一种T型三电平并网逆变器容错拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子控制领域，具体涉及一种T型三电平并网逆变器容错拓扑结构及控制方法。

背景技术

多电平逆变电路具有输出谐波含量低、效率高和控制方法多样化等特点，被广泛用于电力系统储能逆变电路中。其中，T型三电平逆变电路凭借交流输出谐波小、开关损耗低和效率高等诸多优势被广泛应用。然而，由于电力电子器件本身可靠性不高，导致逆变系统发生故障的概率远远高于设备中的其他部分；另一方面，由于电平数目的增加而多电平的逆变电路需要更多的电力电子器件，这也大大增加了逆变系统发生故障的概率。同时，由于多电平逆变电路的多器件多电平特点使得它本身具有一定的冗余能力，通过拓扑结构的完善和控制方法的改变，可以进行容错控制。

在现有技术中，在三电平逆变电路开路故障的容错控制方面，目前有用于级联H桥、二极管钳位型、飞跨电容型逆变电路拓扑的容错控制策略，由于拓扑之间的差异性，故不能直接用于T型三电平逆变电路开路故障时的容错控制。容错有硬件容错方法，通过添加额外的功率器件实现开路故障时的容错控制，存在着成本高、体积大、效率低等缺陷；同时还有通过控制策略或调制方法等新型算法进行容错，这种做法一般要求逆变电路系统降低调制比运行，系统输出电压的幅值也会随之降低，显然，这在并网型逆变电路中是不允许的。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种带容错T型逆变电路拓扑及控制方法，当开路故障发生时，将三电平SVPWM退化成为两电平SVPWM控制方式，通过带初值控制器大大缩短控制方式的转换带来的动态过程，降低超调量，对电网影响小。

为达到以上目的，第一方面，本发明提供一种带容错T型逆变电路的拓扑结构，其用于当开路故障发生时，根据直流侧电压进行必要的切换，所述拓扑结构包括：

带容错T型逆变电路，其一端与位于电网侧的三相交流电源相连，完成并网功，另一端与位于直流侧的直流电源相连，所述直流电源与两个分压电解电容Vdc1和Vdc2串联，分压电解电容Vdc1的正端连接直流电源的正电压端P，分压电解电容Vdc2的负端连接直流电源的负电压端N；

带容错T型逆变电路的中点O’与分压电解电容Vdc1和Vdc2的中间点O相连，带容错T型逆变电路的中点O’与直流电源的正电压端P和负电压端N之间分别通过双向晶闸管TB1和TB2相连；

带容错T型逆变电路的ABC三相中点分别通过LCL滤波电路与交流电网相连；

带容错T型逆变电路的12个开关器件以及双向晶闸管TB1和TB2的控制信号端与控制电路相连；

当带容错T型逆变电路中某个绝缘栅双晶体管发生开路故障时，所述控制电路根据故障发生的位置，通过控制双向晶闸管TB1和TB2的开关，将三电平逆变电路转成两电平拓扑结构。

进一步的，所述带容错T型逆变电路为三相四臂结构，每臂包含一开关器件，每相包括一上臂S

进一步的，所述三相交流电源分别连于对应相的所述上臂S

进一步的，所述直流电源分别连于对应相的所述上臂S

进一步的，所述控制电路包括带初值的准PR控制器，其与所有绝缘栅双极性晶体管的控制极均相连，所述带初值的准PR控制器用于控制所述绝缘栅双极性晶体管的导通或隔断，且每相中的两所述开关器件S

进一步的，所述带初值的PR控制器的传递函数为：

式中k

第二方面，本发明还提供一种如上所述的T型三电平并网逆变电路容错控制方法，包括：

根据故障信号和直流侧电压大小，根据表1控制双向晶闸管的开关，确定三电平转两电平的拓扑结构；

表1三电平转两电平拓扑转换

根据新的拓扑结构，确定每相2个冗余绝缘栅双极性晶体管的控制电平，控制规律如表2所示；

表2三电平转两电平控制规律

根据发生故障的逆变电路输出电流，计算出准PR控制器的初值；

根据并网要求，准PR控制器中的控制算法计算出每相剩余4个绝缘栅双极性晶体管的脉冲宽度调制的控制信号，并输出至对应相桥臂电路。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的一种带容错T型逆变电路拓扑及控制方法，当逆变电路中某个绝缘栅双晶体管发生开路故障时，根据故障发生的位置，通过控制并联在T型逆变电路中双向晶闸管的开关，将原本运行在三电平的T型逆变电路退化成两电平逆变电路，电路的可靠性高，当出现单管开路故障时依然能保证系统的正常运行，对电网基本无影响；

(2)通过故障特性，确定准PR控制器的初值，采用带初值的准PR控制器，并网电流仅需半个周期即可达到稳定，相较于现有的控制策略而言，有效缩短故障控制时间，对电网的影响较小；同时具有较小的超调和三相不平衡度好的优点，对电网的冲击小。

