CN117595686B - 一种适用于模块内负载开路的单相pet调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，涉及电气控制技术领域，解决现有技术无法在尽量不影响模块间均压能力的前提下，增大系统的功率密度，提高端口使用率的问题；本发明包括步骤1：初始化；步骤2：优先级排序；步骤3：矢量区间计算和时间分配；步骤4：模块间均压；步骤5：还原矢量顺序；步骤6：对故障的模块的故障标志位进行标定；步骤7：模块内均压；为兼容模块内负载开路故障的情况，利用模块1算法到模块N算法对步骤4输出的电平矢量进行调整，在保证端口电平不变的前提下，使得尽可能多的±1电平作用在故障模块，增强其均压能力；本发明在尽量不影响模块间均压能力的前提下，增大系统的功率密度，提高端口使用率。

Description

一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法

技术领域

本发明涉及电气控制技术领域，具体涉及一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法。

背景技术

推动高速铁路发展是我国经济走向繁荣的必由之路。与此同时，传统电磁式变压器由于尺寸和重量较大，不便于携带和移动，与我国牵引供电系统的轻量化设计目标相悖。牵引电力电子变压器（Power Electronic Transformer,PET）正是解决这一难题的有效方法。采用这项技术能够大幅度减小工频牵引变压器中铁心和导线所占的体积，并且输出电压和电流均可控，从而实现牵引网功率因数控制，降低网侧谐波等功能。

传统三电平PET是将前级AC-DC级联变换器模块内两电容的输出作为一个输出端口，输出电压供下一级DC-DC变换器的输入使用，功率密度低。在后级变换器故障退出运行时，大量研究只考虑前级AC-DC级联变换器模块间的一部分空载，一部分满载的情况，对级联变换器的输出端口利用率低。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明拟提供了一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，拟解决现有技术无法在尽量不影响模块间均压能力的前提下，增大系统的功率密度，提高端口使用率的问题。

一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化；初始化N个模块的端口电平为0，总端口电平也为0；

步骤2：优先级排序；根据每个模块直流侧的电压偏离平均值的大小，对N个模块进行均压优先级排序；

步骤3：矢量区间计算和时间分配；

步骤4：模块间均压；根据步骤2的均压优先级，调整各模块的端口电平输出相应端口电平矢量，实现模块间的均压功能；

步骤5：还原矢量顺序；将矢量还原为排序优先级前的顺序；

步骤6：对故障的模块的故障标志位进行标定；

步骤7：模块内均压；为兼容模块内负载开路故障的情况，利用模块1算法到模块N算法对步骤4输出的电平矢量进行调整，在保证端口电平不变的前提下，使得尽可能多的±1电平作用在故障模块，增强其均压能力。

优选的，若N=2，在所述步骤2中则直接根据两模块之间直流侧电压的大小关系决定模块端口电平的调整步长;并且跳过所述步骤5。

优选的，N个模块级联的系统的均压边界表达式如下：

其中，m为系统的调制度，为发生开路故障的模块数，k的表达式如下：

。

优选的，所述步骤7中模块1算法包括：

先判断模块1的故障标志位是否置1，若/>置1，则进一步判断模块2的故障标志位/>是否置1；若模块2的故障标志位也为1，则在模块1和模块2的端口电平为（2，0），（2，-2），（0，-2）时，选择将模块1的端口电平减1，模块2的端口电平加1，之后再输出出去；在模块1和模块2的端口电平为（0，2），（-2，0），（-2，2）时，选择将模块1的端口电平加1，模块2的端口电平减1，之后再输出出去。

优选的，若模块1和模块2的端口电平不在上述组合内，则进一步去判断模块3的故障标志位，同样，当模块3的故障标志位也置1时，判断模块1和模块3的端口电平是否在上述组合内，处理方式也同上，若模块1和模块3的端口电平也不在上述组合内，则进一步去判断模块4的故障标志位/>，处理方式同上，直到实现了将模块1的端口电平转变为±1结束。

