一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法

技术领域

本发明属于电机驱动技术领域，具体涉及一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法。

背景技术

随着电力电子技术的应用越来越广泛，电力电子装置所需处理的电压也在不断升高。受限于目前功率管开关器件的电压等级，传统的两电平逆变器不再适用于中、高电压等级的场合。级联H桥多电平变换器作为一种高压大功率应用的拓扑结构，有着开关器件应力小、输出电压谐波低、直流母线电压利用率高等优点，在新能源发电、静止无功发生器以及电机驱动领域有着广泛研究。

然而，随着功率开关器件个数的增加，变换器的结构变得更加复杂，系统发生故障的可能性更大。功率开关管发生故障会导致系统的输出发生一定程度上的畸变，并网系统中可能会冲击整个大电网，影响电网的质量。在工业系统中，变换器故障可能使得整个电路系统停止工作，轻则导致工厂停止生产，重则造成严重的安全事故，给使用部门和社会带来巨大的损失。因此，研究故障后变换器不间断运行的容错控制技术，保证三相电气量对称输出、电压可调、电能质量影响最小以具备必要的应急处理能力是很有意义的。在检测到故障的功率开关器件后，需要设计容错控制运行方法实现变换器在故障发生时的不间断运行，并充分利用剩余正常的功率开关器件保证变换器运行的电能质量。

从实施的角度来看，目前系统发生模块故障后的容错控制运行方法可分为两类，即基于添加硬件和基于软件控制算法两种。基于添加硬件的策略中，需要在级联H桥多电平变换器电路结构中加入额外的H桥模块，增加了系统成本。基于软件控制策略不需要添加额外的模块，但会增加控制的复杂度。重点考虑软件控制策略，系统故障下的容错调制算法主要分为使用冗余开关状态的空间矢量调制和注入零序电压的载波移相调制。

现有文献1F.Carnielutti,H.Pinheiro and C.Rech,"Generalized Carrier-Based Modulation Strategy for Cascaded Multilevel Converters Operating UnderFault Conditions,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.59,no.2,pp.679-689,Feb.2012使用调制波加载波的调制算法，通过在调制波中注入共模分量保证系统故障后的可靠运行。首先根据故障后三相不同的直流输入电压计算出保证系统在不同故障情况下可靠运行需注入的共模电压范围，之后在范围内选择平均值作为最终注入的共模电压。该方法实现简单，适用多种故障工况，但会导致系统的共模电压变大、整体效率降低、相间电平跳跃幅度大。

现有文献2L.G.G.P.de Castro and M.B.R.

现有文献3H.Lin,M.Mehrabankhomartash,F.Yang,M.Saeedifard,J.Yang andZ.Shu,"AFlexible Space Vector Modulation Scheme for Cascaded H-BridgeMultilevel Inverters Under Failure Conditions,"in IEEE Transactions onIndustrial Electronics,vol.69,no.12,pp.11856-11867,Dec.2022使用空间矢量调制策略，保证系统在故障正常运行的基础上，可以根据不同优化目标如：开关次数小、谐波特性好、功率均分等给出不同的开关序列。但是对于不同的故障工况并不能做到矢量生成和序列生成的统一，实现复杂。

发明内容

针对上述调制方法在级联H桥变换器故障下容错控制的缺陷和不足，本发明提出一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，该方法能保证变换器在不同的故障情况下不间断运行，并且可以输出三相对称且直流电压利用率最高的线电压，同时给出通用的开关序列生成方法，选择合适的开关状态和开关序列，以减小共模电压并提高系统效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，所述级联H桥变换器的每一相由n个相同的H桥模块级联组成，各H桥模块输入的直流电压均等于V

所述调制方法包括：

根据子模块的输出电压特性，定义故障类型，得到不同故障情况下输出电压的空间矢量图；

根据三相参考电压合成得到电压参考矢量V

作为本发明的进一步改进，将三相不同的开关管故障情况量化为不同的三相电压输出范围，再利用H

作为本发明的进一步改进，采用H

作为本发明的进一步改进，将相对零矢量V

作为本发明的进一步改进，在得到满足故障下V

作为本发明的进一步改进，将不同的故障情况归结到不同的ABC三相电压输出范围；使用ABC三相电压输出范围对开关序列中的三相开关状态选取进行限制，从而得到满足故障下参考矢量V

作为本发明的进一步改进，对不同序列生成方式，不同区域以及不同调制三角形中相对零矢量的某一相开关状态k

其中，对H

作为本发明的进一步改进，在相对零矢量的某一相开关状态k

其中k

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用H

附图说明

图1为本发明采用的(2n+1)电平的级联H桥多电平变换器拓扑结构图；

图2为本发明所分析电路的单个H桥模块的拓扑结构图，(a)为本发明所分析电路的单个H桥模块的拓扑结构图，(b)为整个子模块故障，(c)为P-HB模块的一种故障情况，(d)为N-HB模块的一种故障情况；

