[发明专利]一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法。

背景技术

大功率的变换可以通过多种途径实现，多电平逆变器因其具有一系列的优点，成为大功率高压变换领域的研究热点。二极管中点箝位型(NPC)三电平逆变器由于其拓扑结构和控制方法都比较成熟，成为多电平高压大功率逆变器研究的重点方向。与传统的两电平逆变器拓扑结构相比，二极管中点箝位式三电平逆变器的优点主要有：

(1)平均每个主开关管器件承受的正向阻断电压为直流侧母线电压一半；

(2)可以大大的减少谐波，降低开关频率，减小系统损耗，如要达到相同的输出性能指标并以开关频率来衡量，三电平是两电平开关频率的1/5，其电压上升率(dv/dt)是两电平逆变器的1/2，电流上升率(di/dt)也伴随着减少，可大大降低对电机的绝缘性能的损害，增长电机的工作寿命；

(3)由于增加了电平数，相对降低了每个电平的幅值，减少了电压的变化，主电路含有的电流脉动成分减小，同时也降低了电磁噪声和转矩脉动；

(4)若三电平逆变器连接三相对称的星形负载且中点悬空，负载中就不会产生3的倍数次的谐波电流。

尽管NPC三电平逆变器具有以上众多优点，然而它也具有系统结构复杂、所需电力电子器件过多等缺点。结构的复杂和器件的增多相应地造成了多电平逆变器运行故障率的增大，不仅增加了逆变器的运行和维护成本，而且降低了其驱动的整个系统的工作可靠性，严重影响了生产的质量和安全。在电力、交通、航天、军工、矿山等领域，对于设备连续可靠运行方面的要求极高，因此，对提高多电平逆变器可靠性的研究具有重要的实际意义和经济价值。

目前，提高多电平逆变器的可靠性主要是通过以下方法：

1、逆变器的并联运行

采用两个或多个逆变器并联运行，不仅可以有效增加系统的可靠性，并且可以增大逆变器的容量，减小输出电流谐波。但这种方法造成系统的结构非常复杂，控制比较困难，并且存在环流和均流问题，实际应用范围较小。

2、逆变器采用模块化结构

逆变器的每个桥臂都采用模块化设计，每个模块都设计成方便拆卸和安装的形式，当逆变器的某一器件发生故障时，直接更换故障器件所在的整个桥臂模块，在最短的时间内恢复逆变系统的运行。此方法尽管有效地缩短了系统的故障时间，但一旦发生故障仍必须紧急停机，不能考虑所驱动设备的实际运行要求，并且要预留充足的备用模块。

3、逆变器硬件拓扑采用冗余结构

借鉴目前电力电子领域正在研究的三相四桥臂逆变器拓扑结构，系统另外设计附加的一个桥臂。当逆变器的某一器件发生故障时，控制系统通过附加的桥臂继续维持系统的运行，直到设备允许停机时维修损坏器件。此方法可以做到系统的连续稳定运行，但代价是系统的结构更加复杂，系统的硬件成本增大，控制方法也复杂。

以上方法都是从系统的硬件及拓扑结构方面出发提高逆变器的运行可靠性，没有充分利用多电平逆变器本身具有的软件控制方法上的冗余特性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法，利用NPC三电平逆变器空间电压矢量的冗余特性，通过软件方法实现NPC三电平逆变器故障情况下的继续运行，在不增加系统硬件成本的基础上有效地提高系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法，它包括以下步骤：

A、实时对NPC三电平逆变器进行器件故障检测，确定故障的位置以及故障类型；

B、根据故障位置和故障类型确定故障状态下损失的空间电压矢量，绘出故障状态的空间电压矢量分布图；

C、根据重新绘出的空间电压矢量分布图，分析该故障状态下NPC三电平逆变器是否能够继续运行，即是否还能合成旋转参考空间电压矢量；

D、根据重新绘出的空间电压矢量分布图，分析该种故障状态下NPC三电平逆变器是否能够原级运行，即计算可合成的旋转参考空间电压矢量的范围，是否依然能够形成长电压矢量构成的正六边形内切圆；

E、对于能够继续运行的故障状态(包括正常运行和降级运行)，根据重新绘出的空间电压矢量分布图，重新选择合成矢量，并计算各矢量的作用时间，对各矢量切换顺序进行优化，形成新的冗余控制脉冲序列。