CN113922685B - 一种基于单相t型三电平h桥的级联型固态变压器故障容错调制方法 - Google Patents

一种基于单相t型三电平h桥的级联型固态变压器故障容错调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，级联型固态变压器采用链式结构，每一相由N个基本单元前串后并组成，每个基本单元包括一个H桥模块和一个与H桥模块直流侧输出端口并联的隔离型DC/DC模块。容错方法针对不同开关器件故障提出，包括四电平调制方法、单电容电压三电平调制方法、双电容电压三电平调制方法和半周期两电平调制方法，适用于H桥模块中开关器件发生的各类短路、断路故障，最大程度利用故障模块，故障后只需通过改变调制策略相应减少模块输出电压，无需对控制策略进行改变，保证每个模块电容继续均压，故障前后级联型多电平变压器输出功率一致，有效提高级联型固态变压器的运行可靠性。

Description

一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调 制方法
技术领域
本发明涉及一种级联型固态变压器容错调制方法，特别涉及一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法。
背景技术
近年来，随着电力容量的不断增加，数据中心、储能系统、电动汽车充电站等不同应用领域对大规模电源中心的需求越来越大。电源中心必须保证24小时持续提供服务，需要避免停电、电压骤降等的电能质量问题，否则会带来巨额经济损失。因此在电源中心的供电系统中，需要不间断电源(UPS)防止设备在停电和其他干扰期间停机，以维持系统正常安全运行。
目前UPS的架构中，低压UPS系统具有更高的配电损耗、更大的占地面积，这对于城市中心的大型数据中心已不再适用。中压UPS系统直接挂接在中压电网侧，从而减少了400V或480V低压侧的设备数量，大大减小低压侧占地面积。通过高频变压器的应用，并使用功率变换装置将中压交流供电输入变换成为低压电源输出的中压UPS方案，将更加适用于多类型市场，并且可以适配这些市场中不断增加的电力容量以及配电系统对较低规模、重量和成本的需求。
应用于中压UPS系统中的固态变压器拓扑方案通常采用级联型拓扑，该拓扑的中压整流侧采用级联H桥结构，之后接高频隔离DC-DC。该类拓扑当前并未见成熟产品，因此其故障模式、保护策略均存在较大的不确定因素，亟需进行进一步的探索研究工作。
开关器件的故障分为开路故障和短路故障，短路故障通常会引发系统的过流保护，开路故障较短路故障更为常见，通常由器件自身损坏、触发脉冲丢失以及接线松动等原因造成。针对以上两种开关器件故障，现有的容错方法主要分为硬件冗余和软件容错控制两种，硬件冗余通过增加辅助模块替换控制模块，控制方法简单，但会增加系统体积和成本；软件容错控制一般采用旁路开关，将故障模块从电路中切除，但并没有针对不同的开关器件故障采用不同的容错方法，无法最大限度地利用故障模块的开关器件。
发明内容
鉴于上述，为了解决现有技术中容错方法需要硬件冗余器件且无法最大限度地利用故障模块的开关器件的不足，本发明提出了一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，该方法针对不同开关器件故障提出不同的调制方法，能够最大程度地利用故障模块，即故障后只需通过改变调制策略相应减少模块输出电压，无需对控制策略进行改变，就能让系统继续稳定运行，且能保证每个模块电容继续均压，故障前后模块级联型固态变压器的输出功率一致。本发明无需任何硬件冗余，当开关管故障时系统仍能继续稳定运行，大大减小了级联型固态变压器的成本和体积，适合在实际工程中应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，所述级联型固态变压器采用链式结构，每一相由N个基本单元前串后并组成，每个基本单元包括一个H桥模块和一个与H桥模块直流侧输出端口并联的隔离型DC/DC模块；单个H桥模块由两个相同的单相T型三电平模块直流侧并联连接，单个单相T型三电平模块包含四个开关管，其中第i个H桥模块中第一个单相T型三电平模块的四个开关管分别标记为Sxi-1-1、Sxi-1-2、Sxi-1-3、Sxi-1-4，第二个单相T型三电平模块的四个开关管分别标记为Sxi-2-1、Sxi-2-2、Sxi-2-3、Sxi-2-4；单个单相T型三电平模块包含三个桥臂，从上到下分别标记为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂；其中，第一桥臂含开关管Sxi-j-1，第二桥臂含开关管Sxi-j-2和开关管Sxi-j-3，第三桥臂含开关管Sxi-j-4；
所述的故障容错调制方法为在H桥模块中单相T型三电平模块发生短路、断路故障时，改变调制策略减少模块输出电压，包括：
(1)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第一桥臂或第三桥臂恒关断时，调制方法切换为四电平调制方法；
H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块采用两个桥臂进行两电平调制，即第一桥臂恒关断时，通过第二桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，第三桥臂恒关断时，通过第一桥臂和第二桥臂开通和关断切换进行调制；H桥中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致；