优选的，所述步骤7包括：若遍历了所有级联模块端口电平组合也仍不在上述组合内，则保持模块1的端口电平，待下一周期再进行处理。

优选的，所述步骤7中模块1算法包括：若模块2的故障标志位未置1，即模块2为正常模块，判断模块1和模块2的端口电平是否在（2，2），（-2，-2），（0，-2）且且这四个组合中，若在则继续去判断模块3的故障标志位/>，一直遍历到把模块1的端口电平转变为±1，若遍历了所有级联模块端口电平组合也仍不在上述组合内，则保持故障模块1的端口电平，待下一周期再进行处理；其中/>为均压优先级第一的模块的直流侧电压偏离平均值的值，/>为网侧电流。

优选的，若模块1和模块2的端口电平不在（2，2），（-2，-2），（0，-2）且且/>四种组合之中，则对模块1的电平进行相应的加1减1处理，让其端口电平变为＋1或者-1，同时相应的模块2的电平则-1或者+1，以保持总端口电平不变。

优选的，所述步骤7中模块1算法执行完毕，则跳转到模块2算法，直到执行完模块N算法后，步骤7结束，输出处理过后的端口电平矢量。

本发明的有益效果包括：

本发明将三电平级联整流器的各模块单端口输出改进为各模块双端口输出，同时可兼容后级负载退出运行，即发生负载开路故障时，仍然能实现模块内与模块间的电压平衡，维持系统的正常运行，提高系统的端口使用率，增大功率密度。

附图说明

图1为N模块级联整流器拓扑图。

图2为一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法流程图。

图3为一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法中步骤7的详细流程图。

图4为实施例1 涉及的N=2且模块1故障时的模块级联矢量路径图。

图5为实施例1 涉及的本方案在N=2且模块1内出现负载开路故障的仿真结果图。

图6为实施例2 涉及的本方案在N=4且模块1，2内出现负载开路故障的仿真过程中模块1的上下电容电压，/>。

图7为实施例2 涉及的本方案在N=4且模块1，2内出现负载开路故障的仿真过程中模块2的上下电容电压，/>。

图8为实施例2 涉及的本方案在N=4且模块1，2内出现负载开路故障的仿真过程中模块3的上下电容电压，/>。

图9为实施例2 涉及的本方案在N=4且模块1，2内出现负载开路故障的仿真过程中模块4的上下电容电压，/>。

图10表示调制度与故障模块数之间的关系曲线。

图11表示N模块级联系统(N=3)的调制度为0.752的仿真波形。

图12表示N模块级联系统(N=3)的调制度为0.747的仿真波形。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图1-9，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明适用于的单相三电平PET拓扑结构如图1所示，从电容中点引出一个输出端口，在每个模块内接上两个负载。当模块内负载均衡时，系统正常运行；当模块内有一个负载退出运行，即出现一个电容满载，另一个电容空载的情况，本发明提出的改进的SVPWM调制策略仍可兼容此负载开路故障的情况，使得模块内两电容重新均压，维持系统的正常运行。由于调制均压算法存在均压边界，本发明均压边界的设计如下：

N模块级联的情况：个模块正常工作，/>个模块内发生负载开路故障;

（1）/>（2）（3）

由上述(1)-(3)式可以解得N模块级联系统的均压边界表达式如式(4)：

（4）

其中m为系统的调制度。

根据式(4)绘制得到N=2，3，6，9四种情况下的均压边界曲线如图10所示；从中可得，三模块级联系统中若有两个模块内出现负载开路情况，其调制度的极限边界为m<0.76。

搭建AC220V(有效值),DC414V,m=0.752工况下的三模块级联系统，0.3s时模块1，2内一个电容负载开路，0.31s投入容错SVPWM算法，波形如图11所示。

搭建AC220V(有效值),DC418V,m=0.747工况下的三模块级联系统，0.3s时模块1，2内一个电容负载开路，0.31s投入容错SVPWM算法，波形如图12所示。

从图11和图12可以看出，三模块级联系统故障模块数为2时，m=0.752时，故障模块内上下电容电压平行，m=0.747时故障模块内上下电容电压收敛，因此，该工况下的调制度边界为0.75左右，与理论分析得到的调制度边界相差0.01，误差在允许范围内，因此验证了均压边界理论分析的正确性。

