
S302，T2D5、D3D4自检：当滤波电容电压在
Figure 155101DEST_PATH_IMAGE013
时，施加Tout时间的PWM驱动信号至开关管T2，导通拓扑如图6所示，此时T2D5导通，电感电流缓慢减小，PWM信号消失后，导通拓扑如图7所示，D3D4导通，电感电流缓慢增大，电感电流的变化如图8所示；对滤波电容电压、电感电流、上下母线电压进行高频采样，并保存至数组UCap、IComp、UdcPos、UdcNeg中，其中数组长度为2N。
计算Tout时间内通过开关管T2D5的电感电流实际值和，公式如下：
Figure 87154DEST_PATH_IMAGE014
计算Tout时间内通过开关管T2D5的电感电流理论值和，公式如下：
Figure 727214DEST_PATH_IMAGE015
根据电感电流理论值和确定阈值
Figure 791989DEST_PATH_IMAGE016
。
计算Tout时间内通过开关管D3D4的电感电流实际值和，公式如下：
Figure 175697DEST_PATH_IMAGE017
计算Tout时间内通过开关管D3D4的电感电流理论值和，公式如下：
Figure 227835DEST_PATH_IMAGE018
根据电感电流理论值和确定电感电流阈值
Figure 304376DEST_PATH_IMAGE019
。
当电感电流实际值和Isum_T2D5在阈值
Figure 576219DEST_PATH_IMAGE016
范围内，则认为T2D5正常；当电感电流实际值和Isum_D3D4在阈值
Figure 29197DEST_PATH_IMAGE020
范围内，则认为D3D4正常；跳转至步骤S303；否则重复自检；若3次复检均不通过则判定T2D5或D3D4异常，流程终止。
S303，T1T2自检：当滤波电容电压在
Figure 217733DEST_PATH_IMAGE021
时，施加Tout时间的PWM驱动信号至开关管T1，施加Tout+Tin时间的PWM驱动信号至开关管T2，导通拓扑如图9所示，对滤波电容电压、电感电流、上下母线电压进行采样，并保存至数组UCap、IComp、UdcPos、UdcNeg中，其中数组长度为N；
其中，由于I型三电平的特殊结构，开关管关断时内外管不能同时关断，需要先把T1关断，延时一段时间再把T2关断，故施加Tout+Tin时间的PWM驱动信号至开关管T2。
计算Tout时间内通过开关管T1T2的电感电流实际值和，公式如下：
Figure 714442DEST_PATH_IMAGE022
计算Tout时间内开关管T1的电感电流理论值和，公式如下：
Figure 988429DEST_PATH_IMAGE023
根据电感电流理论值和确定电感电流阈值
Figure 727321DEST_PATH_IMAGE024
。
当电感电流实际值和Isum_T1T2在阈值
Figure 770364DEST_PATH_IMAGE024
范围内，则认为T1T2正常，跳转至步骤S304；否则重复自检；若3次复检均不通过则判定T1T2异常，流程终止。
S304，T3T4自检：当滤波电容电压在
Figure 437974DEST_PATH_IMAGE021
时，施加Tout时间的PWM驱动信号至开关管T4，施加Tout+Tin时间的PWM驱动信号至开关管T3，对滤波电容电压、电感电流、上下母线电压进行采样，并保存至数组UCap、IComp、UdcPos、UdcNeg中，其中数组长度为N；
其中，由于I型三电平的特殊结构，开关管关断时内外管不能同时关断，需要先把T4关断，延时一段时间再把T3关断，故施加Tout+Tin时间的PWM驱动信号至开关管T3。
计算Tout时间内通过开关管T3T4的电感电流实际值和，公式如下：
Figure 933678DEST_PATH_IMAGE025
计算Tout时间内开关管T3T4的电感电流理论值和，公式如下：
Figure 994038DEST_PATH_IMAGE026
根据电感电流理论值和确定电感电流阈值
Figure 376740DEST_PATH_IMAGE027
。
当电感电流实际值和在阈值
Figure 231563DEST_PATH_IMAGE027
范围内，则认为T3T4正常，结束自检；否则重复自检；若3次复检均不通过则判定T3T4异常，流程终止。
本例中的滤波电容电压误差
Figure 463830DEST_PATH_IMAGE010
的优选值10V；电感电流误差
Figure 531143DEST_PATH_IMAGE011
的优选值为50A。在实际场景中，两个值可以根据实际采样频率进行调整；根据电感电流实际值和来进行判断可以有效防止根据单点的电感电流值来进行判断时造成的误判，提升自检的可靠性。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，其特征在于，所述I型三电平逆变器包括母线电容C1、母线电容C2、开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、二极管D5、二极管D6、电感L1、电感L2和滤波电容C3；