(2)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒开通时，调制方法切换为单电容电压三电平调制方法；
H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块的第一桥臂和第三桥臂恒关断，H桥中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致；
(3)当H桥模块中故障开关管使单相T型三电平模块的第二桥臂恒关断时，调制方法切换为双电容电压三电平调制方法；
H桥模块中两个单相T型三电平模块的第二桥臂均恒关断，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致；
(4)当H桥模块中故障开关管使单相T型三电平模块的第一桥臂或第三桥臂恒开通时，调制方法切换为半周期两电平调制方法；
H桥中发生短路故障的单相T型三电平模块第一桥臂恒导通时，其第二桥臂和第三桥臂开关管恒关断；第三桥臂恒导通时，第二桥臂和第一桥臂开关管恒关断；H桥中另一未发生故障的单相T型三电平模块第二桥臂恒关断，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致。
作为本发明的优选，所述的四电平调制方法适用于H桥模块单个单相T型三电平模块开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管断路故障，或开关管Sxi-j-2、开关管Sxi-j-3中任意一个发生单管短路故障。
作为本发明的优选，所述的单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒开通对应的单电容电压三电平调制方法适用于开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管断路故障，或开关管Sxi-j-1和开关管Sxi-j-4均发生断路故障，或开关管Sxi-j-2、开关Sxi-j-3中任意一个或两个发生短路故障，或开关管Sxi-j-2、开关管Sxi-j-3中任意一个或两个发生短路故障且开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个或两个发生断路故障。
作为本发明的优选，所述的单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒关断对应的双电容电压三电平调制方法，适用于开关管Sxi-j-2、开关管Sxi-j-3中任意一个或多个发生断路故障。
作为本发明的优选，所述的半周期两电平调制方法适用于开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管短路故障，或开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管短路故障且其余三个开关管中任意一个或多个开关管发生断路故障。
作为本发明的优选，对于单个单相T型三电平模块，开关管Sxi-j-1断路则第一桥臂关断，开关管Sxi-j-4断路则第三桥臂关断，开关管Sxi-j-2或开关管Sxi-j-3断路则第二桥臂关断；开关管Sxi-j-1短路则只有第一桥臂开通，开关管Sxi-j-2短路则开关管Sxi-j-4关断且对应的第三桥臂关断，开关管Sxi-j-3短路则开关管Sxi-j-1关断且对应的第一桥臂关断，开关管Sxi-j-4短路则只有第三桥臂开通。
基于上述技术方案，与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的故障容错调制方法在固态变压器发生单管短路、断路故障后，只需通过改变调制策略相应减少模块输出电压，无需对控制策略进行改变，就能让系统继续稳定运行，且能保证每个模块电容继续均压，故障前后模块固态变压器的输出功率一致，同时容错调制方法与发生故障之前的调制方法可实现无缝衔接，系统能快速恢复正常运行。本发明设计合理，实现简单，易于在实际工程应用中推广。
(2)本发明充分利用了故障模块，使故障模块不退出运行的情况下保证系统继续稳运行，不需要额外的硬件冗余开关，可以有效减少系统成本和体积。
附图说明
图1为本发明实施例示出的一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器拓扑图。
图2为本发明实施例示出的一种级联型固态变压器中单个H桥模块拓扑图(a)和单个H桥模块桥臂对应图(b)。
图3为本发明实施例示出的一种四电平调制方法图，其中(a)为第一个单相T型三电平模块第一桥臂断路，或第二个单相T型三电平模块第三桥臂断路；(b)为第一个单相T型三电平模块第三桥臂断路，或第二个单相T型三电平模块第一桥臂断路。
图4为本发明实施例示出的单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒开通对应的单电容电压三电平调制方法图。
图5为本发明实施例示出的单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒关断对应的双电容电压三电平调制方法图。
图6为本发明所述的半周期两电平调制方法图，其中(a)为第一个单相T型三电平模块第一桥臂恒导通，或第二个单相T型三电平模块第三桥臂恒导通；(b)为第一个单相T型三电平模块第三桥臂恒导通，或第二个单相T型三电平模块第一桥臂恒导通。
