一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法與流程

本發明涉及一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法。

背景技術：
大功率的變換可以通過多種途徑實現，多電平逆變器因其具有一系列的優點，成為大功率高壓變換領域的研究熱點。二極管中點箝位型(NPC)三電平逆變器由于其拓撲結構和控制方法都比較成熟，成為多電平高壓大功率逆變器研究的重點方向。與傳統的兩電平逆變器拓撲結構相比，二極管中點箝位式三電平逆變器的優點主要有：(1)平均每個主開關管器件承受的正向阻斷電壓為直流側母線電壓一半；(2)可以大大的減少諧波，降低開關頻率，減小系統損耗，如要達到相同的輸出性能指標并以開關頻率來衡量，三電平是兩電平開關頻率的1/5，其電壓上升率(dv/dt)是兩電平逆變器的1/2，電流上升率(di/dt)也伴隨著減少，可大大降低對電機的絕緣性能的損害，增長電機的工作壽命；(3)由于增加了電平數，相對降低了每個電平的幅值，減少了電壓的變化，主電路含有的電流脈動成分減小，同時也降低了電磁噪聲和轉矩脈動；(4)若三電平逆變器連接三相對稱的星形負載且中點懸空，負載中就不會產生3的倍數次的諧波電流。盡管NPC三電平逆變器具有以上眾多優點，然而它也具有系統結構復雜、所需電力電子器件過多等缺點。結構的復雜和器件的增多相應地造成了多電平逆變器運行故障率的增大，不僅增加了逆變器的運行和維護成本，而且降低了其驅動的整個系統的工作可靠性，嚴重影響了生產的質量和安全。在電力、交通、航天、軍工、礦山等領域，對于設備連續可靠運行方面的要求極高，因此，對提高多電平逆變器可靠性的研究具有重要的實際意義和經濟價值。目前，提高多電平逆變器的可靠性主要是通過以下方法：1、逆變器的并聯運行采用兩個或多個逆變器并聯運行，不僅可以有效增加系統的可靠性，并且可以增大逆變器的容量，減小輸出電流諧波。但這種方法造成系統的結構非常復雜，控制比較困難，并且存在環流和均流問題，實際應用范圍較小。2、逆變器采用模塊化結構逆變器的每個橋臂都采用模塊化設計，每個模塊都設計成方便拆卸和安裝的形式，當逆變器的某一器件發生故障時，直接更換故障器件所在的整個橋臂模塊，在最短的時間內恢復逆變系統的運行。此方法盡管有效地縮短了系統的故障時間，但一旦發生故障仍必須緊急停機，不能考慮所驅動設備的實際運行要求，并且要預留充足的備用模塊。3、逆變器硬件拓撲采用冗余結構借鑒目前電力電子領域正在研究的三相四橋臂逆變器拓撲結構，系統另外設計附加的一個橋臂。當逆變器的某一器件發生故障時，控制系統通過附加的橋臂繼續維持系統的運行，直到設備允許停機時維修損壞器件。此方法可以做到系統的連續穩定運行，但代價是系統的結構更加復雜，系統的硬件成本增大，控制方法也復雜。以上方法都是從系統的硬件及拓撲結構方面出發提高逆變器的運行可靠性，沒有充分利用多電平逆變器本身具有的軟件控制方法上的冗余特性。

