一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法与流程

本发明涉及一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法。

背景技术：
大功率的变换可以通过多种途径实现，多电平逆变器因其具有一系列的优点，成为大功率高压变换领域的研究热点。二极管中点箝位型(NPC)三电平逆变器由于其拓扑结构和控制方法都比较成熟，成为多电平高压大功率逆变器研究的重点方向。与传统的两电平逆变器拓扑结构相比，二极管中点箝位式三电平逆变器的优点主要有：(1)平均每个主开关管器件承受的正向阻断电压为直流侧母线电压一半；(2)可以大大的减少谐波，降低开关频率，减小系统损耗，如要达到相同的输出性能指标并以开关频率来衡量，三电平是两电平开关频率的1/5，其电压上升率(dv/dt)是两电平逆变器的1/2，电流上升率(di/dt)也伴随着减少，可大大降低对电机的绝缘性能的损害，增长电机的工作寿命；(3)由于增加了电平数，相对降低了每个电平的幅值，减少了电压的变化，主电路含有的电流脉动成分减小，同时也降低了电磁噪声和转矩脉动；(4)若三电平逆变器连接三相对称的星形负载且中点悬空，负载中就不会产生3的倍数次的谐波电流。尽管NPC三电平逆变器具有以上众多优点，然而它也具有系统结构复杂、所需电力电子器件过多等缺点。结构的复杂和器件的增多相应地造成了多电平逆变器运行故障率的增大，不仅增加了逆变器的运行和维护成本，而且降低了其驱动的整个系统的工作可靠性，严重影响了生产的质量和安全。在电力、交通、航天、军工、矿山等领域，对于设备连续可靠运行方面的要求极高，因此，对提高多电平逆变器可靠性的研究具有重要的实际意义和经济价值。目前，提高多电平逆变器的可靠性主要是通过以下方法：1、逆变器的并联运行采用两个或多个逆变器并联运行，不仅可以有效增加系统的可靠性，并且可以增大逆变器的容量，减小输出电流谐波。但这种方法造成系统的结构非常复杂，控制比较困难，并且存在环流和均流问题，实际应用范围较小。2、逆变器采用模块化结构逆变器的每个桥臂都采用模块化设计，每个模块都设计成方便拆卸和安装的形式，当逆变器的某一器件发生故障时，直接更换故障器件所在的整个桥臂模块，在最短的时间内恢复逆变系统的运行。此方法尽管有效地缩短了系统的故障时间，但一旦发生故障仍必须紧急停机，不能考虑所驱动设备的实际运行要求，并且要预留充足的备用模块。3、逆变器硬件拓扑采用冗余结构借鉴目前电力电子领域正在研究的三相四桥臂逆变器拓扑结构，系统另外设计附加的一个桥臂。当逆变器的某一器件发生故障时，控制系统通过附加的桥臂继续维持系统的运行，直到设备允许停机时维修损坏器件。此方法可以做到系统的连续稳定运行，但代价是系统的结构更加复杂，系统的硬件成本增大，控制方法也复杂。以上方法都是从系统的硬件及拓扑结构方面出发提高逆变器的运行可靠性，没有充分利用多电平逆变器本身具有的软件控制方法上的冗余特性。

技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法，利用NPC三电平逆变器空间电压矢量的冗余特性，通过软件方法实现NPC三电平逆变器故障情况下的继续运行，在不增加系统硬件成本的基础上有效地提高系统的可靠性。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法，它包括以下步骤：A、实时对NPC三电平逆变器进行器件故障检测，确定故障的位置以及故障类型；B、根据故障位置和故障类型确定故障状态下损失的空间电压矢量，绘出故障状态的空间电压矢量分布图；C、根据重新绘出的空间电压矢量分布图，分析该故障状态下NPC三电平逆变器是否能够继续运行，即是否还能合成旋转参考空间电压矢量；D、根据重新绘出的空间电压矢量分布图，分析该种故障状态下NPC三电平逆变器是否能够原级运行，即计算可合成的旋转参考空间电压矢量的范围，是否依然能够形成长电压矢量构成的正六边形内切圆；E、对于能够继续运行的故障状态(包括正常运行和降级运行)，根据重新绘出的空间电压矢量分布图，重新选择合成矢量，并计算各矢量的作用时间，对各矢量切换顺序进行优化，形成新的冗余控制脉冲序列。