实施例1

本实施例用于当N模块级联(N=2)，若在一个模块内发生负载开路故障，出现一个电容空载，另一个电容满载的情况的处理，具体流程图如图2所示，一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化；初始化两个模块的端口电平为0，总端口电平也为0；,/>;其中/>和/>分别为模块1和模块2的端口电平

步骤2：优先级排序；根据两模块直流侧的电压偏离平均值的大小，对两模块进行均压优先级的排序；令,/>，，若/>,则模块1的优先级高于模块2的优先级，即，/>,此时/>,/>；反之，则模块2的优先级高于模块1的优先级，即/>，/>，此时,/>;

步骤3：矢量区间计算和时间分配；即利用相邻矢量合成当前载波周期的调制矢量；

步骤4：模块间均压；根据步骤2的均压优先级，调整各模块的端口电平输出相应端口电平矢量，实现模块间的均压功能；相邻矢量中的大矢量作用时，若，则均压优先级为1的模块端口电平加1，否则不变，均压优先级为2的模块端口电平为总电平减去均压优先级为1的模块端口电平；相邻矢量中的小矢量作用时，若/>,则均压优先级为1的模块端口电平减1，否则不变，均压优先级为2的模块端口电平为总电平减去均压优先级为1的模块端口电平；其中/>为均压优先级第一的模块的直流侧电压偏离平均值的值，/>为网侧电流。

步骤5：故障模块标志位定位；

步骤6：模块内均压；为兼容模块内负载开路固定的情况，对步骤4输出的电平矢量进行调制，使得尽量多的±1电平作用在故障模块，增强其均压能力。

具体的：

在步骤5处根据模块的上下电容的电压差是否达到设定的阈值/>，选择将相应模块的故障标志位/>置0或置1。当故障标志位均置0，步骤4输出的端口电平矢量无需修改，可直接输出。当电压差达到阈值，相应故障标志位置1后，进入到步骤6进行负载开路故障兼容。首先判断模块1的故障标志位/>是否置1；若置1，判断模块1的端口电平是否为2；若为2，则转为判断正常运行的模块2的端口电平是否为2；若模块2的端口电平为2，为保持总端口电平不发生畸变，选择保持现有的两模块端口电平，等待下一周期再进行兼容；若模块2的端口电平不为2，则将故障模块1的端口电平减1，同时为了保持总端口电平一致，将正常模块2的端口电平加1，之后输出。若故障模块1的端口电平不为2，则判断其是否等于-2。若模块1的端口电平为-2，则转为判断正常运行的模块2的端口电平是否为-2。若模块2的端口电平为-2，为了保证总端口电平不发生改变，同样选择保持现有的两模块端口电平，等待下一周期进行兼容；若模块2的端口电平不为-2，将故障模块1的端口电平加1，同时为了保证总端口电平一致，将正常模块2的端口电平减1，之后输出。若模块1的端口电平不为-2，则进一步转为判断模块1的端口电平是否为0，若为0，则根据/>的正负判断此时模块1的端口电平应该加1还是应该减1才符合模块间的均压原理。若/>大于0，则需判断正常运行模块2的端口电平是否是大于-2，若大于则将故障模块1的端口电平加1，正常运行模块2的端口电平减1，否则就在当前周期保持两模块电平输出；若/>小于0，则要判断正常运行模块2的端口电平是否小于2，若小于则将故障模块1的端口电平减1，正常运行模块2的端口电平加1，否则同样在当前周期保持两模块的电平输出出去。若故障模块1的端口电平不等于0，则可直接输出当前周期的模块1和模块2的电平。以上为模块1发生模块内负载开路故障，故障标志位/>置1，模块2正常运行时的调制处理策略。若步骤5判断得到是模块2发生模块内负载开路故障，其故障标志位/>置1，模块1正常工作，其调制原理和流程也与上述类似。

