一种三相变换器容错机制控制电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种三相变换器容错机制控制电路。

背景技术：

在三相变换器拓扑结构中，三相六开关变换器是最为普遍的一种并网结构，既可以工作于整流模式、逆变模式，同时可以进行孤岛运行。为了满足人们对电能的需求，三相六开关变换器工作于大功率、高频率、大电流状态，功率开关器件在工作过程中，浪涌、尖峰等瞬时冲击效应会对其造成严重的损害。变换器在工作过程中出现短路、断路等故障，将造成微电网的解裂，对用户造成较大的经济损失。

目前，为了在变换器出现故障情况下，使得微电网继续运行，通常会将故障相连接至直流母线中点，从而转变为三相四开关变换器容错结构。然而，直流母线上下电容电压不平衡，这样将增加并网谐波含量，变换器主要器件参数与采样频率同样也是影响并网电能质量的主要因素。现有的变换器容错机制控制电路存在一相桥臂故障下的变换器不能正常工作的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种三相变换器容错机制控制电路，以解决一相桥臂故障下的变换器不能正常工作的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种三相变换器容错机制控制电路，包括：第一双向二极管、第二双向二极管和第三双向二极管；

所述第一双向二极管的一端与三相变换器中的a相桥臂连接；所述第二双向二极管的一端与所述三相变换器中的b相桥臂连接；所述第三双向二极管的一端与所述三相变换器中的c相桥臂连接；所述第一双向二极管的另一端、所述第二双向二极管的另一端、所述第三双向二极管的另一端均与所述三相变换器中的电容桥臂连接。

可选的，所述a相桥臂、所述b相桥臂、所述c相桥臂和电容桥臂并联；所述三相变换器中的a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂均包括两个串联的开关；所述电容桥臂包括两个串联的电容；a相桥臂中两个开关的连接点为a相连接点，b相桥臂中两个开关的连接点为b相连接点，c相桥臂中两个开关的连接点为c相连接点；电容桥臂中的两个电容的连接点为电容中点；

所述第一双向二极管的一端与所述a相连接点连接；所述第二双向二极管的一端与所述b相连接点连接；所述第三双向二极管的一端与所述c相连接点连接；所述第一双向二极管的另一端、所述第二双向二极管的另一端、所述第三双向二极管的另一端均与所述电容中点连接。

可选的，所述三相变换器容错机制控制电路还包括：a相熔断器；所述第一双向二极管的一端通过所述a相熔断器与所述a相连接点连接。

可选的，所述三相变换器容错机制控制电路还包括：b相熔断器；所述第二双向二极管的一端通过所述b相熔断器与所述b相连接点连接。

可选的，所述三相变换器容错机制控制电路还包括：c相熔断器；所述第三双向二极管的一端通过所述c相熔断器与所述c相连接点连接。

可选的，所述a相熔断器、所述b相熔断器和所述c相熔断器均为快速熔断器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出了一种三相变换器容错机制控制电路。所述控制电路包括三个双向二极管，其中第一双向二极管的一端与三相变换器中的a相桥臂连接；第二双向二极管的一端与三相变换器中的b相桥臂连接；第三双向二极管的一端与三相变换器中的c相桥臂连接；第一双向二极管的另一端、第二双向二极管的另一端、第三双向二极管的另一端均与三相变换器中的电容桥臂连接。本实用新型各相桥臂对应连接一个双向二极管，这样在某一相桥臂发生故障时，另外两相桥臂仍能正常工作，解决了一相桥臂故障下的变换器不能正常工作的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的三相变换器容错机制控制电路的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的模型预测功率控制结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例提供的三相变换器容错机制控制电路的结构图。参见图1，本实施例的三相变换器容错机制控制电路，包括：第一双向二极管tra、第二双向二极管trb和第三双向二极管trc；所述第一双向二极管tra的一端与三相变换器中的a相桥臂连接；所述第二双向二极管trb的一端与所述三相变换器中的b相桥臂连接；所述第三双向二极管trc的一端与所述三相变换器中的c相桥臂连接；所述第一双向二极管tra的另一端、所述第二双向二极管trb的另一端、所述第三双向二极管trc的另一端均与所述三相变换器中的电容桥臂连接。