技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的是提供一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法，利用NPC三電平逆變器空間電壓矢量的冗余特性，通過軟件方法實現NPC三電平逆變器故障情況下的繼續運行，在不增加系統硬件成本的基礎上有效地提高系統的可靠性。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法，它包括以下步驟：A、實時對NPC三電平逆變器進行器件故障檢測，確定故障的位置以及故障類型；B、根據故障位置和故障類型確定故障狀態下損失的空間電壓矢量，繪出故障狀態的空間電壓矢量分布圖；C、根據重新繪出的空間電壓矢量分布圖，分析該故障狀態下NPC三電平逆變器是否能夠繼續運行，即是否還能合成旋轉參考空間電壓矢量；D、根據重新繪出的空間電壓矢量分布圖，分析該種故障狀態下NPC三電平逆變器是否能夠原級運行，即計算可合成的旋轉參考空間電壓矢量的范圍，是否依然能夠形成長電壓矢量構成的正六邊形內切圓；E、對于能夠繼續運行的故障狀態(包括正常運行和降級運行)，根據重新繪出的空間電壓矢量分布圖，重新選擇合成矢量，并計算各矢量的作用時間，對各矢量切換順序進行優化，形成新的冗余控制脈沖序列。優選的，在步驟A中，需實時對NPC三電平逆變器進行器件故障檢測，確定故障位置和故障類型。NPC三電平逆變器的電力電子開關器件故障類型包括短路故障和開路故障。短路故障的位置包括每一橋臂的兩個鉗位二極管、每一橋臂外側的兩個開關管和內側的兩個開關管；開路故障的位置包括每一橋臂的兩個鉗位二極管、每一橋臂外側的兩個開關管。檢測短路故障位置，當實時檢測的電壓總為零時，則判定相應位置的電力電子器件發生短路故障；檢測開路故障位置，當實時檢測的電壓總不為零時，則相應位置的電力電子器件發生開路故障。優選的，在步驟B中，采用如下方法重新繪制空間電壓矢量分布圖：首先分析器件故障導致NPC三電平逆變器可輸出電平狀態的損失，然后將包含損失電平狀態的矢量去除，即可得到新的空間電壓矢量分布圖。優選的，在步驟C中，當NPC三電平逆變器故障相靠近P極的鉗位二極管發生短路故障時，故障相損失P電平狀態；當NPC三電平逆變器故障相靠近N極的鉗位二極管發生短路故障時，故障相損失N電平狀態；當NPC三電平逆變器故障相外側的一個開關管發生短路故障時，故障相損失O電平狀態；當NPC三電平逆變器故障相內側靠近P極的開關管發生短路故障時，故障相損失N電平狀態；當NPC三電平逆變器故障相內側靠近N極的開關管發生短路故障時，故障相損失P電平狀態。當NPC三電平逆變器故障相鉗位二極管發生開路故障時，故障相損失O電平狀態；當NPC三電平逆變器故障相外側靠近P極開關管發生開路故障時，故障相損失P電平狀態；當NPC三電平逆變器故障相外側靠近N極的開關管發生開路故障時，故障相損失N電平狀態。優選的，在步驟D中，空間電壓矢量圖中的矢量可按幅值大小作如下分類：根據檢測到的故障情況，重新繪制出的故障狀態空間電壓矢量分布圖可分為四類：D1：故障橋臂損失O電平狀態。對于故障相損失O電平狀態的情況，由于小矢量有冗余矢量，大矢量沒有損失，因此，空間電壓矢量圖中損失的矢量只有中矢量和一個零矢量，矢量圖輪廓與正常狀態時相同，所以逆變器仍可原級運行，即可合成參考空間電壓矢量的幅值與正常情況下相同。D2：故障橋臂損失P電平狀態。對于故障相損失P電平狀態的情況，空間電壓矢量圖中的大矢量、中矢量、小矢量和零矢量均有損失，但由于小矢量和零矢量具有冗余矢量，因此利用冗余矢量，仍可圍成正六邊形的矢量圖。由于大矢量和中矢量不完整，新的正六邊形矢量圖是由小矢量和零矢量組成的，因此矢量圖輪廓比正常狀態時小，逆變器需降級運行，此時可合成參考空間電壓矢量的幅值是正常情況下的1/2。