一种基于FPGA的三电平ANPC桥臂IGBT短路故障建模方法与流程

本发明涉及anpc变流器的建模方法，具体为一种基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法。

背景技术：

1、随着功率器件开关频率的提高，多电平逆变器的应用范围越来越广。而有源中点箝位型三电平anpc拓扑有效克服了中点箝位型三电平npc拓扑的损耗分布不均问题，且控制简单，在现代新能源行业的应用也是越来越广泛。

2、目前，对于电力电子控制器的开发，基于模型的开发方式越来越成为主流。在这个开发模式中，硬件在环半实物仿真测试是一种典型的测试方法。硬件在环仿真，是将真的控制器实物与虚拟的被控对象模型（用实时仿真硬件实现）连接起来，可以低成本、高效实现控制器的功能、性能测试。而且在破坏性试验方面，半实物仿真测试更具优势，节约了器件损坏换新的成本。

3、目前三电平anpc变流器主电路通常采用matlab仿真软件的simpowersystems模块库中的自带的元器件和开关模块搭建而成。由于matlab仿真软件的simpowersystems模块库中的自带的igbt/diode为电气模型，考虑了寄生参数，模型较复杂，所以通常用作离线仿真。在实时在线仿真中，如果用simpowersystems模块库中的元器件模块搭建主电路，由于模型复杂计算量大，仿真步长不高。如果要提高仿真精度，就要将模型编译后下载到fpga板卡，而simpowersystems模块库不能实现编译下载。

4、专利cn102710153a《单相桥式三电平整流器的建模方法》公开了一种单相桥式三电平整流器建模方法，步骤简单，计算量小。该建模方法只搭建了正常工况下的单相三电平整流器，未考虑igbt和二极管的短路故障工况，无法进行故障工况的仿真应用。

技术实现思路

1、本发明提供一种三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，不考虑寄生参数，推导出器件导通、关断状态下的电流电压关系，模型精确度高，且能编译下载到fpga板卡供实时仿真用，以解决simpowersystems模块库搭建的主电路模型复杂、无法下载的问题。

2、本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，首先通过分析正常工况和桥臂igbt短路故障工况下功率器件各开关序列下对应的电流通路，得到输出电压、电流的对应表达式，设计出包含igbt短路故障状态的桥臂模型，再将故障模式设置触发开关，方便在正常工况运行中切换故障状态。

3、上述的一种基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，电流通路中包括p、ou1、ou2 、ol1、 ol2 、n六种开关状态；

4、p开关状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为110001，输出电压为+udc/2，若it1=it2=iac，iac≥0； 若-id1=-id2=-iac，iac<0；

5、ou1开关状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为010010，输出电压为0，若-id5=it2=iac，iac≥0； 若-id2=it5=-iac，iac<0；

6、ou2开关状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为010110，输出电压为0，若-id5=it2=iac，iac≥0； 若-id2=it5=-iac，iac<0；

7、ol1开关状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为001001，输出电压为0，若-id3=it6=iac，iac≥0； 若-id6=it3=-iac，iac<0；

8、ol2开关状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为101001，输出电压为0，若-id3=it6=iac，iac≥0； 若-id6=it3=-iac，iac<0；

9、n开关状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为001110，输出电压为-udc/2，若-id3=-id4=iac，iac≥0； 若it3=it4=-iac，iac<0；

10、it1、it2、 it3 、it4 、it5、 it6分别为t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的电流，-id1、-id2、-id3、-id4、-id5、-id6分别为d1、d2 、d3 、d4 、d5、d6二极管的电流，iac为桥臂输出电流，udc为直流侧电压。

11、上述的一种基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，上桥臂igbt短路故障包括t1短路1、t1短路2、t1短路3、t2短路1、t2短路2、t2短路3、t5短路1、t 5短路2、t5短路3九种短路状态；

12、t1短路1状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为110010，输出电压为+uh/2，若it1=it5=idl1，it2=iac， iac≥0，若it1=it5=idl1，id2= iac ，iac<0；

13、t1短路2状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为110110，输出电压为+uh/2，若it1=it5=idl1，it2=iac， iac≥0，若it1=it5=idl1，id2= iac ，iac<0；