优选的，在步骤A中，需实时对NPC三电平逆变器进行器件故障检测，确定故障位置和故障类型。NPC三电平逆变器的电力电子开关器件故障类型包括短路故障和开路故障。短路故障的位置包括每一桥臂的两个钳位二极管、每一桥臂外侧的两个开关管和内侧的两个开关管；开路故障的位置包括每一桥臂的两个钳位二极管、每一桥臂外侧的两个开关管。检测短路故障位置，当实时检测的电压总为零时，则判定相应位置的电力电子器件发生短路故障；检测开路故障位置，当实时检测的电压总不为零时，则相应位置的电力电子器件发生开路故障。优选的，在步骤B中，采用如下方法重新绘制空间电压矢量分布图：首先分析器件故障导致NPC三电平逆变器可输出电平状态的损失，然后将包含损失电平状态的矢量去除，即可得到新的空间电压矢量分布图。优选的，在步骤C中，当NPC三电平逆变器故障相靠近P极的钳位二极管发生短路故障时，故障相损失P电平状态；当NPC三电平逆变器故障相靠近N极的钳位二极管发生短路故障时，故障相损失N电平状态；当NPC三电平逆变器故障相外侧的一个开关管发生短路故障时，故障相损失O电平状态；当NPC三电平逆变器故障相内侧靠近P极的开关管发生短路故障时，故障相损失N电平状态；当NPC三电平逆变器故障相内侧靠近N极的开关管发生短路故障时，故障相损失P电平状态。当NPC三电平逆变器故障相钳位二极管发生开路故障时，故障相损失O电平状态；当NPC三电平逆变器故障相外侧靠近P极开关管发生开路故障时，故障相损失P电平状态；当NPC三电平逆变器故障相外侧靠近N极的开关管发生开路故障时，故障相损失N电平状态。优选的，在步骤D中，空间电压矢量图中的矢量可按幅值大小作如下分类：根据检测到的故障情况，重新绘制出的故障状态空间电压矢量分布图可分为四类：D1：故障桥臂损失O电平状态。对于故障相损失O电平状态的情况，由于小矢量有冗余矢量，大矢量没有损失，因此，空间电压矢量图中损失的矢量只有中矢量和一个零矢量，矢量图轮廓与正常状态时相同，所以逆变器仍可原级运行，即可合成参考空间电压矢量的幅值与正常情况下相同。D2：故障桥臂损失P电平状态。对于故障相损失P电平状态的情况，空间电压矢量图中的大矢量、中矢量、小矢量和零矢量均有损失，但由于小矢量和零矢量具有冗余矢量，因此利用冗余矢量，仍可围成正六边形的矢量图。由于大矢量和中矢量不完整，新的正六边形矢量图是由小矢量和零矢量组成的，因此矢量图轮廓比正常状态时小，逆变器需降级运行，此时可合成参考空间电压矢量的幅值是正常情况下的1/2。D3：故障桥臂损失N电平状态。对于故障相损失N电平状态的情况，空间电压矢量图中大矢量、中矢量、小矢量和零矢量均有损失，但由于小矢量和零矢量具有冗余矢量，因此利用冗余矢量，仍可围成正六边形的矢量图。由于大矢量和中矢量不完整，新的矢量图是有小矢量和零矢量组成的，因此正六边形矢量图轮廓比正常状态时小，逆变器需降级运行，此时可合成参考空间电压矢量的幅值是正常情况下的1/2。D4：故障桥臂损失P电平状态和N电平状态。对于故障相同时损失P电平状态和N电平状态的情况，空间电压矢量图中的大矢量、中矢量、小矢量和零矢量均有损失，只剩余两个中矢量、六个小矢量和一个零矢量可用，而六个小矢量和零矢量恰好围成正六边形的空间电压矢量图，此时故障相始终输出O电平状态。由于新的矢量图是由小矢量和零矢量组成的，因此矢量图轮廓比正常状态时小，逆变器需降级运行，此时可合成参考空间电压矢量的幅值是正常情况下的1/2。优选的，在步骤E中，重新选择作用矢量和优化矢量作用顺序的原则是：E1：每次切换开关状态时，涉及尽量少的开关器件；E2：在原则E1的基础上，尽量满足每个开关周期均以零电压矢量开始，又以零电压矢量结束。本发明由于采取以上技术方案，其优点在于：在分析NPC三电平逆变器器件发生故障情况下的空间电压矢量图的基础上，充分利用冗余空间电压矢量，既不改变逆变器的拓扑结构，也不另外增加硬件设备，通过软件控制就能实现逆变器故障状态下的继续运行，提高了系统的可靠性。附图说明图1是NPC三电平逆变器拓扑结构图；图2是NPC三电平逆变器A相工作模式一原理图；图3是NPC三电平逆变器A相工作模式二原理图图4是NPC三电平逆变器A相工作模式三原理图图5是NPC三电平逆变器正常状态下的空间电压矢量图；图6是NPC三电平逆变器A相故障损失O电平状态时的空间电压矢量图；图7是NPC三电平逆变器A相故障损失P电平状态时的空间电压矢量图；图8是NPC三电平逆变器A相故障损失N电平状态时的空间电压矢量图；图9是NPC三电平逆变器A相故障损失P、N电平状态时的空间电压矢量图。