图7为本发明实施例中开关管Sa1-1-1由正常状态至断路状态，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。
图8为本发明实施例中开关管Sa1-1-1由正常状态至短路状态，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。
图9为本发明实施例中开关管Sa1-1-2由正常状态至断路状态，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。
图10为本发明实施例中开关管Sa1-1-2由正常状态至短路状态，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明提供的故障容错调制方法是在图1所示的基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器上实现的，所述级联型固态变压器采用链式结构，每一相由N个基本单元前串后并组成，每个基本单元包括一个H桥模块和一个与H桥模块直流侧输出端口并联的隔离型DC/DC模块。
单个H桥模块由两个相同的单相T型三电平模块背靠背连接成H桥，如图2(a)所示。第i个H桥模块由8个开关管Sxi-j-k、电容器Cxi-1、电容器Cxi-2组成。其中x＝a,b,c，表示A、B、C三相；i＝1,2,3…,N，表示单相H桥模块数量；j＝1,2，表示第i个H桥模块中第一个单相T型三电平模块和第二个单相T型三电平模块；k＝1,2,3,4，表示单个单相T型三电平模块中的四个开关管。将第i个H桥模块中第一个单相T型三电平模块的四个开关管分别标记为Sxi-1-1、Sxi-1-2、Sxi-1-3、Sxi-1-4，第二个单相T型三电平模块的四个开关管分别标记为Sxi-2-1、Sxi-2-2、Sxi-2-3、Sxi-2-4。
如图2(b)所示，H桥模块中单个单相T型三电平模块包含三个桥臂，桥臂从上到下分别标记为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂。其中，第一桥臂含开关管Sxi-j-1，第二桥臂含开关管Sxi-j-2和开关管Sxi-j-3，第三桥臂含开关管Sxi-j-4。
若单个电容器上电压为E，以电容器Cxi-1和电容器Cxi-2连接点O点为电压基准点，则单个单相T型三电平模块输出电压有三种，分别为E、0、-E。正常运行时，单个单相T型三电平模块输出电压为E时，四个开关管的脉冲信号为[1100]；输出电压为0时，四个开关管的脉冲信号为[0110]；输出电压为-E时，四个开关管的脉冲信号为[0011]。
由于单个H桥模块输出电压由两个单相T型三电平模块电压共同组成，则单个H桥模块输出电压有五种，分别为2E、E、0、-E、-2E。当H桥输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的输出电压分别为E和-E；当H桥输出电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的输出电压分别为E和0或者0和-E；当H桥输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的输出电压分别为0和0；当H桥输出电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的输出电压分别为-E和0或者0和E；当H桥输出电压为-2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的输出电压分别为-E和E。
本发明提出的故障容错调制方法是在H桥模块中当单相T型三电平模块发生短路、断路故障时，通过改变调制策略减少模块输出电压，保证系统能够继续稳定运行，共包括以下四种故障容错调制方法：
(1)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第一桥臂或第三桥臂恒关断时，调制方法切换为四电平调制方法，其调制方法示意图如图3(a)和图3(b)所示。故障H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块采用两个桥臂进行两电平调制，故障H桥模块中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致。其余非故障H桥模块调制策略与故障前一致。
若故障导致H桥模块中单个单相T型三电平模块第一桥臂关断，Sxi-j-1脉冲信号始终为0，该T型三电平模块通过第二桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，Sxi-j-2、Sxi-j-3和Sxi-j-4脉冲信号在0和1之间切换。故障H桥模块中故障所在单相T型三电平模块输出电压有2种，分别为0和-E；故障H桥模块中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，输出电压有3种，分别为E、0、-E；因此，故障H桥模块输出电压有4种。
若故障导致H桥模块中单个单相T型三电平模块第三桥臂关断，Sxi-j-4脉冲信号始终为0，则该T型三电平模块通过第一桥臂和第二桥臂开通和关断切换进行调制，Sxi-j-2、Sxi-j-3和Sxi-j-1脉冲信号在0和1之间切换。故障H桥模块中故障所在T型三电平模块输出电压有2种，分别为0和E；故障H桥模块中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，输出电压有3种，分别为E、0、-E；因此，故障H桥模块输出电压有4种。
