一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法技术

本发明专利技术一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，属于电机驱动技术领域，所述级联H桥变换器的每一相由n个相同的H桥模块级联组成，各H桥模块输入的直流电压均等于V

【技术实现步骤摘要】
一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法


[0001]本专利技术属于电机驱动
，具体涉及一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的应用越来越广泛，电力电子装置所需处理的电压也在不断升高。受限于目前功率管开关器件的电压等级，传统的两电平逆变器不再适用于中、高电压等级的场合。级联H桥多电平变换器作为一种高压大功率应用的拓扑结构，有着开关器件应力小、输出电压谐波低、直流母线电压利用率高等优点，在新能源发电、静止无功发生器以及电机驱动领域有着广泛研究。
[0003]然而，随着功率开关器件个数的增加，变换器的结构变得更加复杂，系统发生故障的可能性更大。功率开关管发生故障会导致系统的输出发生一定程度上的畸变，并网系统中可能会冲击整个大电网，影响电网的质量。在工业系统中，变换器故障可能使得整个电路系统停止工作，轻则导致工厂停止生产，重则造成严重的安全事故，给使用部门和社会带来巨大的损失。因此，研究故障后变换器不间断运行的容错控制技术，保证三相电气量对称输出、电压可调、电能质量影响最小以具备必要的应急处理能力是很有意义的。在检测到故障的功率开关器件后，需要设计容错控制运行方法实现变换器在故障发生时的不间断运行，并充分利用剩余正常的功率开关器件保证变换器运行的电能质量。
[0004]从实施的角度来看，目前系统发生模块故障后的容错控制运行方法可分为两类，即基于添加硬件和基于软件控制算法两种。基于添加硬件的策略中，需要在级联H桥多电平变换器电路结构中加入额外的H桥模块，增加了系统成本。基于软件控制策略不需要添加额外的模块，但会增加控制的复杂度。重点考虑软件控制策略，系统故障下的容错调制算法主要分为使用冗余开关状态的空间矢量调制和注入零序电压的载波移相调制。
[0005]现有文献1F.Carnielutti,H.Pinheiro and C.Rech,"Generalized Carrier
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Based Modulation Strategy for Cascaded Multilevel Converters Operating Under Fault Conditions,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.59,no.2,pp.679
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689,Feb.2012使用调制波加载波的调制算法，通过在调制波中注入共模分量保证系统故障后的可靠运行。首先根据故障后三相不同的直流输入电压计算出保证系统在不同故障情况下可靠运行需注入的共模电压范围，之后在范围内选择平均值作为最终注入的共模电压。该方法实现简单，适用多种故障工况，但会导致系统的共模电压变大、整体效率降低、相间电平跳跃幅度大。
[0006]现有文献2L.G.G.P.de Castro and M.B.R."Afast space
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vector algorithm for cascaded H
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bridge converters under faulty conditions,"2012 10th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications,2012,pp.1
‑
7使用空间矢量调制策略，使用g
‑
h坐标下简化矢量的选择过程，在不同的故障情况下均可使用。不过该方法并未给出矢量序列的生成方法，实现复杂，对于共模电压、系统效率等指标也未进
行优化。
[0007]现有文献3H.Lin,M.Mehrabankhomartash,F.Yang,M.Saeedifard,J.Yang and Z.Shu,"AFlexible Space Vector Modulation Scheme for Cascaded H
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Bridge Multilevel Inverters Under Failure Conditions,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.69,no.12,pp.11856
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11867,Dec.2022使用空间矢量调制策略，保证系统在故障正常运行的基础上，可以根据不同优化目标如：开关次数小、谐波特性好、功率均分等给出不同的开关序列。但是对于不同的故障工况并不能做到矢量生成和序列生成的统一，实现复杂。

