[发明专利]基于载波调制的三电平ANPC逆变器开路故障容错方法

说明书

一种基于载波调制的三电平ANPC逆变器开路故障容错方法。在单相的开关器件发生开路故障时，所述容错方法首先检测故障相的电流方向I_dir；定义三相正弦波的最大值和最小值分别为V_max和V_min，零序电压为Z_s，所述容错方法在I_dir＝1时令Z_s＝‑0.5×(V_max+V_min+1)，在I_dir＝0时令Z_s＝‑0.5×(V_max+V_min‑1)，并通过将Z_s注入三相正弦波，得到开路故障时的三相调制波；利用三相调制波与载波进行比较，得到三电平ANPC逆变器输出的电平状态；依据输出电平状态和发生开路故障的开关器件类型，确定三电平ANPC逆变器各开关器件的开关信号。本发明容错方法可在单相最多四个开关器件同时发生开路故障时实现三电平ANPC逆变器的容错运行，其可保证故障相正常输出相电压，且其实现方便。

技术领域

本发明涉及一种容错方法，尤其涉及一种三电平ANPC逆变器开路故障容错方法。

背景技术

传统三电平中点箝位(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器在中压大功率领域有着广泛的应用，但其同一桥臂上的各开关器件损耗分布并不均衡。针对这一问题，德国学者Bruckner通过利用可控开关器件替换箝位二极管，提出了如图1所示的三电平有源NPC(Active NPC,ANPC)逆变器。文献《三电平ANPC变流器中点电位控制策略研究》(张波.[J].电工电能新技术,2016,35(8):1-7.)指出，相比传统三电平NPC逆变器，三电平ANPC逆变器具有更多的开关状态和中点电流传导路径，可以通过合理利用中点电流传导路径来平衡各个开关器件的损耗，从而提高逆变器的最大开关频率和输出功率。此外，更多的中点电流传导路径也为设计新的容错方法提供了可能。

容错是容忍故障的简称，文献《三电平逆变器故障诊断与容错控制研究》(王真.[D].江苏:中国矿业大学,2015.)指出，逆变器的容错控制是指当逆变器发生故障时，通过重构逆变器拓扑，或者调整控制策略，或者以二者结合的方式，在满足性能指标基本不变或在可接受的范围内略有牺牲的前提下维持系统的持续、安全、可靠运行。文献《多电平电压源型逆变器的容错技术综述》(徐帅.[J].电工技术学报,2015,30(21):39-50.)指出，采用容错技术是提高逆变器系统可靠性的主要途径之一，而开路故障是逆变器开关器件常见的故障，因此，研究三电平ANPC逆变器的开路故障容错方法具有重要的应用价值。

为研究三电平ANPC逆变器的开路故障容错方法，首先分析三电平逆变器对应的空间矢量。定义三电平逆变器由高到低输出的电平状态分别为P、O、N，则可将三电平逆变器的各空间矢量总结于图2。图2所示的各空间矢量可依据幅值大小进一步分类为大矢量、中矢量、P型小矢量、N型小矢量和零矢量，各空间矢量的具体分类如表1。其中，同一位置处的P型小矢量和N型小矢量，以及零矢量OOO、PPP和NNN互为冗余矢量状态。

针对基于空间矢量的三电平逆变器开路故障容错控制，文献《Open-circuitfault diagnosis and fault-tolerant control for a grid-connected NPC inverter》(U.M.Choi.[J].IEEE Transaction on

表1三电平逆变器各空间矢量的类型

Power Electronics,2016,31(10):7234-7247.)提出了基于空间矢量的开路故障容错控制方法，其核心思想是在开关器件发生开路故障时，只利用可正常输出的空间矢量来合成参考电压，从而在避免使用故障开关器件的前提下实现调制。该方法通过调整冗余空间矢量占空比，无需增加额外的硬件设备便可实现容错运行。但该方法需要计算空间矢量的作用时间，而且依据不同的故障情况，容错运行时所使用的空间矢量并不相同，实现比较复杂。