具体实施方式由图5所示NPC三电平逆变器正常状态下的空间电压矢量分布图可得，空间电压矢量图分为I、II、III、IV、V、VI六个扇区，每个扇区又包含A、B、C、D四个小区间。空间电压矢量图中的矢量可按幅值大小分作如下分类：下面以A相不同的器件发生短路或者开路故障为例，对本发明的技术方案进行详细介绍。所谓三电平是指逆变器交流侧的每相输出端从中间直流回路取得的电压有三种电位，即正端电压P、负端电压N和中点零电位O。从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发，四个开关器件开关状态共有16种，但由于S11与S13、S21与S23、S31与S33是逻辑非的关系(同样S12与S14、S22与S24、S32与S34也是逻辑非的关系)，因此有效状态只有三种情况。下面以A相为例，来描述相电压的三种输出状态。工作模式1：S11、S12导通，S13、S14关断。如图2所示，若电流iA为正(从逆变器流向负载)，则电源对电容C1充电，电流流过主开关管S11、S12，忽略管压降，该相输出端电压等同于P点电位，为Vdc/2；若负载电流为负(从负载流向逆变器)，电流流过与主开关管S11、S12关联的续流二极管D1、D2对电容C1充电，则该相输出端电压也等同于P点电位。工作模式2：S12、S13导通，S11、S14关断。如图3所示，若负载电流为正方向，则电源对电容C1充电，电流流过箝位二极管D1，主开关管S12，此时该相输出端电压等同于O点电位，为0；若负载电流为负方向，电流流过主开关管S13，箝位二极管D2，电源对电容C2充电，则该相输出端电压也等同于O点电位。工作模式3：S13、S14导通，S11、S12关断。如图4所示，若A相电流为负，则电源对电容C2充电，电流流过主开关管S13、S14，该相输出端电压等同于N点电位，为-Vdc/2；若A相电流为正，电流流过与主开关管S13、S14并联的续流二极管对电容C2充电，则该相输出端电压也等同于N点电位。三种工作模式的开关状态与每相输出电压的关系见下表。工作模式S11S12S13S14每相输出电压电平状态1通通断断+Vdc/2P2断通通断0O3断断通通-Vdc/2N实施例一：对NPC三电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到器件S11端电压始终为零时，S11管发生短路故障，此时若仍让逆变器A相输出O电平状态，则会导致电容C1短路，因此，S11管发生短路故障后，A相只能输出P、N两种电平状态，不能输出O电平状态。图6是故障状态时的空间电压矢量分布图，图中双划线划去的为故障损失的矢量。A相损失O电平状态后损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)。观察图6可知，损失的零矢量和小矢量均有冗余矢量，第二、五扇区损失的中矢量没有冗余矢量。当参考空间电压矢量位于第一、三、四、六扇区时，合成参考矢量时，作用矢量的选择仍同正常状态时一样，首先确定参考矢量所在的扇区，然后确定其位于的小三角形区间，由小三角形区间定点的三个矢量共同作用来合成参考矢量。当参考空间电压矢量位于第二、五扇区的A小区间时，利用小矢量的冗余矢量，仍可同正常状态时一样，利用两个小矢量和零矢量合成参考矢量；当参考空间电压矢量位于第二、五扇区的B、C、D小区间时，由于中矢量已不可用，使用零矢量和两个大矢量来合成参考矢量，此时可合成参考空间电压矢量的幅度与正常状态时相同，逆变器仍可原级运行。使用上述策略进行基于SVPWM的冗余控制，并考虑尽量小的开关损耗，得到矢量发送序列如下：实施例二：对NPC三电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到器件S11的端电压始终为非零值时，S11管发生开路故障，此时逆变器A相无法输出P电平状态，因此，S11管发生短路故障后，A相只能输出O、N两种电平状态。