技术实现思路

[0008]针对上述调制方法在级联H桥变换器故障下容错控制的缺陷和不足，本专利技术提出一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，该方法能保证变换器在不同的故障情况下不间断运行，并且可以输出三相对称且直流电压利用率最高的线电压，同时给出通用的开关序列生成方法，选择合适的开关状态和开关序列，以减小共模电压并提高系统效率。
[0009]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0010]一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，所述级联H桥变换器的每一相由n个相同的H桥模块级联组成，各H桥模块输入的直流电压均等于V
dc
；每一个H桥模块包括四个功率开关器件，分别将其定义为W
xn1
,W
xn2
,W
xn3
,W
xn4
，x＝a,b,c，n是每一相级联全桥的个数；
[0011]所述调制方法包括：
[0012]根据子模块的输出电压特性，定义故障类型，得到不同故障情况下输出电压的空间矢量图；
[0013]根据三相参考电压合成得到电压参考矢量V
ref
，在故障下输出电压的空间矢量图中进一步选取合适的矢量进行合成。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，将三相不同的开关管故障情况量化为不同的三相电压输出范围，再利用H
i
D
i
坐标系的简化特性，在三相电压输出范围内的多种合成序列中选择出共模电压小的五段式开关序列作为最后输出的开关序列进行参考矢量的合成。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，采用H
i
D
i
旋转对称坐标系对三相ABC坐标系进行坐标变换，将参考矢量V
ref
始终定位于一菱形中，选取距原点最近的菱形顶点为相对零矢量V0的坐标位置，并得到V0的H
i
D
i
坐标值；接着判断参考矢量是位于菱形的正三角形或者倒三角形，确定调制三角形中离参考矢量最近的三个矢量为合成的基本矢量，并计算三个矢量的作用时间。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，将相对零矢量V0的开关状态作为序列的起始状态，并保证开关序列中任意时刻至多只改变一相的开关状态，且一次只跳变一个电平；采用不连续PWM生成五段式序列，从相对零矢量出发，得到五段式减序列和五段式加序列。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，其特征在于，所述级联H桥变换器的每一相由n个相同的H桥模块级联组成，各H桥模块输入的直流电压均等于V
dc
；每一个H桥模块包括四个功率开关器件，分别将其定义为W
xn1
,W
xn2
,W
xn3
,W
xn4
，x＝a,b,c，n是每一相级联全桥的个数；所述调制方法包括：根据子模块的输出电压特性，定义故障类型，得到不同故障情况下输出电压的空间矢量图；根据三相参考电压合成得到电压参考矢量V
ref
，在故障下输出电压的空间矢量图中进一步选取合适的矢量进行合成。2.根据权利要求书1所述的级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，其特征在于，将三相不同的开关管故障情况量化为不同的三相电压输出范围，再利用H
i
D
i
坐标系的简化特性，在三相电压输出范围内的多种合成序列中选择出共模电压小的五段式开关序列作为最后输出的开关序列进行参考矢量的合成。3.根据权利要求书1所述的级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，其特征在于，采用H
i
D
i
旋转对称坐标系对三相ABC坐标系进行坐标变换，将参考矢量V
ref
始终定位于一菱形中，选取距原点最近的菱形顶点为相对零矢量V0的坐标位置，并得到V0的H
i
D
i
坐标值；接着判断参考矢量是位于菱形的正三角形或者倒三角形，确定调制三角形中离参考矢量最近的三个矢量为合成的基本矢量，并计算三个矢量的作用时间。4.根据权利要求书1所述的级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，其特征在于，将相对零矢量V0的开关状态作为序列的起始状态，并保证开关序列中任意时刻至多只改变一相的开关状态，且一次只跳变一个电平；采用不连续PWM生成五段式序列，从相对零矢量出发，得到五段式减序列和五段式加序列。5.根据权利要求书1所述的级联H桥变换器故障下不间断运行的矢量调制方法，其特征在于，在得到满足故障下V
ref
合成的开关状态范围后，从中选取共模电压最小的开关状态；选取五段式加序列和五段式减序列两种生成方式下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，肖朝民，汪万兴，李阳，褚恒，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：