四电平调制方法如下表1所示：
表1四电平调制方法
Figure BDA0003301093030000071
①如表1所示，当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第一桥臂关断或第二个单相T型三电平模块第三桥臂关断时，故障H桥模块输出电压有4种，分别为E、0、-E、-2E。如图3(a)所示，容错模式下，当交流侧电压为正时，故障H桥模块输出电压为在0和E间切换；当交流侧电压为负时，故障H桥模块输出电压在0、-E和-2E间切换。
当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第一桥臂关断。如表1所示，H桥模块输出电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和-E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和0；当H桥模块输出电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和0或者0和E；当H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和E。
当故障导致H桥模块中第二个单相T型三电平模块第三桥臂关断。如表1所示，H桥模块输出电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和0；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和0；当H桥模块输出电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和0或者0和E；当H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和E。
②如表1所示，当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第三桥臂关断或第二个单相T型三电平模块第一桥臂关断时，故障H桥模块输出电压有4种，分别为2E、E、0、-E。如图3(b)所示，容错模式下，当交流侧电压为正时，故障H桥模块输出电压为在0、E和2E间切换；当交流侧电压为负时，故障H桥模块输出电压在0和-E间切换。
当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第三桥臂关断。如表1所示，H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和-E；当H桥模块电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和0或者0和-E；当H桥模块电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和0；当H桥模块电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和E。
当故障导致H桥模块中第二个单相T型三电平模块第一桥臂关断。如表1所示，H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和-E；当H桥模块电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和0或者0和-E；当H桥模块电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和0；当H桥模块电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和0。
(2)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒导通时，调制方法根据故障类型切换为单电容电压三电平调制方法，其调制方法示意图如图4所示。
故障H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块第二桥臂恒开通，Sxi-j-2和Sxi-j-3的脉冲信号始终为1，第一桥臂和第三桥臂恒关断，Sxi-j-1和Sxi-j-4脉冲信号始终为0；故障H桥模块中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致。其余非故障H桥模块调制策略与故障前一致。
故障H桥模块中故障所在T型三电平模块输出电压有1种，仅为0；故障H桥模块中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，输出电压有3种，分别为E、0、-E；因此，故障H桥模块输出电压有3种，分别为E、0、-E。如图4所示，容错模式下，当交流侧电压为正时，故障H桥模块输出电压为在0和E间切换；当交流侧电压为负时，故障H桥模块输出电压在0和-E间切换。
单电容电压三电平调制方法如下表2所示：
表2单电容电压三电平调制方法
Figure BDA0003301093030000091