D3：故障橋臂損失N電平狀態。對于故障相損失N電平狀態的情況，空間電壓矢量圖中大矢量、中矢量、小矢量和零矢量均有損失，但由于小矢量和零矢量具有冗余矢量，因此利用冗余矢量，仍可圍成正六邊形的矢量圖。由于大矢量和中矢量不完整，新的矢量圖是有小矢量和零矢量組成的，因此正六邊形矢量圖輪廓比正常狀態時小，逆變器需降級運行，此時可合成參考空間電壓矢量的幅值是正常情況下的1/2。D4：故障橋臂損失P電平狀態和N電平狀態。對于故障相同時損失P電平狀態和N電平狀態的情況，空間電壓矢量圖中的大矢量、中矢量、小矢量和零矢量均有損失，只剩余兩個中矢量、六個小矢量和一個零矢量可用，而六個小矢量和零矢量恰好圍成正六邊形的空間電壓矢量圖，此時故障相始終輸出O電平狀態。由于新的矢量圖是由小矢量和零矢量組成的，因此矢量圖輪廓比正常狀態時小，逆變器需降級運行，此時可合成參考空間電壓矢量的幅值是正常情況下的1/2。優選的，在步驟E中，重新選擇作用矢量和優化矢量作用順序的原則是：E1：每次切換開關狀態時，涉及盡量少的開關器件；E2：在原則E1的基礎上，盡量滿足每個開關周期均以零電壓矢量開始，又以零電壓矢量結束。本發明由于采取以上技術方案，其優點在于：在分析NPC三電平逆變器器件發生故障情況下的空間電壓矢量圖的基礎上，充分利用冗余空間電壓矢量，既不改變逆變器的拓撲結構，也不另外增加硬件設備，通過軟件控制就能實現逆變器故障狀態下的繼續運行，提高了系統的可靠性。附圖說明圖1是NPC三電平逆變器拓撲結構圖；圖2是NPC三電平逆變器A相工作模式一原理圖；圖3是NPC三電平逆變器A相工作模式二原理圖圖4是NPC三電平逆變器A相工作模式三原理圖圖5是NPC三電平逆變器正常狀態下的空間電壓矢量圖；圖6是NPC三電平逆變器A相故障損失O電平狀態時的空間電壓矢量圖；圖7是NPC三電平逆變器A相故障損失P電平狀態時的空間電壓矢量圖；圖8是NPC三電平逆變器A相故障損失N電平狀態時的空間電壓矢量圖；圖9是NPC三電平逆變器A相故障損失P、N電平狀態時的空間電壓矢量圖。具體實施方式由圖5所示NPC三電平逆變器正常狀態下的空間電壓矢量分布圖可得，空間電壓矢量圖分為I、II、III、IV、V、VI六個扇區，每個扇區又包含A、B、C、D四個小區間。空間電壓矢量圖中的矢量可按幅值大小分作如下分類：下面以A相不同的器件發生短路或者開路故障為例，對本發明的技術方案進行詳細介紹。所謂三電平是指逆變器交流側的每相輸出端從中間直流回路取得的電壓有三種電位，即正端電壓P、負端電壓N和中點零電位O。從三電平逆變器主電路的一相橋臂的結構出發，四個開關器件開關狀態共有16種，但由于S11與S13、S21與S23、S31與S33是邏輯非的關系(同樣S12與S14、S22與S24、S32與S34也是邏輯非的關系)，因此有效狀態只有三種情況。下面以A相為例，來描述相電壓的三種輸出狀態。工作模式1：S11、S12導通，S13、S14關斷。如圖2所示，若電流iA為正(從逆變器流向負載)，則電源對電容C1充電，電流流過主開關管S11、S12，忽略管壓降，該相輸出端電壓等同于P點電位，為Vdc/2；若負載電流為負(從負載流向逆變器)，電流流過與主開關管S11、S12關聯的續流二極管D1、D2對電容C1充電，則該相輸出端電壓也等同于P點電位。工作模式2：S12、S13導通，S11、S14關斷。