图4是本发明在两模块级联时，模块1内发生负载开路故障矢量路径。在路径中，让尽可能多的±1电平作用于故障模块1，提高其模块内的均压能力。

图5是两模块级联时模块1内出现负载开路故障，模块1内上电容满载，下电容空载时的仿真结果。当0.3s时投入故障，模块1的上下电容电压，/>开始发散，即传统SVPWM调制无法实现模块内一电容空载另一电容满载时的模块内均压，正常运行模块2内的上下电容电压/>，/>电压始终均衡。0.32s投入本发明提出的改进SVPWM调制算法后，模块1内上下电容重新均压，验证了本实施例调制方法的有效性。

实施例2

本实施例用于N模块级联时（其中N>2），在均压边界内发生模块内负载开路故障的处理，具体流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：初始化；初始化N个模块的端口电平为0，总端口电平也为0；,/>;其中/>为模块N的端口电平

步骤2：优先级排序；根据N个模块直流侧的电压偏离平均值的大小，对N模块进行均压优先级排序，优先级从高到低；令,/>，/>，...,/>,将/>，/>，...,/>从高到低排序，排序第一的均压优先级最高，此时/>，/>即为均压优先级第一的模块，其余依次类推；

步骤3：矢量区间计算和时间分配；即利用相邻矢量合成当前载波周期的调制矢量；

步骤4：模块间均压；根据步骤2的均压优先级，调整各模块的端口电平输出相应端口电平矢量，实现模块间的均压功能；相邻矢量中的大矢量作用时，若，则均压优先级为1的模块端口电平加1，否则不变，注意需将该模块端口电平限制在之间；同理，对均压优先级为2的模块端口电平处理也类似，若/>，则均压优先级为2的模块端口电平加1，否则不变，注意需将该模块端口电平限制在/>之间；一直按照这种规则处理到均压优先级为N-1的模块；用总端口电平v减去N-1个模块的端口电平得到第N个模块的端口电平；

步骤5：还原矢量；将矢量还原为排序优先级前的顺序；将经过步骤4处理之后的端口电平还原为/>;

步骤6：故障模块标志位标定；

步骤7：模块内均压；为兼容模块内负载开路故障的情况，对步骤4输出的电平矢量进行调整，在保证端口电平不变的前提下，使得尽可能多的±1电平作用在故障模块，增强其均压能力。

具体的，如图3所示：

在步骤6处根据模块上下电容的电压差是否达到设定的阈值/>，选择将对应模块的故障标志位/>置0或置1，得到故障模块的相应故障标志位的值。进入到步骤7，先判断模块1的故障标志位/>是否置1，若/>置1，则我们进一步判断模块2的故障标志位/>是否置1。若模块2的故障标志位也为1，则在模块1和模块2的端口电平为（2，0），（2，-2），（0，-2）时，选择将故障模块1的端口电平减1，故障模块2的端口电平加1，之后再输出出去；在模块1和模块2的端口电平为（0，2），（-2，0），（-2，2）时，选择将故障模块1的端口电平加1，故障模块2的端口电平减1，之后再输出出去。若模块1和模块2的端口电平不在上述组合内，则进一步去判断模块3的故障标志位/>，同样，当模块3的故障标志位也置1时，判断模块1和模块3的端口电平是否在上述组合内，处理方式也同上，若模块1和模块3的端口电平也不在上述组合内，则进一步去判断模块4的故障标志位，处理方式同上，直到实现了将故障模块1的端口电平转变为±1结束。若遍历了所有级联模块端口电平组合也仍不在上述组合内，则保持故障模块1的端口电平，待下一周期再进行处理。若模块2的故障标志位未置1，即模块2为正常模块，判断模块1和模块2的端口电平是否在（2，2），（-2，-2），（0，-2）但/>但/>这四个组合中，其中为均压优先级第一的模块的直流侧电压偏离平均值的值，/>为网侧电流；若在则继续去判断模块3的故障标志位F_3，一直遍历到把模块1的端口电平转变为±1，若遍历了所有级联模块端口电平组合也仍不在上述组合内，则保持故障模块1的端口电平，待下一周期再进行处理。若模块1和模块2的端口电平不在上述四种组合之中，则对模块1的电平进行相应的加1减1处理，让其端口电平变为＋1或者-1，同时相应的模块2的电平则-1或者+1，以保持总端口电平不变。模块1算法执行完毕，则跳转到模块2算法。直到执行完模块N算法后，步骤7结束，输出处理过后的端口电平矢量/>。