图3为本发明分析中采用的五电平变换器在不同故障情况下输出电压的空间矢量图，其中图3(a)为A相一个模块因为桥臂损坏故障为P-HB模块，图3(b)为A相故障一个整模块，图3(c)为A相故障一个整模块且B相故障两个整模块；

图4为本发明中基于H

图5为本发明采用的两种开关序列生成方式，其中(a)为顺时针选取矢量，定义为五段式减序列；(b)为逆时针选取矢量，定义为五段式加序列；

图6为本发明中提出的级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法实现的整体流程框图；

图7为使用本发明方法在不同故障工况下，变换器按最大直流电压母线利用率输出的相电压、线电压以及负载电流仿真结果图；

图8为使用本发明方法在不同故障工况下，变换器按同一调制度输出的相电压、线电压以及负载电流仿真结果图；

图9为不同故障容错调制方法的变换器输出的共模电压仿真结果图；

图10为输出电能质量基本相同的情况下，不同故障容错调制方法的相电压仿真结果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供了一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，所述级联H桥变换器的每一相由n个相同的H桥模块级联组成，各H桥模块输入的直流电压均等于V

所述调制方法包括：

根据子模块的输出电压特性，定义故障类型，得到不同故障情况下输出电压的空间矢量图；

根据三相参考电压合成得到电压参考矢量V

进一步，将三相不同的开关管故障情况量化为不同的三相电压输出范围，再利用H

进一步，采用H

进一步，将相对零矢量V

进一步，在得到满足故障下V

进一步，将不同的故障情况归结到不同的ABC三相电压输出范围；使用ABC三相电压输出范围对开关序列中的三相开关状态选取进行限制，从而得到满足故障下参考矢量V

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1为(2n+1)电平的级联H桥多电平变换器拓扑结构图，每一相由n个相同的H桥模块级联组成，各模块输入的直流电压在本发明中假设均等于V

表1不同开关状态下的模块输出电压

其中表中的“1”和“0”分别代表器件的导通状态和关断状态。根据子模块的输出电压特性，可以将典型故障分为三种类型。第一种输出电压为0，子模块因为损坏了多个开关器件而必须被整个旁路掉，如图2(b)所示；第二种输出0或者V

定义三相参考电压分别为V

其中V

1)坐标变换

图4给出了基于H

H

H

2)调制三角形定位

对H

可以发现，无论V

通过两个调制三角形的分界线判定即可定位V

3)矢量作用时间计算

将V

则用V

V

式中，分别d

将式(8)代入式(9)中，可得：

V

可以发现，d

同样使用V

V

易得：

其中，d

4)DPWM的开关序列生成

定义相对零矢量V

得到相对零矢量V

由于V

5)共模电压减小的开关状态选取

参考矢量V

将V

在得到三相电压的输出范围之后，生成参考矢量的开关序列需要满足均在电压范围之间。以区域1中正三角形的减序列为例，为了能够合成矢量，整段序列的ABC三相开关状态需要分别在ABC三相电压输出范围之间，即满足不等式(16)和(17)：

化简可以得到k

同样地，不同区域、不同调制三角形类型以及不同序列生成方式下k

表2不同调制三角形中k

根据图1级联H桥拓扑图，可以列写出基尔霍夫电压方程：

计算出共模电压u

u

为了尽可能减小共模电压，开关序列中共模量最大与最小的开关状态计算得到的共模电压应尽量接近0，对于五段式减序列：

化简得：

同理，对于五段式加序列：

由式(22)和式(23)可以看出，在k

由于开关序列存在两种生成方式，即减序列和加序列，需要进一步判断两种序列生成方式下更小共模电压的序列生成方式。采用减序列的生成方式，利用式(24)得到k

于是最终共模电压最小的k

使用本发明提出的级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法实现合成参考矢量V

为了验证上述容错调制方法的理论分析的正确性，本发明给出一个设计实例。模块输入直流电压V

图7给出了不同故障工况下，变换器按最大直流电压母线利用率输出的相电压、线电压以及负载电流仿真结果图。工况1为正常情况，三相均无故障；工况2下，A相故障一个整模块和一个因为桥臂损坏的P-HB模块，B相故障一个因为桥臂损坏的P-HB模块，C相无故障；工况3下，A相故障两个整模块，B相故障一个整模块，C相无故障。可以看出，在不同故障类型下，变换器均可输出三相对称且直流电压利用率最高的线电压。

图8给出了仍在上述不同故障工况下，变换器按同一调制度输出的相电压、线电压以及负载电流仿真结果图。可以看出，在不同故障类型下，变换器均可输出三相对称且恒定的线电压和负载电流。

图9给出在A相故障一个整模块，B相故障一个整模块，C相无故障的工况下，不同故障容错调制方法变换器输出的共模电压仿真结果图。可以看出，使用本发明的开关状态选取和开关序列生成方法，可以明显减小共模电压的有效值。

图10给出输出电能质量基本相同的情况下，不同故障容错调制方法的相电压仿真结果图。可以看出，使用本发明的开关序列生成方法，相电压存在电平钳位，可以降低开关次数，提高系统电能转换效率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。