基于开关序列重构的级联NPC三电平整流器容错控制方法

基于开关序列重构的级联npc三电平整流器容错控制方法
技术领域
1.本发明属于多电平变换器容错控制技术领域，尤其涉及一种基于开关序列重构的级联npc三电平整流器容错控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来，级联多电平变换器由于具有较好的灵活性与易模块化使得其在电力电子牵引变压器(power electronic traction transformer，pett)系统中得到了广泛应用，如图1所示。pett作为高速列车的动力来源和核心，其高效和轻量化是研究重要部分。作为pett的输入级，单相级联h桥整流器的稳定运行对整个系统起着至关重要的作用。级联npc三电平整流器由于具有丰富的冗余开关状态、高耐压、高效率的优点得到广泛使用与研究。
4.对于多电平级联整流器，由于其开关器件数量大，并且在高压大功率的运行条件下，开关管igbt需要承受高压大电流，使得开关管的故障概率提升。开关管断路故障后会使得交流网侧电流发生畸变，直流侧输出电压发生波动，在负载不平衡下会加剧模块间直流侧电压的不平衡，无法保证pett系统正常运行，严重时将导致电网频率波动，所以如何使得系统在故障后仍能可靠运行至关重要。
5.为了解决这些问题，多位研究人员提出了多种故障容错方式。这些方法可以分为两类：一种是采用硬件方案增加冗余模块直接隔离故障模块，硬件方案主要包括采用热备份冗余单元、增加冗余桥臂、重构电路拓扑等方式，然而，这些方案不可避免的增加了系统的成本和重量，当冗余模块使用过后，若再出现开关故障，则会使得系统因没有冗余备用而导致崩溃。第二种是基于控制策略的方案，主要包括对调制电压进行重构，对故障区间的开关序列进行重构，然而，这些方式在故障区间将故障模块直接旁路，使得输出功率减少，无法彻底消除电流谐波畸变，并且在直流侧负载不平衡时，无法使得直流侧电压达到均衡。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于开关序列重构的级联npc三电平整流器容错控制方法，其实现了在开关故障下不平衡负载时级联h桥整流器的容错控制。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明提供了一种基于开关序列重构的单相级联npc三电平整流器容错控制方法。
9.基于开关序列重构的级联npc三电平整流器容错控制方法，所述级联npc三电平整流器包括若干个npc三电平模块，每个所述npc三电平模块包括两个桥臂，每个桥臂包括四个igbt开关管；
10.包括：
11.将一个工频周期按照交流侧电流与调制电压的正/负方向关系大小和分为四个区域，在保证每一个npc三电平模块交流侧电平不变化的情况下，重构四个区域内的开关序列，使用除故障涉及的开关状态重新合成参考电压，以使级联npc三电平整流器从故障中恢复，实现交流侧电流畸变的恢复。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.(1)本发明针对电力电子变压器的前级级联npc三电平整流器提出中性点开关故障容错控制，充分利用npc三电平开关数量多，冗余矢量多的特点实现容错控制，使得电力电子变压器在前级电路开关断路故障的情况下依然能够稳定运行。
14.(2)本发明提出的容错策略无需改变拓扑结构，无需改变调制电压，不增加任何硬件成本，只需要使用冗余矢量代替故障涉及的矢量，改变相应区间内的开关序列即可使得系统重新正常运行。同时容错控制方法可以实现正常和故障时的控制方法的无缝切换。容错控制响应速度快，可以使得系统快速恢复正常。
15.(3)本发明提出的容错策略可以使得故障区域的网侧电流畸变率满足并网要求，并且实现了单位功率因数整流。级联h桥的交流侧输出总电平数不会发生改变，也不会出现多电平跳变的情况。
16.(4)本发明提出的容错策略可以减小模块内中性点电位偏移的程度。并且仍能够实现在多模块负载侧不平衡时的均压控制。在加入容错策略后，充分利用故障模块，在解决故障模块的问题时，不影响其他模块的正常运行，并且故障模块仍能传输大部分的额定功率。
17.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.图1为电力电子牵引变压器拓扑结构图；
20.图2(a)为开关状态为“1”时，网侧电流为正方向时的正常电流流通路径示意图；