①当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第二桥臂恒开通。如表2所示，H桥模块输出电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和-E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和0；当H桥模块输出电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和E。
②当故障导致H桥模块中第二个单相T型三电平模块第二桥臂恒开通。如表2所示，H桥模块输出电压为E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和0；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为0和0；当H桥模块输出电压为-E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和0。
(3)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒关断时，调制方法根据故障类型切换为双电容电压三电平调制方法，其调制方法示意图如图5所示。
故障H桥模块中单相T型三电平模块采用两电平调制，故障H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，Sxi-j-1和Sxi-j-4脉冲信号在0和1之间切换，Sxi-j-2和Sxi-j-3的脉冲信号始终为0；另一单相T型三电平模块第二桥臂恒关断(即两个单相T型三电平模块的第二桥臂均恒关断)，Sxi-j-2和Sxi-j-3的脉冲信号始终为0，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，Sxi-j-1和Sxi-j-4脉冲信号在0和1之间切换。其余非故障H桥模块调制策略与故障前一致。
故障H桥模块中故障所在单相T型三电平模块和另一未发生故障的T型三电平模块输出电压均有2种，分别为E、-E。因此，故障H桥模块输出电压为3种，分别为2E、0、-2E。如图5所示，容错模式下，当交流侧电压为正时，故障H桥模块输出电压为在0和2E间切换；当交流侧电压为负时，故障H桥模块输出电压在0和-2E间切换。
双电容电压三电平调制方法如下表3所示：
表3双电容电压三电平调制方法
Figure BDA0003301093030000101
如表3所示，当故障导致H桥模块中单个单相T型三电平模块第二桥臂恒关断，H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和-E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和E或-E和-E；当H桥模块输出电压为-2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和E。
(4)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第一桥臂或第三桥臂恒开通时，调制方法切换为半周期两电平调制方法，其调制方法示意图如图6(a)和如图6(b)所示。故障H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块中短路故障桥臂导通，故障H桥模块中另一未发生故障的单相T型三电平模块第二桥臂恒关断，用第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制模块。其余非故障H桥模块调制策略与故障前一致。
若故障导致H桥模块中单个单相T型三电平模块第一桥臂恒导通，Sxi-j-1脉冲信号始终为1，则该三电平模块对应的第二桥臂和第三桥臂开关管恒关断，Sxi-j-2、Sxi-j-3和Sxi-j-4脉冲信号始终为0。另一未发生故障的单相T型三电平模块第二桥臂恒关断，Sxi-j-2和Sxi-j-3脉冲信号始终为0，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制模块，Sxi-j-1和Sxi-j-4脉冲信号在0和1之间切换。故障H桥模块中故障所在单相T型三电平模块输出电压有1种，仅为E；故障H桥模块中另一个单相T型三电平模块输出电压有2种，分别为E、-E；因此，故障H桥模块输出电压有2种。
若故障导致H桥模块中单个单相T型三电平模块第三桥臂恒导通，Sxi-j-4脉冲信号始终为1，则该三电平对应的第二桥臂和第一桥臂开关管恒关断，Sxi-j-2、Sxi-j-3和Sxi-j-1脉冲信号始终为0。另一未发生故障的单相T型三电平模块第二桥臂恒关断，Sxi-j-2和Sxi-j-3脉冲信号始终为0，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制模块，Sxi-j-1和Sxi-j-4脉冲信号在0和1之间切换。故障H桥模块中故障所在T型三电平模块输出电压有1种，仅为-E；故障H桥模块中另一个单相T型三电平模块输出电压有2种，分别为E、-E；因此，故障H桥模块输出电压有2种。
半周期两电平调制方法如下表4所示：
表4半周期两电平调制方法
Figure BDA0003301093030000111
Figure BDA0003301093030000121
①如表4所示，当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第一桥臂恒开通或第二个单相T型三电平模块第三桥臂恒开通时，故障H桥模块输出电压有2种，分别为2E、0。如图6(a)所示，容错模式下，当交流侧电压为正时，故障H桥模块输出电压为在0和2E间切换；当交流侧电压为负时，故障H桥模块输出电压为0。