图7是故障状态时的空间电压矢量分布图，图中双划线划去的为故障损失的矢量，A相损失P状态后损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)。矢量图中，损失的零矢量和小矢量均有冗余矢量；第一、六扇区，损失的中矢量没有冗余矢量，第一、二、五、六扇区，损失的大矢量没有冗余矢量。但仔细观察图7可发现，六个小矢量终点的连线仍可围成一个小正六边形，也就是说，当参考空间电压矢量位于这个小正六边形之内时，仍能由小矢量和零矢量共同作用来合成，NPC三电平逆变器仍能维持继续运行。该种故障情况下合成参考矢量时，首先确定参考矢量所在的扇区，然后利用该扇区A小区间三角形顶点的三个矢量共同作用来合成参考矢量。由于该种故障情况下参考空间电压矢量只是由小矢量和零矢量共同作用来合成的，因此，进行冗余控制后可合成空间电压矢量的幅值减小为原来的1/2，逆变器降级运行。使用上述策略进行基于SVPWM的冗余控制，并考虑尽量小的开关损耗，得到脉冲发送序列如下：实施例三：对NPC三电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到器件S12的端电压始终为零时，S12管发生短路故障，此时若仍让逆变器A相输出N电平状态，则会导致电容C2短路，因此，S12管发生短路故障后，A相只能输出P、O两种电平状态，不能输出N电平状态。图8是故障状态时的空间电压矢量分布图，图中双划线划去的为故障损失的矢量，A相损失N状态后损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)。矢量图中，损失的零矢量和小矢量均有冗余矢量；第三、四扇区，损失的中矢量没有冗余矢量，第二、三、四、五扇区，损失的大矢量没有冗余矢量。仔细观察图8可发现，六个小矢量终点的连线仍可围成一小正六边形，也就是说，当参考空间电压矢量位于这个小正六边形之内时，仍能由小矢量和零矢量共同作用来合成，NPC三电平逆变器仍能维持继续运行。该种故障情况下合成参考矢量时，首先确定参考矢量所在的扇区，然后利用扇区A小区间三角形顶点的三个矢量共同作用来合成参考矢量。由于该种故障情况下参考空间电压矢量由小矢量和零矢量共同作用合成，因此，进行冗余控制后可合成空间电压矢量的幅值减小为原来的1/2，逆变器降级运行。使用上述策略进行基于SVPWM的冗余控制，并考虑尽量小的开关损耗，得到脉冲发送序列如下：实施例四：对NPC三电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到器件S13端电压始终为零时，S13管发生短路故障，此时若仍让逆变器A相输出P电平状态，则会导致电容C2短路，因此，S13管发生短路故障后，A相只能输出O、N两种电平状态，不能输出P电平状态；与此同时检测到器件S14端电压始终为非零，S14管发生开路故障，此时逆变器A相无法输出N电平状态，因此，此时A相只能输出O电平状态。图9是故障状态时的空间电压矢量图，图中双划线划去的为故障损失的矢量，A相损失P和N状态后损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)。矢量图中，损失的零矢量和小矢量均有冗余矢量；第一、三、四、六扇区，损失的中矢量没有冗余矢量，整个矢量图中已无可用大矢量。但仔细观察图9可发现，六个小矢量终点的连线仍可围成一小正六边形，也就是说，当参考空间电压矢量位于这个小正六边形之内时，仍能由小矢量和零矢量共同作用来合成，NPC三电平逆变器仍能维持继续运行。该种故障情况下合成参考矢量时，首先确定参考矢量所在的扇区，然后利用扇区A小区间三角形顶点的三个矢量共同作用来合成参考矢量。由于该种故障情况下参考空间电压矢量是由小矢量和零矢量共同作用合成的，因此，进行冗余控制后可合成空间电压矢量的幅值减小为原来的1/2，逆变器降级运行。使用上述策略进行基于SVPWM的冗余控制，并考虑尽量小的开关损耗，得到脉冲发送序列如下：上述四个实施例以A相电力电子器件发生故障为例，详细阐述了逆变器的冗余控制方法，同样，当B相或者C相发生故障时，本领域技术人员可以根据上述实施例对逆变器进行冗余控制。本发明不改变逆变器的拓扑结构，不需要增加硬件器件，仅采用软件控制的方法就可实现逆变器的冗余控制，提高了逆变器的运行可靠性，还节约了成本。