21.图2(b)为开关状态为“0”时，网侧电流为正方向时的正常和故障电流流通路径示意图；
22.图2(c)为开关状态为
“‑
1”时，网侧电流为正方向时的正常和故障电流流通路径示意图；
23.图2(d)为开关状态为“1”时，网侧电流为负方向时的正常和故障电流流通路径示意图；
24.图2(e)为开关状态为“0”时，网侧电流为负方向时的正常和故障电流流通路径示意图；
25.图2(f)为开关状态为
“‑
1”时，网侧电流为负方向时的正常电流流通路径示意图；
26.图3为s
a12
开关管发生断路故障后，网侧电流的变化波形图；
27.图4为s
a12
开关管发生断路故障后，第一个模块中的a桥臂输出电压的电平变化波形图；
28.图5为s
a12
开关管发生断路故障后，直流侧电容电压变化的波形图；
29.图6为s
a12
开关管发生断路故障后，第一个模块中两个直流侧电容的电压变化波形图；
30.图7为s
a13
开关管发生断路故障后，网侧电流的变化波形图；
31.图8为交流网侧电流与调制电压的关系示意图；
32.图9(a)为正常状态和s
a12
开关管发生断路故障时的区域
③
内的开关序列和脉冲电压的变化示意图；
33.图9(b)为正常状态和s
a12
开关管发生断路故障时的区域
④
内的开关序列和脉冲电压的变化示意图；
34.图10(a)为正常状态和s
a13
开关管发生断路故障时的区域
①
内的开关序列和脉冲电压的变化示意图；
35.图10(b)为正常状态和s
a13
开关管发生断路故障时的区域
②
内的开关序列和脉冲电压的变化示意图；
36.图11为本发明提出的容错策略流程框图；
37.图12为级联npc三电平整流器的控制框图；
38.图13为加入容错策略后网侧电流的波形变化图；
39.图14为加入容错策略后网侧电压与电流的波形图；
40.图15为加入容错策略后的两个级联模块的直流侧电容电压变化图；
41.图16为加入容错策略后的第一个模块的直流侧两个电容的电压变化图；
42.图17为加入容错策略后的第一个模块交流侧的输出电平波形图；
43.图18为s
a12
开关管发生断路故障后的网侧电流畸变率thd效果图；
44.图19为加入容错策略后的网侧电流畸变率thd效果图。
具体实施方式
45.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
46.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
47.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
48.本实施例提供了一种基于开关序列重构的单相级联npc三电平整流器容错控制方法，可参考以下内容实现：
49.1开关断路故障分析
50.本发明提出的容错策略是在图1所示的级联npc三电平变换器系统上实现的。所述级联npc三电平变换器系统为电力电子变压器的输入级，该系统由交流电源、输入滤波电感、n个npc三电平整流器模块组成。n个npc三电平模块前后串接。单个npc三电平整流器包含两个桥臂，每个桥臂有四个开关管和两个箝位二极管组成，直流侧由两个支撑电容组成，
两个电容的中点和两个桥臂的箝位二极管的中点相连。
51.为便于下述表达，将开关管标记为s
xij
，其中x(x＝a,b)代表开关管处于的桥臂位置，i(i＝1,2,
…
n)代表开关管处于第几个模块，j(j＝1,2,3,4)代表开关管在一个桥臂中所处的位置。例如s
b23
代表位于第二个模块中b桥臂(自左向右第二个桥臂)中自上向下第三个开关管。定义s
xi1
、s
xi4
为外开关管，s
xi2
、s
xi3
为中性点开关管。定义当单个桥臂中s
xi1
、s
xi2
导通，s
xi3
、s
xi4
关断时，此时该桥臂的电平状态为“1”状态。当单个桥臂中s
xi2
、s
xi3
导通，s
xi1
、s
xi4
关断时，此时该桥臂的电平状态为“0”状态。当单个桥臂中s
xi3
、s
xi4
导通，s
xi1
、s
xi2
关断时，此时该桥臂的电平状态为
“‑
1”状态。例如第三个模块的a桥臂为s
a33
、s
a34
导通，s
a31
、s
a32
关断、b桥臂为s
b31
、s
b34
导通，s
b32
、s
b32
关断,则第三个模块的输出电压矢量可以表示为(-1,1)。下述以两模块级联为例分析开关管故障对系统的影响。