本实施例中，所述a相桥臂、所述b相桥臂、所述c相桥臂和电容桥臂并联。所述三相变换器中的a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂均包括两个串联的开关；所述a相桥臂包括连个串联的开关s2和s5；所述b相桥臂包括连个串联的开关s1和s4；所述c相桥臂包括连个串联的开关s3和s6。所述电容桥臂包括两个串联的电容c1和c2。a相桥臂中两个开关的连接点为a相连接点，b相桥臂中两个开关的连接点为b相连接点，c相桥臂中两个开关的连接点为c相连接点；电容桥臂中的两个电容的连接点为电容中点n。

所述第一双向二极管tra的一端与所述a相连接点连接；所述第二双向二极管trb的一端与所述b相连接点连接；所述第三双向二极管trc的一端与所述c相连接点连接；所述第一双向二极管tra的另一端、所述第二双向二极管trb的另一端、所述第三双向二极管trc的另一端连接，并共同连接至所述电容中点n。

本实施例中，所述三相变换器容错机制控制电路还包括：a相熔断器fa、b相熔断器fb和c相熔断器fc。所述第一双向二极管tra的一端通过所述a相熔断器fa与所述a相连接点连接；所述第二双向二极管trb的一端通过所述b相熔断器fb与所述b相连接点连接；所述第三双向二极管trc的一端通过所述c相熔断器fc与所述c相连接点连接。所述第一双向二极管tra的一端、所述a相熔断器fa与三相电网中的a相连接，所述第二双向二极管trb的一端、所述b相熔断器fb与三相电网中的b相连接，所述第三双向二极管trc的一端、所述c相熔断器fc与三相电网中的c相连接，三相电网连至电网中性电位点n。所述a相熔断器、所述b相熔断器和所述c相熔断器均为快速熔断器。

上述实施例中的三相变换器容错机制控制电路的控制方法如下：

1)判断三相变换器中的a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂的工作状态。

2)当所述a相桥臂、所述b相桥臂和所述c相桥臂中存在处于短路或短路状态的桥臂时，将处于短路或短路状态的桥臂确定为故障桥臂，并将当前时刻确定为故障时刻。

3)控制故障桥臂对应的双向二极管打开。

4)基于clark变换、kvl定律和瞬时功率理论，构建容错变换器功率预测方程。

所述容错变换器功率预测方程为

其中，p(k+1)为当前时刻的有功功率，q(k+1)为当前时刻的无功功率，ts为采样开关周期，l表示电感，eα为电网电压在αβ静止坐标系下的α分量，eβ为电网电压在αβ静止坐标系下的β分量，uα(k)为逆变器输出电压在上一时刻dq轴下的d分量，uβ(k)为逆变器输出电压在上一时刻dq轴下的q分量，p(k)为上一时刻的有功功率，q(k)为上一时刻的无功功率，r为拓扑系统的等效电阻值，iα(k)为离散点k对应的αβ静止坐标系下的α轴的电流值，iβ(k)为离散点k对应的αβ静止坐标系下的β轴的电流值，riα(k)的乘积表示离散点k对应的αβ静止坐标系下的α轴的功率参数，riβ(k)的乘积表示离散点k对应的αβ静止坐标系下的β轴的功率参数。

5)基于上一时刻的有功功率、上一时刻的无功功率、电网电压在αβ静止坐标系下的分量和逆变器输出电压在上一时刻dq轴下的分量，由所述容错变换器功率预测方程计算当前时刻的有功功率和当前时刻的无功功率。

6)由所述当前时刻的有功功率和所述当前时刻的无功功率确定正常桥臂的控制策略；所述控制策略用于实现对所述正常桥臂的电压和电流的控制；所述正常桥臂为所述a相桥臂、所述b相桥臂和所述c相桥臂中除所述故障桥臂之外的桥臂。

结合图2，对三相变换器容错机制控制方法的实现原理进行说明：由桥臂故障下不同电压矢量的关系，确定变换器最优电压矢量；采用模型预测控制，建立价值函数，通过采集tk时刻变量预测tk+1时刻四种电压矢量；经过价值函数评估，选择评估函数绝对值最小值，进而得到最优开关状态，通过pwm调制波实现变换器最优控制。因此，本实用新型实施例提供的三相变换器容错机制控制方法是变换器模型预测的中点电压平衡的方法，同时使用四个矢量组合进行预测电流计算，通过选择最优矢量，达到了中点电压平衡的目标。