14、t1短路3状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为101110，输出电压为- ul，若it1=it5=idl1，-id3=-id4=iac， iac≥0，若it1=it5=idl1，it3=it4=-iac，iac<0；

15、t2短路1状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为011001，输出电压为0，若-id5=it2=iac/2，-id3=it6=iac/2， iac≥0，若-id6=it3=-iac，iac<0；

16、t2短路2状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为111001，输出电压为+uh/2，若it1=it2=it3=-id6=idl2，iac≥0，若it1=it2=it3=-id6=idl2，iac<0；

17、t2短路3状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为011110，输出电压为-ul/2，若it2=it3=it4=-id5=idl2，iac≥0，若it2=it3=it4=-id5=idl2，iac<0；

18、t5短路1状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为110011，输出电压为+uh/2，若it1=it5=idl1，it2=iac， iac≥0，若it1=it5=idl1，id2= iac ，iac<0；

19、t5短路2状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为001011，输出电压为0，若-id3=it6=iac， iac≥0，若id2=-it5=iac/2，-it3=id6=iac/2 ，iac<0；

20、t5短路3状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为101011，输出电压为0，若it1=it5=idl1，-id3=it6=iac， iac≥0，若it1=it5=idl1，-it3=id6=iac，iac<0；

21、uh、ul分别为上下桥臂电压，idl1为两个功率器件短路构成回路的回路电流值，idl2为四个功率器件短路构成回路的回路电流值。

22、上述的一种基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，下桥臂igbt短路故障包括t4短路1、t4短路2、t4短路3、t3短路1、t3短路2、t3短路3、t6短路1、t 6短路2、t6短路3九种短路状态；

23、t4短路1状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为110010，输出电压为+uh，若it4=it6=idl1，it1=it2=iac， iac≥0，若it4=it6=idl1，id1=id2=iac ，iac<0；

24、t4短路2状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为001101，输出电压为-ul/2，若it4=it6=idl1，-id3=iac， iac≥0，若it4=it6=idl1，-it3=iac ，iac<0；

25、t4短路3状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为101101，输出电压为-ul/2，若it4=it6=idl1，-id3=iac， iac≥0，若it4=it6=idl1，-it3=iac ，iac<0；

26、t3短路1状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为111001，输出电压为+uh/2，若it1=it2=it3=-id6=idl2， iac≥0，若it1=it2=it3=-id6=idl2，iac<0；

27、t3短路2状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为011010，输出电压为0，若-id5=it2=iac， iac≥0，若id2=-it5=iac/2，-it3=id6=iac/2，iac<0；

28、t3短路3状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为011110，输出电压为-ul/2，若it2=it3=it4=-id5=idl2， iac≥0，若it2=it3=it4=-id5=idl2，iac<0；

29、t6短路1状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为010011，输出电压为0，若-id5=it2=iac/2，-id3=it6=iac/2，iac≥0，若id2=-it5=iac，iac<0；

30、t6短路2状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为010111，输出电压为0，若it4=it6=idl1，-id5=it2=iac，iac≥0，若it4=it6=idl1，id2=-it5=iac ，iac<0；

31、t6短路3状态下t1、t2 、t3 、t4 、t5、t6双向开关器件的开关序列为001110，输出电压为-ul，若-id3=-id4=iac ，iac≥0，若it3=it4=-iac，iac<0。

32、上述的一种基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，用matlab里面的xilinx模型库搭建模型，所搭建的模型为基于fpga的模型。该模型可编译下载到fpga板卡，可配合控制器进行实时半实物仿真验证。

33、基于fpga的三电平anpc桥臂igbt短路故障建模方法，有以下有益效果：

34、1）模型包括正常工况下和桥臂短路故障工况，故障工况可切换；

35、2）各工况模型的逻辑清晰，结构简单，容易验证；

36、3）三电平anpc桥臂不考虑寄生参数，而采用逻辑建模，模型简单，占用资源较少；

37、4）本桥臂模型可封装为一个模块，可单独使用，也可组合成单相、三相等拓扑应用，具有通用性；

38、5）模型可编译下载到fpga板卡，可配合控制器进行实时半实物仿真验证。