其连接关系为：电容C1的第一端部和开关管T1的集电极连接，开关管T1的发射极分别与开关管T2的集电极、二极管D5的阴极连接，开关管T2的发射极分别与开关管T3的集电极、电感L1的第一端部连接，电容C1的第二端部、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极以及电容C2的第一端部连接至连接线N点，开关管T3的发射极与开关管T4的集电极、二极管D6的阳极连接，开关管T4的发射极与电容C2的第二端部连接，电感L1的第二端部与电感L2的第一端部、电容C3的第一端部连接，电感L2的第二端部与交流电源的正极连接，电容C3的第二端部与交流电源的负极连接至连接线的O点，T1、T2、T3、T4的基极均连接驱动单元；
所述开关管T1包括一个IGBT管与一个二极管D1，二极管D1反向并联于IGBT管；开关管T2包括一个IGBT管与一个二极管D2，二极管D2反向并联于IGBT管；开关管T3包括一个IGBT管与一个二极管D3，二极管D3反向并联于IGBT管；开关管T4包括一个IGBT管与一个二极管D4，二极管D4反向并联于IGBT管；
所述方法包括以下步骤：
步骤S1，根据实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值来判定直流母线是否正常，若正常则跳转步骤S2，否则重复检测，若3次复检均不通过则判定逆变器直流母线异常，流程终止；
步骤S2，检测I型三电平逆变器滤波电容电压是否正常，若正常则跳转步骤S3，否则重复检测，若3次复检均不通过则判定逆变器滤波电容电压采样异常，流程终止；
步骤S3，施加PWM驱动信号至I型三电平逆变器的开关管，根据计算得到的电感电流理论值和来确定电感电流阈值，将采样得到的电感电流实际值和与电感电流阈值进行比较，进而判断开关管是否正常；具体包括以下子步骤：
S301，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T3；
分别计算电压外环采样周期Tout时间通过T3D6与D1D2的电感电流实际值和与理论值和，根据二者的电感电流理论值和确定二者的电感电流阈值；
当T3D6的电感电流实际值和在阈值范围内，认为T3D6正常；当D1D2的电感电流实际值和在阈值范围内，认为D1D2正常；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T3D6或D1D2异常，流程终止；
S302，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T2；
分别计算Tout时间通过T2D5与D3D4的电感电流实际值和与理论值和，根据二者的电感电流理论值和确定二者的电感电流阈值；
当T2D5的电感电流实际值和在阈值范围内，认为T2D5正常；当D3D4的电感电流实际值和在阈值范围内，认为D3D4正常；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T2D5或D3D4异常，流程终止；
S303，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T1、T2；
计算Tout时间通过T1T2的电感电流实际值和与理论值和，根据电感电流理论值和确定电感电流阈值；
当电感电流实际值和在阈值范围内，认为T1T2正常；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T1T2异常，流程终止；
S304，滤波电容电压在阈值范围内时施加驱动信号至T4、T3；
计算Tout时间通过T3T4的电感电流实际值和与理论值和，根据电感电流理论值和确定电感电流阈值；
当电感电流实际值和在阈值范围内，认为T3T4正常，结束自检；否则重复自检；3次复检均不通过则判定T3T4异常，流程终止。
2.根据权利要求1所述的一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，所述步骤S1中直流母线是否正常的判据为：当实际母线电压采样值与输入电压峰值的比值大于设定阈值，则认为直流母线正常，否则认为直流母线不正常。
3.根据权利要求1所述的一种应用于SVG的I型三电平逆变器开关管自检方法，所述步骤S2中滤波电容电压是否正常的判据为：当滤波电容电压的有效值在设定阈值范围内，则认为滤波电容电压正常，否则认为滤波电容电压不正常，阈值范围是根据电网电压的有效值来设定的。
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