52.考虑到外开关管和中性点开关管故障对系统的影响程度，外开关管故障对系统的影响远远小于中性点开关管故障造成的影响，并且考虑到b桥臂中性点开关管故障后可以选择采用的正常冗余矢量较少，为避免电平跳变，只能选择旁路故障模块的模式，不适合进行开关序列重构。所以本实施例主要解决模块中a桥臂中性点开关管的故障。下述以第一个模块a桥臂中性点开关管故障为例进行分析。分析的前提条件是级联npc三电平整流器工作在单位功率因数下，并且规定电流正方向为从交流电网侧到直流侧。根据电流方向和开关状态，对于a桥臂共有六种电流流通路径如图2(a)-图2(f)所示，在单位功率因数运行状态下，大部分正电流流过图2(a)和图2(b)，大部分负电流流过图2(e)和图2(f)。图2中实线为正常状态下的流通路径，虚线为中性点开关故障时的流通路径。
53.1)s
a12
开关管发生故障：在正常状态下，当电流为正时，没有电流直接流过s
a12
。当电流为负时，有两条电流路径流过s
a12
，分别如图2(d)和图2(e)所示。当s
a12
发生断路故障时，因为没有正电流直接流过故障开关s
a12
，所以s
a12
开关故障对电路没有任何影响。当电流为负时，图2(d)和图2(e)中的电流将会被强迫换流为图2(f)，即在电流为负时，第一个模块中a桥臂只能输出-e电平的状态，无法输出e和0状态。缺少这些电压矢量将会导致无法合成电压矢量(1,1)、(0,0)、(0,1)。这会使得在网侧输入电流会在电流为负方向时发生畸变，如图3所示。第一个模块的a桥臂输出电平会减少，如图4所示。直流侧电容电压发生波动，如图5所示。单个模块内下方电容电压高于上方电容电压。如图6所示。
54.2)s
a13
开关管发生故障：在正常状态下，当电流为正时，有两条电流路径流过s
a13
，分别如图2(b)和图2(c)所示。当电流为负时，无电流直接流过s
a13
。当s
a13
发生断路故障，当电流为正时，图2(b)和图2(c)中的电流将会被强迫换流为图2(a)，即在电流为正时，第一个模块中a桥臂只能输出e电平的状态，无法输出-e和0状态。缺少这些电压矢量将会导致无法合成电压矢量(-1,-1)、(0,0)、(0,-1)。这会使得在正电流部分网侧输入电流发生畸变。如图7所示。第一个模块的交流侧输出会增加一个或两个电平。直流侧电容电压发生波动。单个模块内上方电容电压高于下方电容电压。当电流为负时，因为没有负电流直接流过故障开关s
a13
，所以s
a13
开关故障对电路没有任何影响。
55.由上述对电流路径的分析，中性点开关管发生断路故障时，许多矢量无法正常合成，交流电网侧的输出电平发生变化，相应地会使得电感电流发生畸变、直流侧电压产生脉动、模块内个两直流侧电容电压不平衡。与正常状态下相比，调制波与载波比较产生的脉冲宽度电压的冲量会由于电流路径的变化而被迫发生变化。
56.根据交流侧电流与调制电压的正/负方向关系，可以将一个工频周期分为四种状态，分别标记为区域
①
～
④
，如图8所示。区域
①
为交流网侧电流为正方向且调制电压为负方向，区域
②
为交流网侧电流为正方向且调制电压为正方向，区域
③
为交流网侧电流为负方向且调制电压为正方向，区域
④
为交流网侧电流为负方向且调制电压为负方向。由上述分析可得，当中性点开关sa12故障时，区域
③
和
④
中的交流网侧电流会发生畸变。当中性点开关sa13故障时，区域
①
和
②
中的交流网侧电流会发生畸变。由于在每半个工频周期内，两者的关系又分为两种状态，这两种状态涉及的不能合成的开关状态不同。所以需要单独分析每一种状态。
57.本实施例采用载波层叠移相的调制方式，模块内两桥臂采用载波层叠，调制波反向的方式，模块间采用载波移相的方式。为便于分析中性点开关断路故障对调制电压冲量的影响，取一个载波周期进行分析。分析如图9(a)-图9(b)所示。
58.图9(a)分为三种调制电压幅值范围分析区域
③
中的开关序列与脉冲电压宽度的变化。在调制电压幅值0《m《0.5时，正常状态下第一个模块的开关序列为(1,0)-(0,0)-(0,-1)-(0,0)-(1,0)。s
a12
断路故障发生时，第一个模块的a、b桥臂对应的开关序列会被迫转变为(-1,0)-(-1,0)-(-1,-1)-(-1,0)-(-1,0)。第一个模块变为一直输出负电平的状态。当调制电压幅值0.5≤m《1时，分析方式相同。在区域
③
中，后两种幅值状态占小部分，大部分为调制电压幅值为0《m《0.5的情况。后两种情况在此处不再赘述。
59.图9(b)分为三种调制电压幅值范围分析区域
④