如圖3所示，若負載電流為正方向，則電源對電容C1充電，電流流過箝位二極管D1，主開關管S12，此時該相輸出端電壓等同于O點電位，為0；若負載電流為負方向，電流流過主開關管S13，箝位二極管D2，電源對電容C2充電，則該相輸出端電壓也等同于O點電位。工作模式3：S13、S14導通，S11、S12關斷。如圖4所示，若A相電流為負，則電源對電容C2充電，電流流過主開關管S13、S14，該相輸出端電壓等同于N點電位，為-Vdc/2；若A相電流為正，電流流過與主開關管S13、S14并聯的續流二極管對電容C2充電，則該相輸出端電壓也等同于N點電位。三種工作模式的開關狀態與每相輸出電壓的關系見下表。工作模式S11S12S13S14每相輸出電壓電平狀態1通通斷斷+Vdc/2P2斷通通斷0O3斷斷通通-Vdc/2N實施例一：對NPC三電平逆變器進行器件故障實時監測，當檢測到器件S11端電壓始終為零時，S11管發生短路故障，此時若仍讓逆變器A相輸出O電平狀態，則會導致電容C1短路，因此，S11管發生短路故障后，A相只能輸出P、N兩種電平狀態，不能輸出O電平狀態。圖6是故障狀態時的空間電壓矢量分布圖，圖中雙劃線劃去的為故障損失的矢量。A相損失O電平狀態后損失的矢量包括零矢量(OOO)、小矢量(ONO、ONN、OON、OPO、OPP、OOP)和中矢量(OPN、ONP)。觀察圖6可知，損失的零矢量和小矢量均有冗余矢量，第二、五扇區損失的中矢量沒有冗余矢量。當參考空間電壓矢量位于第一、三、四、六扇區時，合成參考矢量時，作用矢量的選擇仍同正常狀態時一樣，首先確定參考矢量所在的扇區，然后確定其位于的小三角形區間，由小三角形區間定點的三個矢量共同作用來合成參考矢量。當參考空間電壓矢量位于第二、五扇區的A小區間時，利用小矢量的冗余矢量，仍可同正常狀態時一樣，利用兩個小矢量和零矢量合成參考矢量；當參考空間電壓矢量位于第二、五扇區的B、C、D小區間時，由于中矢量已不可用，使用零矢量和兩個大矢量來合成參考矢量，此時可合成參考空間電壓矢量的幅度與正常狀態時相同，逆變器仍可原級運行。使用上述策略進行基于SVPWM的冗余控制，并考慮盡量小的開關損耗，得到矢量發送序列如下：實施例二：對NPC三電平逆變器進行器件故障實時監測，當檢測到器件S11的端電壓始終為非零值時，S11管發生開路故障，此時逆變器A相無法輸出P電平狀態，因此，S11管發生短路故障后，A相只能輸出O、N兩種電平狀態。圖7是故障狀態時的空間電壓矢量分布圖，圖中雙劃線劃去的為故障損失的矢量，A相損失P狀態后損失的矢量包括零矢量(PPP)、小矢量(PPO、POO、POP)、中矢量(PON、PNO)和大矢量(PPN、PNN、PNP)。矢量圖中，損失的零矢量和小矢量均有冗余矢量；第一、六扇區，損失的中矢量沒有冗余矢量，第一、二、五、六扇區，損失的大矢量沒有冗余矢量。但仔細觀察圖7可發現，六個小矢量終點的連線仍可圍成一個小正六邊形，也就是說，當參考空間電壓矢量位于這個小正六邊形之內時，仍能由小矢量和零矢量共同作用來合成，NPC三電平逆變器仍能維持繼續運行。該種故障情況下合成參考矢量時，首先確定參考矢量所在的扇區，然后利用該扇區A小區間三角形頂點的三個矢量共同作用來合成參考矢量。由于該種故障情況下參考空間電壓矢量只是由小矢量和零矢量共同作用來合成的，因此，進行冗余控制后可合成空間電壓矢量的幅值減小為原來的1/2，逆變器降級運行。