在实际应用中，上述实施例中的三相变换器容错机制控制电路的控制方法一个具体实现过程如下：

步骤1：正常状态下，双向二极管tra、trb、trc不工作；当某一桥臂(s1与s4、s2与s5、或者s3与s6)处于短路或断路状态时，断开与该桥臂(s1与s4、s2与s5、或者s3与s6)相连的快速熔断器fa、fb或fc，同时触发对应的双向二极管tra、trb或trc工作，实现故障容错功能，保证系统连续可靠运行。

正常状态下，基于clark变换、kvl定律和瞬时功率理论，构建容错变换器功率预测方程的过程为：

(1)根据基尔霍夫电流(kcl)定律，得到直流侧电容电流。

(2)由kvl定律可得逆变器在a相、b相、c相静止坐标系下的状态方程：

其中，ia、ib、ic、ea、eb、ec、uan、ubn、ucn分别为逆变器电感电流、网侧电压和逆变器输出电压。

(3)逆变器输出电压与开关状态关系方程为：

sb为b相工作状态，当b相上桥臂导通，下桥臂关断时，sb＝1；当b相上桥臂导通，下桥臂关断时，sb＝0；sc为c相工作状态，当c相上桥臂导通，下桥臂关断时，sc＝1；当c相上桥臂导通，下桥臂关断时，sc＝0。

(4)经clark变换，可得αβ两相静止坐标系的方程为：

(5)可得k+1时刻逆变器预测电流方程为：

(6)根据瞬时功率理论，复功率s可以表示为：

(7)有功功率p、无功功率q可表示为：

(8)可得tk+1时刻逆变器预测功率方程为：

基于正常状态下的容错变换器功率预测方程，推导某一相故障的功率预测控制。具体为：

假设a相发生故障，双向二极管tra连接到直流母线n点，b相桥壁(s2与s5)及c相桥壁(s3与s6)四个功率器件可继续运行。

设三相电网连至n(电网中性电位)点，对a、b、c三相相电压为

上述公式中uan为a相对系统中性点n的相电压、ubn为b相对系统中性点n的相电压、ubn为c相对系统中性点n的相电压、ubn为电网系统n与系统n的相对零点电势。

由上述可得到电容中点和系统中性点电压unn表达式：

当a相发生故障后，由于uan＝0，可得：

通过上式可得：

分析三相四开关变换器s1至s6的输出电压矢量与开关状态的关系。定义功率器件工作状态si(i＝b,c)如下：

当i相上桥臂导通，下桥臂关断时，si＝1；当i相上桥臂导通，下桥臂关断时，si＝0。

当a相发生故障后变换器b相与c相线电压数学公式为：

由于故障a相连接到电容中点n点，有uba＝ubn、uca＝ucn，则三相电压可写作：

得到如下并定义功率器件工作状态si(i＝b,c)：

其中，udc1为该系统直流侧上电容电压，udc2为该系统直流侧下电容电压。

对公式进行clark变换，得到在αβ静止坐标系下的方程为：

根据kvl定律，系统状态数学表达式为：

式中，ea、eb、ec为电网的三相电压，ia、ib、ic为并网逆变器输出的三相电流，uan、ubn、ucn为三相并网逆变器根据开关状态下输出的电压。

对式进行clark变换，计算αβ两相静止坐标下的状态方程为：

式中，基于αβ坐标系计算iα、iβ为并网电流，eα、eβ为电网电压在αβ坐标系下的α、β分量，uα和uβ为逆变器输出电压在αβ坐标系下的α、β分量。

对公式进行离散化，可以得到：

式中iα(k)、iβ(k)为k时刻电流采样值通过clark变换后得到α、β分量，uα(k)和uβ(k)为逆变器输出电压在k时刻dq轴下的d、q分量。

根据瞬时功率理论，复功率s可以表示为：

其中，有功功率p、无功功率q可表示为：

对公式进行离散化，可得到：

从而得到a相发生故障容错变换器功率预测方程：

经由上述a相故障后，可以推出b与c相的电压及电流控制策略，在电流及电压控制策略的基础上，可以推出有功功率p、无功功率q的控制策略，由上述控制策略，可以顺利实现a相故障后，b与c相可以实现正常电压、电流控制，从而实现系统正常运行，达到故障容错运行的目的。

由上述步骤可知，可以推理知b相或c相故障时的控制策略和相应的容错机制，可以实现逆变器某一桥臂故障时，其他桥臂安全可靠运行，从而实现系统正常运行，达到故障容错运行的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。