中的开关序列与脉冲电压宽度的变化。在调制电压的幅值0《m《0.5时，正常状态下第一个模块的开关序列为(0,1)-(0,0)-(-1,0)-(0,0)-(0,1)。当s
a12
断路故障发生时，开关序列被迫转变为(-1,1)-(-1,0)-(-1,0)-(-1,0)-(-1,1)。第一个模块的-e电平大部分变为-2e电平，0电平均变为-e电平。当调制电压的幅值0.5≤m《1时，分析方式相同。大部分开关状态对应的电平数减少。
60.根据面积等效原理，当调制电压的幅值为0《m《0.5时，从图9(a)可以看出，正常状态下在区域
③
时第一模块的等效输出pwm电压u
normal_reg3
可以表示为：
[0061][0062]
其中，u
ref_all
为所有模块的调制电压之和，n为级联的模块数，e为模块的直流侧电压，ts为开关周期，t1、t2、t3分别为三段式开关序列的每一个电压矢量的作用时间。
[0063]
故障状态下第一模块的等效输出pwm电压u
fault_sa12_reg3
可表示为：
[0064][0065]
从图9(b)可以看出，正常状态下在区域
④
时第一模块的等效输出pwm电压u
normal_reg4
可以表示为：
[0066][0067]
故障状态下在区域
④
时第一模块的等效pwm电压u
fault_sa12_reg4
输出可表示为：
[0068][0069]
综合图9(a)和图9(b)可以得到在s
a12
开关管发生断路故障时，大部分脉冲电压的
冲量均减小，只有小部分没有变化，所以总的脉冲电压的大小是减小的。相应的交流侧电感电流也会有一个正方向的偏置。
[0070]
图10(a)-图10(b)为s
a13
断路故障发生时，开关序列和脉冲电压的变化图。分析方式与s
a12
开关管故障时的方式相同，由图10(a)-图10(b)可以得到，大部分脉冲电压的冲量均增大，只有小部分没有变化，所以总的脉冲电压的大小是增大的。相应的交流侧电感电流也会有一个负方向的偏置。
[0071]
2容错策略
[0072]
根据交流侧电流与调制电压的正/负方向关系划分的四个区域，本实施例提出一种四区域开关序列重构的方式，在四个区域内选择不同的开关矢量，避开故障开关包含的开关状态。
[0073]sa12
断路故障发生时，需要在区域
③
和
④
排除第一个模块a桥臂的0和e状态，仅保留-e状态，通过调整b桥臂的电平状态，实现第一个模块交流侧电平与正常状态下时一样。
[0074]
在区域
④
中无法正常合成的矢量为(0,1)、(0,0)，其对应的冗余小矢量(-1,0)和(-1,-1)可以使得电流正常流通。并且实现了第一个模块交流侧电平保持不变。第一个模块无功率损失。在区域
④
中将原本对模块内上电容充电的矢量变为了对模块下电容充电的矢量，为平衡模块内中点电压，在区域
②
中将对下电容充电的矢量(0,-1)变为(1,0)。区域
②
其他矢量不变。
[0075]
区域
③
与区域
④
不同之处在于区域
③
中调制电压与交流侧电流大小的符号不同，这也导致故障涉及的开关状态(1,0)、(0,-1)、(1,-1)无法找到其对应的冗余小矢量使得交流侧电平保持不变。为避免区域
③
内发生多次多电平跳变，只能选择离这些故障开关状态最近的开关状态，使用(-1,-1)代替故障涉及的开关状态。可以保证大部分的开关状态对应的交流侧电平状态不会出现多电平跳跃的情况。
[0076]
区域
①
中发生s
a12
断路故障时，不会出现电流的畸变，所以在区域
①
中不需要做处理。
[0077]sa13
断路故障发生时，需要在区域
①
和
②
排除第一个模块a桥臂的0和-e状态，仅保留e状态。
[0078]
区域
②
中无法正常合成的矢量为(0,-1)、(0,0)，其对应的冗余小矢量(1,0)和(1,1)可以使得电流正常流通。为平衡模块内中点电压，在区域
④
中将对上电容充电的矢量(0,1)变为(-1,0)。区域
④
其他矢量不变。
[0079]
区域
①
与区域
②
不同的点为区域
①
中调制电压与交流侧电流大小的符号不同，这也导致故障涉及的开关状态(-1,1)、(0,1)、(-1,0)无法找到其对应的冗余小矢量使得交流侧电平保持不变。为避免区域
①
内发生多次多电平跳变，使用(1,1)代替故障涉及的开关状态。可以保证大部分的开关状态对应的交流侧电平状态不会出现多电平跳跃的情况。
[0080]
区域
③
中发生s
a13
断路故障时，不会出现电流的畸变，所以在区域
③
中不需要做处理。
[0081]
综上所述，本实施例提出的容错策略如图11所示。
[0082]
3容错控制方法的功率传输能力分析
