本发明涉及一种用于二极管钳位三电平级联逆变器的系统重构方法，尤其是在以fpga(field-programmablegatearray，即现场可编程门阵列)、dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理)等数字芯片为控制芯片的电力电子领域中的应用。
背景技术
随着工业社会发展的需要，级联逆变器在高压变频调速、静止无功补偿、电力有源滤波器等领域中得到广泛应用。级联逆变器可保证输出波形的thd(总谐波失真)值小，所需功率开关器件的电压应力低。但由于采用了较多的功率开关器件，导致级联系统的结构和控制复杂度增加，从而增大了系统功率开关器件的故障发生率。功率开关器件的短路故障一般采用硬件电路进行处理或加入快速熔丝将短路故障转化为开路故障，利用开路故障的诊断方法进行处理。当诊断出开路故障时，需及时处理以免发展为更大的故障。
h桥级联逆变器传统的故障处理方法为屏蔽发生故障的模块，把另外两相与故障模块相应的非故障h桥模块也脱离主电路，从而保证三相输出相电压幅值相同，实现降容运行。为充分利用非故障单元的输出能力，对级联系统开关状态进行分析，采用空间矢量调制保证调整开关状态后的电压矢量轨迹仍然保持圆形。
二极管钳位三电平级联逆变器相较于h桥级联逆变器，可以利用其拓扑结构优势以耐低压等级的功率开关器件实现高压大功率的输出，但现有技术中对于二极管钳位三电平级联逆变器故障后的系统重构方法研究较少。
技术实现要素：
针对现有技术中对于二极管钳位三电平级联逆变器故障后的系统重构方面的不足之处，本发明针对二极管钳位三电平级联逆变器采用较多的功率开关器件而导致系统出现故障的问题，提出了一种基于载波移相的系统重构方法，能够确保系统在出现开路故障时经过重构仍能在保证输出电能质量的情况下安全可靠地运行。
本发明的技术方案为：
一种用于二极管钳位三电平级联逆变器的系统重构方法，所述二极管钳位三电平级联逆变器包括n个功率模块，其中n为正整数；每个所述功率模块中包括第一桥臂和第二桥臂，每个所述功率模块中的第一桥臂的载波和第二桥臂的载波相位相差π，相邻两个所述功率模块中第一桥臂的对应载波之间的移相角为
所述系统重构方法包括如下步骤：
步骤一：当所述二极管钳位三电平级联逆变器中的n个功率模块中有功率开关器件发生开路故障时，将所述n个故障的功率模块旁路，其n为小于n的正整数；
步骤二：将正常工作的n-n个功率模块中第一桥臂的对应载波之间的移相角切换为
具体的，对于单个发生开路故障的功率模块，当开路故障仅发生在所述第一桥臂或第二桥臂的上半桥臂时，将发生开路故障的功率模块中第一桥臂和第二桥臂的上半桥臂的功率开关器件全部关断，同时将第一桥臂和第二桥臂中下半桥臂的功率开关器件全部导通形成回路将该功率模块旁路；当开路故障仅发生在所述第一桥臂或第二桥臂的下半桥臂时，将发生开路故障的功率模块中第一桥臂和第二桥臂的下半桥臂的功率开关器件全部关断，同时将第一桥臂和第二桥臂中上半桥臂的功率开关器件全部导通形成回路将该功率模块旁路。
具体的，对于单个发生开路故障的功率模块，当所述发生开路故障的功率模块的第一桥臂或第二桥臂的上半桥臂和下半桥臂均发生开路故障时，将所述发生开路故障的功率模块中的功率开关器件全部关断，并在所述发生开路故障的功率模块的输出端口设置一个开关短接将该功率模块旁路。
具体的，所述第一桥臂的两个载波反相层叠，所述第二桥臂的两个载波反相层叠。
本发明的有益效果是：本发明提出的系统重构方法，使得二极管钳位三电平级联逆变器的控制更加灵活，增强了系统运行的可靠性，即使系统出现开关管故障，仍能保证系统输出的电能质量，减少输出电压的谐波含量。
附图说明
图1是二极管钳位三电平级联逆变器中的n个三电平单相逆变器的功率模块的拓扑图。
图2是二极管钳位三电平级联逆变器中三电平单相逆变器的功率模块的调制策略图。
图3是正常运行时n个功率模块的第一桥臂的载波相位关系图。
图4是实施例中出现一个功率模块故障并切除后，剩余n-1个功率模块的第一桥臂的载波相位关系图。
图5是单个功率模块中功率开关器件发生开路故障系统重构仿真输出波形图，
其中图5(a)为该功率模块中sa1开路故障系统重构波形；
图5(b)为该功率模块中sa2开路故障系统重构波形；
图5(c)为该功率模块中sa3开路故障系统重构波形；
图5(d)为该功率模块中sa4开路故障系统重构波形；
图5(e)为该功率模块中sa1和sa3开路故障系统重构波形；
图5(f)为该功率模块中sa1和sa4开路故障系统重构波形；
图5(g)为该功率模块中sa2和sa3开路故障系统重构波形；
图5(h)为该功率模块中sa2和sa4开路故障系统重构波形。
图6是采用本发明的系统重构方法对二极管钳位三电平级联逆变器进行系统重构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。