当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第一桥臂恒开通。如表4所示，H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和-E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和E。
当故障导致H桥模块中第二个单相T型三电平模块第三桥臂恒开通。如表4所示，H桥模块输出电压为2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和-E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和-E。
②如表4所示，当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第三桥臂恒开通或第二个单相T型三电平模块第一桥臂恒开通时，故障H桥模块输出电压有2种，分别为-2E、0。如图6(b)所示，容错模式下，当交流侧电压为正时，故障H桥模块输出电压为0；当交流侧电压为负时，故障H桥模块输出电压在0和-2E间切换。
当故障导致H桥模块中第一个单相T型三电平模块第三桥臂恒开通。如表4所示，H桥模块输出电压为-2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和-E。
当故障导致H桥模块中第二个单相T型三电平模块第一桥臂恒开通。如表4所示，H桥模块输出电压为-2E时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为-E和E；当H桥模块输出电压为0时，第一个和第二个单相T型三电平模块的电压分别为E和E。
实施例
本发明以i＝3的单相T型三电平H桥的级联型固态变压器为具体应用实例，拓扑如图1所示，输入侧交流电压峰峰值Vpp＝1150V，输出侧直流电压为650V，单个电容电压E＝325V，对该条件下的电路进行了仿真验证。由于单个H桥模块是左右对称结构，且单个单相T型三电平模块是上下对称结构，因此，只需要仿真开关管Sxi-j-1和开关管Sxi-j-2的故障状态即可，下面详细介绍了开关管Sa1-1-1断路故障、开关管Sa1-1-1短路故障、开关管Sa1-1-2断路故障、开关管Sa1-1-2短路故障四种实例。
开关管Sa1-1-1断路时，可采用四电平调制方法或三电平调制方法。图7给出了开关管Sa1-1-1由正常状态至断路状态，故障相采用四电平调制方法时，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。由图7可以看出，故障发生后，故障模块由原来的五电平调制变为四电平调制，系统恢复正常运行时间快，故障相非故障模块未受影响，依旧是五电平调制。障发生后，模块化多电平受影响小，能够继续正常平稳运行，且电流波形畸变小，质量较好。
开关管Sa1-1-1短路时，可采用半周期两电平调制方法。图8给出了开关管Sa1-1-1由正常状态至短路状态，故障相采用半周期两电平调制方法时，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。由图8可以看出，故障发生后，故障模块由原来的五电平调制变为正电压周期两电平调制，负电压周期0电平，系统恢复正常运行时间快，故障相非故障模块未受影响，依旧是五电平调制。
开关管Sa1-1-2断路时，可采用单相T型三电平模块第二桥臂恒断路所对应的双电容电压三电平调制方法。图9给出了开关管Sa1-1-2由正常状态至断路状态，故障相采用此方法时，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。由图9可以看出，故障发生后，故障模块由原来的五电平调制变为三电平调制，系统恢复正常运行时间快，故障相非故障模块未受影响，依旧是五电平调制。
开关管Sa1-1-2短路时，可采用四电平调制方法或单相T型三电平模块第二桥臂恒短路所对应的单电容电压三电平调制方法。图10给出了开关管Si-1-2由正常状态至短路状态，故障相采用单相T型三电平模块第二桥臂恒短路所对应的三电平调制方法时，故障相故障模块电压、故障相非故障模块电压和故障相电压图。由图10可以看出，故障发生后，故障模块由原来的五电平调制变为三电平调制，系统恢复正常运行时间快，故障相非故障模块未受影响，依旧是五电平调制。
所述多电平逆变器容错方法的扩展性强，灵活度高，根据具体应用要求，增加H桥模块的数量，从而改变系统功率。此外，所述多电平逆变器可更换H桥模块内的拓扑，更换后的拓扑也可经过此方法推演相应的容错控制。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，所述级联型固态变压器采用链式结构，每一相由N个基本单元前串后并组成，每个基本单元包括一个H桥模块和一个与H桥模块直流侧输出端口并联的隔离型DC/DC模块；单个H桥模块由两个相同的单相T型三电平模块直流侧并联连接，单个单相T型三电平模块包含四个开关管，其中第i个H桥模块中第一个单相T型三电平模块的四个开关管分别标记为Sxi-1-1、Sxi-1-2、Sxi-1-3、Sxi-1-4，第二个单相T型三电平模块的四个开关管分别标记为Sxi-2-1、Sxi-2-2、Sxi-2-3、Sxi-2-4；单个单相T型三电平模块包含三个桥臂，从上到下分别标记为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂；其中，第一桥臂含开关管Sxi-j-1，第二桥臂含开关管Sxi-j-2和开关管Sxi-j-3，第三桥臂含开关管Sxi-j-4；其中，x＝a,b,c，表示A、B、C三相；j＝1,2，表示第i个H桥模块中第一个单相T型三电平模块和第二个单相T型三电平模块；
