全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，属于电力电 子器件容错控制的技术领域。
【背景技术】
[0002] 矩阵变换器（MatrixConverter，MC)或由其发展而来的双级式矩阵变换器（Two StageMatrixConverter，TSMC)因具有输入输出电流正弦，能量双向流动，输入功率因数 可调等特点，受到了国内外学者广泛而持续的关注和研究。
[0003]由于摒除了直流母线上的储能电容，采用全硅功率拓扑结构，相较于传统"背靠 背"变换器，矩阵变换器使用寿命长，工作温度限制小，结构紧凑，功率密度高，适用于航 空航天等对体积重量要求高、工作环境恶劣的场合。然而，这些场合对变换器可靠性要求 高，需要其能在发生故障的情况下持续工作以保证系统稳定。已有文献对矩阵变换器的 容错展开相关研究，主要可分为两类。一类是在保持原有拓扑结构不变的情况下，利用 剩余可用开关管选择剩余可用输出电压矢量进行调制，该方法需要实时检测输出电流大 小，对电流检测精度要求高，且逻辑算法较为复杂，参见文献l〈ImprovementofMatrix ConverterDriveReliabilitybyOnlineFaultDetectionandaFault-Tolerant SwitchingStrategy)(KhiemNguyen-Duy,Tian-HuaLiu,Der-FaChen,etal.IEEE TransonIndustrialElectronics, 2012, 59 (1) : 244-256.);另一类是在原有变换 器结构上添加冗余开关器件，当故障发生时，故障输出相全部切除，利用冗余器件给 零序电流提供流通路径。当冗余为第四桥臂时，参见文献2〈Fault-tolerant,matrix converter,permanentmagnetsynchronousmotordriveforopen-circuit failures)(S.Khwan-〇n,L.DeLillo,L.Empringham,etal.IETElectricPowerAppl ications, 2011，5(8) :654-667.)，上述容错策略仅能输出两相正弦电压，与正常运行状 态有所差异，仍会对系统产生一定影响；若冗余器件为三端双向可控硅开关元件，参见文 南犬 3〈Fault_TolerantStructureandModulationStrategiesWithFaultDetection MethodforMatrixConverters)(SangshinKwak.IEEETransonPowerElectroni cs，2010, 25 (5) : 1201-1210.)，变换器虽输出三相平衡电压，但输入电流波形畸变严重，输 入功率因数控制苦难，且结构算法复杂，不易实现。
[0004] 双级式矩阵变换器相较于直接矩阵变换器具有换流方便、箝位电路简单等优点， 具有广泛应用前景。在上述容错策略中，除增加第四桥臂这一方法在双级式矩阵变换器的 容错中有所应用，其他方法大多针对直接矩阵变换器。因此，找到一种新的简单易行的适用 于双级式矩阵变换器的容错策略，且不影响系统输入输出侧性能，对TSMC的应用推广，具 有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了全双向开关型双 级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，在不增加桥臂的前提下实现双级矩阵变换器逆变级 多种故障的容错控制并兼顾了输入输出性能，解决了现有双级矩阵变换器容错控制复杂且 无法同时兼顾输入输出性能的技术问题。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，
[0008] 全双向开关型双级矩阵变换器中，以逆变级中原有的单向开关管为斩波管，每个 斩波管共基极或共射极连接有常通管，每个斩波管和与其连接的常通管组成逆变级的一个 双向开关单元；
[0009] 针对逆变级不同单管的短路故障有以下两种控制策略：
[0010] 当逆变级斩波管短路故障时：互换整流级各桥臂上两双向开关单元的驱动信号， 与此同时，控制逆变级常通管替代同一桥臂中另一双向开关单元的斩波管按照变换器正常 工作时的调制策略进行开关切换，并开通未损坏的斩波管；
[0011] 当逆变级常通管短路故障时：保持整流级、逆变级各开关管驱动信号不变。
[0012] 全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，