通过研究二极管钳位三电平级联逆变器的特性，发现其系统本身具备一定的冗余度，使得各个模块可以互为备用，因此本发明充分利用了级联系统本身的冗余特性，提出一种适用于二极管钳位三电平级联逆变器的系统重构方法，当有模块中的功率开关器件出现开路故障时切除故障模块，利用剩余正常模块进行系统重构，保证设备在确保输出电能质量情况下，系统仍能安全可靠运行；由于功率开关器件的短路故障一般采用硬件电路进行处理或加入快速熔丝将短路故障转化为开路故障，所以短路故障也可以利用本发明提供的系统重构方法进行处理。
如图1所示是二极管钳位三电平级联逆变器中的拓扑图，包括n个功率模块，其中n为正整数；每个功率模块中包括第一桥臂和第二桥臂，sa1和sa2为第一桥臂的上半桥臂，sa3和sa4为第一桥臂的下半桥臂，sb1和sb2为第二桥臂的上半桥臂，sb3和sb4为第二桥臂的下半桥臂。
如图2所示，ca1和ca2为第一桥臂的两个三角载波，ua为第一桥臂的调制波，ca1和ua比较产生sa1和sa3的控制信号，ca2和ua比较产生sa2和sa4的控制信号，本实施例中ca1和ca2两个载波反相层叠，一些实施例中ca1和ca2两个载波也可以采用同相层叠或交替反相层叠之类的。相似地，cb1和cb2为第二桥臂的两个三角载波，ub为第二桥臂的调制波，同样，本实施例中cb1和cb2也反相层叠。第一桥臂中ca1与第二桥臂中cb1相位相差π，第一桥臂中ca2与第二桥臂中cb2相位也相差π，第一桥臂中ua与第二桥臂中ub相位也相差π。
n个功率模块之间，采用载波移相，即每个功率模块的载波ca1、ca2、cb1和cb2分别移相
当二极管钳位三电平级联逆变器中的n个功率模块中有功率开关器件发生开路故障时，将n个故障的功率模块旁路，其n为小于n的正整数，具体旁路方式如下：
对于单个发生开路故障的功率模块，当开路故障仅发生在第一桥臂或第二桥臂的上半桥臂时，直接利用故障模块内其他正常功率开关器件实现旁路，将发生开路故障的功率模块中第一桥臂和第二桥臂的上半桥臂的功率开关器件全部关断，同时将第一桥臂和第二桥臂中下半桥臂的功率开关器件全部导通形成回路将该功率模块旁路。如仅第一桥臂的上半桥臂中sa1和sa2其中一个故障或者sa1和sa2都发生故障时，将该模块第一桥臂和第二桥臂的上半桥臂的功率开关器件sa1、sa2、sb1和sb2全部关断，同时该模块第一桥臂和第二桥臂的下半桥臂的功率开关器件sa3、sa4、sb3和sb4导通以确保不论电流流向为正或流向为负，均可形成回路保证故障功率模块被旁路。或者当第一桥臂上半桥臂的sa1和/或sa2故障且第二桥臂上半桥臂的sb1和/或sb2故障时，也是将该模块第一桥臂和第二桥臂的上半桥臂的功率开关器件sa1、sa2、sb1和sb2全部关断，同时该模块第一桥臂和第二桥臂的下半桥臂的功率开关器件sa3、sa4、sb3和sb4导通。
对于单个发生开路故障的功率模块，当开路故障仅发生在第一桥臂或第二桥臂的下半桥臂时，将发生开路故障的功率模块中第一桥臂和第二桥臂的下半桥臂的功率开关器件全部关断，同时将第一桥臂和第二桥臂中上半桥臂的功率开关器件全部导通形成回路将该功率模块旁路。当故障器件为sa3或sa4或sb3或sb4，将该模块第一桥臂和第二桥臂的下半桥臂的功率开关器件sa3、sa4、sb3和sb4全部关断，同时该模块第一桥臂和第二桥臂的上半桥臂的功率开关器件sa1、sa2、sb1、sb2导通以确保形成回路故障模块被旁路。
对于单个发生开路故障的功率模块，当该功率模块的第一桥臂或第二桥臂的上半桥臂和下半桥臂均发生开路故障时，将发生开路故障的功率模块中的功率开关器件全部关断，并在该功率模块的输出端口设置一个外部旁路机构来实现旁路，如设置一个开关并将开关短接从而将该功率模块旁路。
将n个发生故障的功率模块旁路之后，将剩下的正常工作的n-n个功率模块的第一桥臂对应的载波之间的移相角从
如图3所示是正常工作的n个功率模块的第一桥臂的载波相位关系图，相邻两个功率模块中第一桥臂的对应载波之间的移相角为
如图5分别是单个功率模块中sa1发生开路故障、sa2发生开路故障、sa3发生开路故障、sa4发生开路故障、sa1和sa3发生开路故障、sa1和sa4发生开路故障、sa2和sa3发生开路故障和sa2和sa4发生开路故障后使用本发明的方法进行系统重构后的仿真输出波形图。
如图6所示是实施例中采用本发明的系统重构方法进行系统重构的示意图，当二极管钳位三电平级联逆变器中有功率模块出现故障时，故障诊断系统根据故障特征诊断出故障位置和类型，随后将故障模块旁路，并调整剩余模块的载波进行系统重构，将调整后的载波分别分配给各个功率模块，载波移相以后由于系统是闭环控制，调制波也会跟随载波自动变化进行重构，输出电压经过rms(有效值计算)，和参考电压比较得到误差信号经过pi(比例积分控制)调解，乘上单位调制波与重构后的调制模块中的载波比较产生开关信号控制各个功率模块，最终保证级联系统的稳定输出。
综上，本发明提出的一种用于二极管钳位三电平级联逆变器的系统重构方法，针对二极管钳位三电平级联逆变器的功率开关器件开路故障，通过隔离故障模块，调整级联逆变系统载波关系，进行系统重构，使得系统的控制更加灵活，增强了系统运行的可靠性，即使系统出现开关管故障，仍能保证系统输出的电能质量，减少输出电压的谐波含量。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。