图6-图9是4模块级联时模块1，2内出现负载开路故障的仿真结果，模块1，2内上电容满载，下电容空载.当0.2s时投入故障，图6中模块1的上下电容电压，/>开始发散，图7模块2的上下电容电压/>，/>开始发散。图8和图9中正常运行的模块3，4内的上下电容电压/>，/>，/>，/>始终均衡。0.21s投入本发明提出的改进SVPWM调制算法后，模块1，2内的上下电容重新均压，验证了本实施例调制方法的有效性。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化；初始化N个模块的端口电平为0，总端口电平也为0；

步骤2：优先级排序；根据每个模块直流侧的电压偏离平均值的大小，对N个模块进行均压优先级排序；

步骤3：矢量区间计算和时间分配；

步骤4：模块间均压；根据步骤2的均压优先级，调整各模块的端口电平输出相应端口电平矢量，实现模块间的均压功能；

步骤5：还原矢量顺序；将矢量还原为排序优先级前的顺序；

步骤6：对故障的模块的故障标志位进行标定；

步骤7：模块内均压；为兼容模块内负载开路故障的情况，利用模块1算法到模块N算法对步骤4输出的电平矢量进行调整，在保证端口电平不变的前提下，使得±1电平作用在故障模块，增强其均压能力；

所述步骤7中模块1算法包括：

先判断模块1的故障标志位F₁是否置1，若F₁置1，则进一步判断模块2的故障标志位F₂是否置1；若模块2的故障标志位也为1，则在模块1和模块2的端口电平为(2，0)，(2，-2)，(0，-2)时，选择将模块1的端口电平减1，模块2的端口电平加1，之后再输出出去；在模块1和模块2的端口电平为(0，2)，(-2，0)，(-2，2)时，选择将模块1的端口电平加1，模块2的端口电平减1，之后再输出出去；

若模块1和模块2的端口电平不在上述组合内，则进一步去判断模块3的故障标志位F₃，同样，当模块3的故障标志位也置1时，判断模块1和模块3的端口电平是否在上述组合内，处理方式也同上，若模块1和模块3的端口电平也不在上述组合内，则进一步去判断模块4的故障标志位F4，处理方式同上，直到实现了将模块1的端口电平转变为±1结束；

若遍历了所有级联模块端口电平组合也仍不在上述组合内，则保持模块1的端口电平，待下一周期再进行处理；

若模块2的故障标志位未置1，即模块2为正常模块，判断模块1和模块2的端口电平是否在(2，2)，(-2，-2)，(0，-2)且Δv_{dc_T1}*i_s>0,(0，2)且Δv_{dc_T1}*i_s≤0这四个组合中，若在则继续去判断模块3的故障标志位F₃，一直遍历到把模块1的端口电平转变为±1，若遍历了所有级联模块端口电平组合也仍不在上述组合内，则保持故障模块1的端口电平，待下一周期再进行处理；其中Δv_dcT1为均压优先级第一的模块的直流侧电压偏离平均值的值，i_s为网侧电流；

若模块1和模块2的端口电平不在(2，2)，(-2，-2)，(0，-2)且Δv_{dc_T1}*i_s>0,(0，2)且Δv_{dc_T1}*i_s≤0四种组合之中，则对模块1的电平进行相应的加1减1处理，让其端口电平变为+1或者-1，同时相应的模块2的电平则-1或者+1，以保持总端口电平不变；

所述步骤7中模块1算法执行完毕，则跳转到模块2算法，直到执行完模块N算法后，步骤7结束，输出处理过后的端口电平矢量(X1,X2,...,XN)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，其特征在于，若N＝2，在所述步骤2中则直接根据两模块之间直流侧电压的大小关系决定模块端口电平的调整步长；并且跳过所述步骤5。

3.根据权利要求1所述的一种适用于模块内负载开路的单相PET调制方法，其特征在于，N个模块级联的系统的均压边界表达式如下：

其中，m为系统的调制度，N₂为发生开路故障的模块数，k的表达式如下：