[发明专利]一种共母线双端级联式五电平逆变器的容错调制方法

摘要

一种共母线双端级联式五电平逆变器的容错调制方法，将电机的定子绕组打开，定子绕组的两端由两个完全相同的逆变器供电，两个逆变器共用一套直流母线，形成共母线双端级联式五电平拓扑；为保证参考电压矢量轨迹为圆，当开关器件发生短路故障时，逆变器最大输出电压下降为原来的一半，仅使用内六边形可用开关状态合成参考电压矢量，利用坐标系的旋转和标幺化，有效简化五电平调制方法，减少系统控制的硬件需求；利用平衡因子，保证容错控制的前提下，实现中点电位平衡。本发明基于双端级联式五电平逆变器的高容错特性，当开关器件出现故障时，通过重新选择电压矢量实现逆变器的容错运行；针对双端级联式系统提出一种优化的60°调制方法。

主权项

一种共母线双端级联式五电平逆变器的容错调制方法，其特征在于：(1)将电机的定子绕组打开，定子绕组的两端由两个完全相同的逆变器供电，两个逆变器共用一套直流母线，形成共母线双端级联式五电平拓扑；(2)为了保证共母线双端级联式五电平拓扑中逆变器的参考电压矢量轨迹为圆，当逆变器中的某一开关器件发生短路故障时，逆变器最大输出电压下降为原来的一半，仅使用共母线双端级联式五电平拓扑的内六边形可用开关状态合成参考电压矢量；(3)根据零共模电压矢量分布特点，在传统600坐标轴基础上逆时针旋转π/6，所得新60°坐标轴为g′、h′，设参考电压矢量Vref在传统60°坐标轴的α‑β坐标系下的坐标为(Vα,Vβ)，在g′‑h′坐标系下的坐标为(Vg′,Vh′)，两种坐标系的变换公式为Vg′Vh′=2/30-1/31VαVβ---(4-1)]]>(4)设标幺化后的参考电压矢量坐标，即标幺化坐标为(vrg′,vrh′)，对其上下取整，获得距离标幺化坐标最近的4个电压矢量，Vul=ceil(vrg′)floor(vrh′)Vuu=ceil(vrg′)ceil(vrh′)]]>Vlu=floor(vrg′)ceil(vrh′)Vll=floor(vrg′)floor(vrh′)---(4-2)]]>式中，ceil表示对参考电压矢量向上取整，floor表示对参考电压矢量向下取整，最近的4个电压矢量构成一个平行四边形，且被Vul和Vlu形成的对角线平分，Vul和Vlu总是距离最近的两个矢量，第3个矢量必然在Vuu和Vll之中，故可由如下方式判断：当vrg′+vrh′‑ceil(vrg′)‑floor(vrh′)<0时，Vll是第3个距离最近的电压矢量；当vrg′+vrh′‑ceil(vrg′)‑floor(vrh′)≥0时，Vuu是第3个电压矢量，确定距离标幺化坐标最近的3个电压矢量，即为合成电压矢量；当3个合成电压矢量确定，根据占空比的定义，3个合成电压矢量对应的占空比可由如下方程求出：Vref*=(d1Vul+d2Vlu+d3Vuu(ll))]]>d1+d2+d3＝1  (4‑3)当第3个矢量为Vuu，可得：d1＝ceil(vrh′)‑vrh′d2＝ceil(vrg′)‑vrg′  (4‑4)当第3个矢量为Vll，可得：d1＝vrh′‑floor(vrh′)d2＝vrg′‑floor(vrg′)  (4‑5)d3＝1‑d1‑d2  (4‑6)式中，d1、d2和d3分别为Vul、Vlu和Vuu(Vll)的占空比；(5)设三个合成电压矢量为E、F和Z，根据3个合成电压矢量和占空比的定义，得到3个合成电压矢量的作用时间，分别为T1、T2和T3，令矢量E为首发矢量，各矢量按照五段式放置，逆变器中各开关状态对应的中点电流从左到右分别为iM1、iM2、iM3、iM4和iM5，引入平衡控制因子f，令矢量E的两个冗余开关状态“000,0+‑”和“0‑+,000”作用时间分别为t000,0+‑＝(1+f)T1/2t0‑+,000＝(1‑f)T1/2  (4‑7)若一个开关周期内直流侧电荷总电荷为零，可以实现中点电位平衡，即：Q+ΔQ＝0  (4‑8)‑C(uC1‑uC2)+[‑fiM1T1‑(iM2+iM4)T2/2‑iM3T3]＝0；可知，直流侧中点电位平衡因子为f＝[‑C(uC1‑uC2)‑(iM2+iM4)T2/2‑iM3T3]/iM1T1  (4‑9)将平衡因子f代入合成电压矢量的作用时间后，实现直流侧中点电位平衡；(6)根据步骤(4)得到的3个合成电压矢量及步骤(5)调整得到的作用时间，兼顾逆变器自身状态控制要求，确定与合成电压矢量相对应的输出开关状态及作用顺序，实现逆变器故障后的容错运行。