其特征在于：所述的故障容错调制方法为在H桥模块中单相T型三电平模块发生短路、断路故障时，改变调制策略减少模块输出电压，包括：
(1)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第一桥臂或第三桥臂恒关断时，调制方法切换为四电平调制方法；
H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块采用两个桥臂进行两电平调制，即第一桥臂恒关断时，通过第二桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，第三桥臂恒关断时，通过第一桥臂和第二桥臂开通和关断切换进行调制；H桥中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致；
(2)当H桥模块中故障开关管使单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒开通时，调制方法切换为单电容电压三电平调制方法；
H桥模块中发生故障的单相T型三电平模块的第一桥臂和第三桥臂恒关断，H桥中另一未发生故障的单相T型三电平模块调制策略与故障前一致，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致；
(3)当H桥模块中故障开关管使单相T型三电平模块的第二桥臂恒关断时，调制方法切换为双电容电压三电平调制方法；
H桥模块中两个单相T型三电平模块的第二桥臂均恒关断，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致；
(4)当H桥模块中故障开关管使单相T型三电平模块的第一桥臂或第三桥臂恒开通时，调制方法切换为半周期两电平调制方法；
H桥模块中发生短路故障的单相T型三电平模块第一桥臂恒导通时，其第二桥臂和第三桥臂开关管恒关断；第三桥臂恒导通时，第二桥臂和第一桥臂开关管恒关断；H桥中另一未发生故障的单相T型三电平模块第二桥臂恒关断，通过第一桥臂和第三桥臂开通和关断切换进行调制，其余非故障H桥模块中两个单相T型三电平模块调制策略与故障前一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，其特征在于：所述的四电平调制方法适用于H桥模块单个单相T型三电平模块开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管断路故障，或开关管Sxi-j-2、开关管Sxi-j-3中任意一个发生单管短路故障。
3.根据权利要求1所述的一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，其特征在于：所述的单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒开通对应的单电容电压三电平调制方法适用于开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管断路故障，或开关管Sxi-j-1和开关管Sxi-j-4均发生断路故障，或开关管Sxi-j-2、开关Sxi-j-3中任意一个或两个发生短路故障，或开关管Sxi-j-2、开关管Sxi-j-3中任意一个或两个发生短路故障且开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个或两个发生断路故障。
4.根据权利要求1所述的一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，其特征在于：所述的单个单相T型三电平模块的第二桥臂恒关断对应的双电容电压三电平调制方法，适用于开关管Sxi-j-2、开关管Sxi-j-3中任意一个或多个发生断路故障。
5.根据权利要求1所述的一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，其特征在于：所述的半周期两电平调制方法适用于开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管短路故障，或开关管Sxi-j-1、开关管Sxi-j-4中任意一个发生单管短路故障且其余三个开关管中任意一个或多个开关管发生断路故障。
6.根据权利要求1所述的一种基于单相T型三电平H桥的级联型固态变压器故障容错调制方法，其特征在于：对于单个单相T型三电平模块，开关管Sxi-j-1断路则第一桥臂关断，开关管Sxi-j-4断路则第三桥臂关断，开关管Sxi-j-2或开关管Sxi-j-3断路则第二桥臂关断；开关管Sxi-j-1短路则只有第一桥臂开通，开关管Sxi-j-2短路则开关管Sxi-j-4关断且对应的第三桥臂关断，开关管Sxi-j-3短路则开关管Sxi-j-1关断且对应的第一桥臂关断，开关管Sxi-j-4短路则只有第三桥臂开通。
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