[0083]
研究模块间的电压平衡时，可以将npc三电平整流器等效为两电平整流器。当各级整流器负载侧不平衡时，若依旧对各级整流器采用相同的调制电压，是无法使得直流母线
电压平衡的。所以需要重新分配调制比。为了检验该容错方法加入系统后是否会影响系统原有的均压控制环。下面将对加入容错控制后的整流器能够传输的功率作进一步探究。
[0084]
在加入四区域开关序列重构的容错控制策略情况下，第一个模块在区域
①
、
②
、
④
内的调制电压不会发生变化，但调制电压在区域
③
内会直接降到零，第一个模块被直接旁路掉，且无法重新分配调制比调整其电压。而第二个模块在不加均压策略的情况下的调制电压为区域
③
和
①
的时间大小受交流侧电流和调制电压的影响，下面将以s
a12
发生断路故障时为例，分析加入容错策略后系统传输功率的变化。
[0085]
在区域
③
中，在一个开关周期内，两个模块的电容电压的变化量δu
dc1
、δu
dc2
可以分别表示为：
[0086][0087][0088]
其中，c为直流侧电容值，ir为直流侧电流，ig为交流侧电流的瞬时值。
[0089]
由式(5)、(6)可以看出，在一个开关周期内电容电压的变化量与开关频率、调制度、交流侧电流大小密切相关，在高的开关频率和小区域
③
的情况下，第一个模块在区域
③
时的电压缓慢下降，电容电压的变化量可以忽略不计。所以可以默认其他模块正常工作，均压闭环的控制效果不会受到第一个模块故障的影响。
[0090]
故障前级联h桥整流器各个模块传输的功率可以表示为：
[0091][0092]
其中，p
normal_modi
(i＝1,2,
…
n)为单个模块正常状态下的额定功率，u
normal
为单个模块正常状态下的调制电压。
[0093]
故障后，需要计算区域
③
中调制电压与交流电流的相位差δθ，δθ可以如下计算：
[0094][0095]
其中，ug为交流侧电压的有效值，u
ref_all
为调制电压的有效值，ig为交流侧电流的有效值，z为交流侧感抗值，f
ac
为工频周期，ls为交流侧电感值。
[0096]
使用式(8)和本实施例所使用的仿真参数(如表1所示),δθ可以表示为
[0097][0098]
区域
③
的时间间隔t
reg_3
可以表示为
[0099][0100]
由式(7)、(9)、(10)可以得到故障后的第一个模块的传输功率p
fault_mod1
为
[0101][0102]
根据式(11)可以看出在添加本实施例提出的容错方法后，系统仍能传输98％的额定功率。在负载不平衡的情况下，可以实现模块间的电容电压平衡，保证系统的稳定性
[0103]
综上所述，图12为当第一模块的a桥臂的中性点开关发生断路故障时所提出容错方法的控制框图。同样，该方法也同样适用于其他桥臂和其他模块的容错控制。
[0104]
4仿真验证
[0105]
通过仿真验证本实施例所提出的容错算法的有效性。下述以第一模块的a桥臂的s
a12
故障为例。表1列出了仿真参数。
[0106]
表1仿真参数
[0107][0108][0109]
图13为在1.3秒后加入容错策略后，交流电网侧的电流畸变得到改善。图14可以得到加入容错策略后依然实现了单位功率因数整流，网侧电流与网侧电压同相位。图15为两个模块直流侧的电压，加入容错策略后，两个模块的负载虽不同，但是两者的电压均可以重新稳定在给定值800v，恢复了故障时的电力电子变压器功率的传输能力，实现了不同负载
情况下的均压控制。图16为第一个模块的直流侧两电容电压的变化波形图，可以得到，在加入容错策略后两电容电压在给定值400v附近波动，减小了中点电位偏移的程度。图17为第一个模块交流侧的输出电平，加入策略后，可以得到消除了电平的越级跳变，稳定输出五电平。图18为故障时网侧电流的畸变率thd为33.43％。图19可以得到加入容错策略后的网侧电流的畸变率thd为1.03％，满足并网电流畸变率的要求。
[0110]
本实施例首先分析了故障下电路状态的变化，然后在不影响各模块交流侧电平和交流侧电流的前提下，在四个区域进行不同的开关序列重构。最后，对具有容错控制的系统功率进行了分析，得出的结论是，根据仿真的参数，系统在故障后仍能传输98％的功率，仍能实现模块间的均压控制。本实施例提出的方法有效地保证了故障发生时交流侧的电能质量，并保证了负载不平衡时pett系统的稳定运行。
[0111]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。