使用上述策略進行基于SVPWM的冗余控制，并考慮盡量小的開關損耗，得到脈沖發送序列如下：實施例三：對NPC三電平逆變器進行器件故障實時監測，當檢測到器件S12的端電壓始終為零時，S12管發生短路故障，此時若仍讓逆變器A相輸出N電平狀態，則會導致電容C2短路，因此，S12管發生短路故障后，A相只能輸出P、O兩種電平狀態，不能輸出N電平狀態。圖8是故障狀態時的空間電壓矢量分布圖，圖中雙劃線劃去的為故障損失的矢量，A相損失N狀態后損失的矢量包括零矢量(NNN)、小矢量(NON、NOO、NNO)、中矢量(NPO、NOP)和大矢量(NPN、NPP、NNP)。矢量圖中，損失的零矢量和小矢量均有冗余矢量；第三、四扇區，損失的中矢量沒有冗余矢量，第二、三、四、五扇區，損失的大矢量沒有冗余矢量。仔細觀察圖8可發現，六個小矢量終點的連線仍可圍成一小正六邊形，也就是說，當參考空間電壓矢量位于這個小正六邊形之內時，仍能由小矢量和零矢量共同作用來合成，NPC三電平逆變器仍能維持繼續運行。該種故障情況下合成參考矢量時，首先確定參考矢量所在的扇區，然后利用扇區A小區間三角形頂點的三個矢量共同作用來合成參考矢量。由于該種故障情況下參考空間電壓矢量由小矢量和零矢量共同作用合成，因此，進行冗余控制后可合成空間電壓矢量的幅值減小為原來的1/2，逆變器降級運行。使用上述策略進行基于SVPWM的冗余控制，并考慮盡量小的開關損耗，得到脈沖發送序列如下：實施例四：對NPC三電平逆變器進行器件故障實時監測，當檢測到器件S13端電壓始終為零時，S13管發生短路故障，此時若仍讓逆變器A相輸出P電平狀態，則會導致電容C2短路，因此，S13管發生短路故障后，A相只能輸出O、N兩種電平狀態，不能輸出P電平狀態；與此同時檢測到器件S14端電壓始終為非零，S14管發生開路故障，此時逆變器A相無法輸出N電平狀態，因此，此時A相只能輸出O電平狀態。圖9是故障狀態時的空間電壓矢量圖，圖中雙劃線劃去的為故障損失的矢量，A相損失P和N狀態后損失的矢量包括零矢量(PPP、NNN)、小矢量(PPO、POO、POP、NON、NOO、NNO)、中矢量(PON、PNO、NPO、NOP)和大矢量(PPN、PNN、PNP、NPN、NPP、NNP)。矢量圖中，損失的零矢量和小矢量均有冗余矢量；第一、三、四、六扇區，損失的中矢量沒有冗余矢量，整個矢量圖中已無可用大矢量。但仔細觀察圖9可發現，六個小矢量終點的連線仍可圍成一小正六邊形，也就是說，當參考空間電壓矢量位于這個小正六邊形之內時，仍能由小矢量和零矢量共同作用來合成，NPC三電平逆變器仍能維持繼續運行。該種故障情況下合成參考矢量時，首先確定參考矢量所在的扇區，然后利用扇區A小區間三角形頂點的三個矢量共同作用來合成參考矢量。由于該種故障情況下參考空間電壓矢量是由小矢量和零矢量共同作用合成的，因此，進行冗余控制后可合成空間電壓矢量的幅值減小為原來的1/2，逆變器降級運行。使用上述策略進行基于SVPWM的冗余控制，并考慮盡量小的開關損耗，得到脈沖發送序列如下：上述四個實施例以A相電力電子器件發生故障為例，詳細闡述了逆變器的冗余控制方法，同樣，當B相或者C相發生故障時，本領域技術人員可以根據上述實施例對逆變器進行冗余控制。本發明不改變逆變器的拓撲結構，不需要增加硬件器件，僅采用軟件控制的方法就可實現逆變器的冗余控制，提高了逆變器的運行可靠性，還節約了成本。