[0013] 全双向开关型双级矩阵变换器中，以逆变级中原有的单向开关管为斩波管，每个 斩波管共基极或共射极连接有常通管，每个斩波管和与其连接的常通管组成逆变级的一个 双向开关单元；
[0014] 当逆变级双向开关单元开路故障或者逆变级单管开路故障时，将发生故障的双向 开关从逆变级电路中切除并保持故障相桥臂上的另一双向开关常通，整流级双向开关、逆 变级非故障相桥臂上的双向开关在一个调制周期内有两种调制方式：
[0015] 方式一：当发生故障的双向开关单元斩波管驱动信号为关断时，整流级双向开关 以及逆变级非故障相桥臂上的开关管的驱动信号均保持不变；
[0016] 方式二：当发生故障的双向开关单元斩波管驱动信号为导通时，互换整流级各桥 臂上下双向开关单元的驱动信号，同时控制逆变级非故障相常通管替代同一桥臂另一双向 开关单元的斩波管按照变换器正常工作时的调制策略进行开关切换，并开通逆变级非故障 相斩波管。
[0017] 全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，
[0018] 全双向开关型双级矩阵变换器中，以逆变级中原有的单向开关管为斩波管，每个 斩波管共基极或共射极连接有常通管，每个斩波管和与其连接的常通管组成逆变级的一个 双向开关单元；
[0019] 逆变级双向开关单元短路故障等效为逆变级故障相桥臂上另一双向开关单元的 开路故障，针对逆变级故障相桥臂上另一双向开关单元的开路故障采用所述容错控制方 法。
[0020] 做为所述全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法的进一步优化方 案，仅在逆变级处于零矢量状态时切换两种调制方式，具体包括如下步骤：
[0021] 构造逆变级零矢量状态：在获取切换指令的瞬间关断逆变级非故障相中与故障双 向开关单元同侧的斩波管，待上述斩波管完全关断后，开通逆变级所有与故障双向开关单 元不同侧的开关管；
[0022] 互换整流级双向开关管单元驱动信号：待逆变级零矢量构造完成后，关断切换前 整流级中处于开通状态的双向开关单元，待切换前整流级中处于开通状态的双向开关单元 完全关断后，关断逆变级非故障相中与故障开关单元同侧的常通管，同时开通逆变级非故 障相中与故障开关单元同侧的斩波管，待逆变级非故障相双开关单元的常通管和斩波管切 换完成后，根据各调制方式开通整流级需要开通的双向开关单元；
[0023] 构造逆变级有效矢量：待整流级双向开关单元切换完成后，按照容错控制方法给 定的开关信号构造逆变级有效矢量。
[0024] 再进一步的，所述全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，当两种 调制方式切换前逆变级处于零矢量状态时省略构造逆变级零矢量状态步骤。
[0025] 再进一步的，所述全双向开关型双级矩阵变换器的逆变级容错控制方法，当两种 调制方式切换后逆变级处于零矢量状态时省略构造逆变级有效矢量状态步骤。
[0026] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0027] (1)在不改变双级矩阵变换器基本结构的前提下，以双向开关替代变换器逆变级 中的单管，提出了适用于全双向开关型双级矩阵变换器逆变级单管短路、逆变级双向开关 单元开路、逆变级双向开关单元短路、逆变级单管开路的容错控制方法，通过在逆变级增加 6个开关管使得变换器具有承受反向电压的能力，改进后的双级矩阵变换器在不增加复杂 检测电路的前提下，通过调制策略的调整即可实现多种故障容错，简化容错控制而且整体 系统无需降额运行，输出电压和输入电流波形不受影响，最大电压传输比不受影响；
[0028] (2)逆变级驱动管短路故障时，直流母线电压呈负极性，互换整流级同一桥臂上俩 双向开关的驱动信号，逆变级常通管替代同一桥臂中另一双向开关中的驱动管进行开关切 换；逆变级常通管故障时其容错策略与正常工作时调试方式相同，采用本发明的容错控制 方法后变换器在逆变器出现两种单管短路故障时仍能不降额输出三相正弦电压；
[0029] (3)逆变级双向开关单元开路、单管开路故障下，故障相开关管不发生开关切换， 通过非故障相的模态变化实现等效切换，输出有效信号，三相输出电压和输入电流波形仍 为三相对称的正弦波，即本发明的故障容错策略实现了逆变级双向开关单元开路、单管开 路故障的容错控制，同时兼顾了输入输出性能；
[0030] (4)逆变级双向开关单元短路故障时，因其与同桥臂未损坏双向开关管开路故障 等效，采用逆变级双向开关开路故障的容错控制方法即可实现双向开关单元短路的容错控 制；
[0031] (5)逆变级双向开关单元开路/短路故障的容错控制中，合理安排开关切换步骤， 在逆变级处于零矢量状态下进行两种调