附图说明

图1为本发明实施例中一种T型三电平并网逆变电路容错拓扑结构的电路图；

图2为本发明实施例中一种T型三电平并网逆变电路容错控制原理图；

图3为本发明实施例中常规容错控制的并网A相电压波形图；

图4为本发明实施例中并网三相电流波形图，其中上图为常规准PR控制三相电流波形图，下图为带初值的准PR控制三相电流波形图；

图5为本发明实施例中并网三相电流正负零序电流图，其中上图为常规准PR控制三相电流正负零序电流图，下图为带初值的准PR控制三相电流正负零序电流图；

图6为本发明实施例中并网A相电流波形图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种T型三电平并网逆变电路容错拓扑结构，包括：带容错T型逆变电路，其一端与位于电网侧的所述三相交流电源相连，完成并网功能，另一端位于直流侧的所述直流电源相连，所述直流电源与两个分压电解电容Vdc1和Vdc2串联，Vdc1正端连接点P的为正电压，Vdc2的负端连接点N点为负电压，T型结构的逆变电路中点O’与分压电解电容Vdc1和Vdc2的中间点O相连；带容错T型逆变电路的中点O’点与直流电源P点和N点之间分别通过双向晶闸管TB1和TB2相连；带容错T型逆变电路的ABC三相中点分别通过LCL滤波电路与交流电网相连；带容错T型逆变电路的12个IGBT控制信号与控制电路相连。

其中，所述带容错T型逆变电路为三相四臂结构，每臂包含一开关器件，每相包括一上臂S

本发明提供的一种T型三电平并网逆变电路容错拓扑结构，当带容错T型逆变电路某个绝缘栅双晶体管发生开路故障时，所述控制电路根据故障发生的位置，通过控制双向晶闸管TB1和TB2的开关，将三电平逆变电路转成两电平拓扑结构，可以保证系统的正常运行。

所述开关器件可为电力场效晶体管POWER MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR中的任意一种或者多种。

本发明实施例还提供一种T型三电平并网逆变电路容错控制方法，所述控制方法应用于上述的T型三电平并网逆变电路容错拓扑结构中，其控制原理图参见图2所示，带初值的准PR控制器，其与所有所述绝缘栅双极性晶体管的控制极均相连，所述带初值的准PR控制器用于控制所述开关器件的导通或隔断，且每相中的两所述开关器件S

所述带初值的PR控制器的传递函数为：

式中k

当逆变电路中某个绝缘栅双晶体管发生开路故障时，根据故障信号和直流侧电压大小，根据表1控制双向晶闸管的开关，确定三电平转两电平的拓扑结构；

表1三电平转两电平拓扑转换

根据新的拓扑结构，确定每相2个冗余绝缘栅双极性晶体管的控制电平，控制规律如表2所示:

表2三电平转两电平控制规律

根据发生故障的逆变电路输出电流，计算出准PR控制器的初值；

根据并网要求，准PR控制器中的控制算法计算出每相剩余4个绝缘栅双极性晶体管的脉冲宽度调制的控制信号，并输出至对应相桥臂电路。

采用带初值的准PR控制器，并网电流仅需半个周期即可达到稳定，相较于现有的控制策略而言，有效缩短了故障时间，减小了超调，对电网的影响较小。

在本实施例中，更为具体地，并网的具体参数详见表3。

表3并网参数表

下面以一个具体的完整实施例(A相Sa1发生开路故障)进一步解释本发明。

步骤1：根据发生开路故障的绝缘栅双极性晶体管，根据表1双向晶体管TB1接通；

步骤2：由表2知，此时Sa1触发脉冲为0，管子断开，Sa3触发脉冲为1，管子保持开通；Sa2开通时为两电平的N电平；Sa4开通时为两电平的P电平。

如图3所示为当A相Sa1开路时，A相电压三电平转两电平的波形图。其中0.1秒-0.16秒为三电平正常工作，0.16秒到0.205秒为故障发生，0.205秒到0.28秒为两电平工作。

步骤2：根据A相的电流的最大值I

步骤3：根据k时刻的某相输出i

更新算法的权重：m

式中：μ为迭代步长。

步骤5：利用新权重，得到下一时刻的输出值：

i

步骤6：重复步骤3、4、5，直至误差

步骤7：将控制电压信号分别转换为脉冲宽度调制的控制信号并输出至对应的桥臂电路，即可控制开关器件的开关。

如图3所示，为本常规容错控制的并网A相电压波形图，可以看出当故障发生时，A相电压由三电平切换成了两电平。

如图4和5所示分别为并网三相电流波形图和三相电流正负零序电流图，其中上图为常规准PR控制图，下图为带初值的准PR控制波形图，可以看出，常规控制中负序电流维持时间较长，容易引起电网系统的误动作；

图6为本发明实施例中并网A相电流波形图，由图可以看出常规PR控制方式，需约三个电网(频率为50Hz)周期才能稳定，控制过程中超调量为59.6％；带初值准PR控制方式，需约半个电网(频率为50Hz)周期就能稳定，控制过程中超调量为28.9％。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。