一种共母线双端级联式五电平逆变器的容错调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种逆变器容错调制方法，特别涉及一种共母线双端级联式五电平逆 变器的容错调制方法。
【背景技术】
[0002] 双端三相开绕组电机具有输出电压等级高，输出电平数较多，以及容错能力强等 优点，是一种很有应用前景的拓扑，而容错能力在提升机、铁路牵引、船舶驱动等关键传动 场合非常重要。目前，国内外对开绕组电机双端级联式拓扑进行了一定研究，由于开绕组 电机的定子绕组打开，双端级联式五电平逆变器的共模电压和零序电压与单逆变器有所不 同，双端级联式变换器采用共母线结构时存在较大的零序电压，零序电压会造成很大的环 流，引起负载电流畸变。
[0003] 现有技术中，有提及对共母线双端级联式三电平逆变器处于开关器件触发丢失故 障时的容错控制进行了较深研究，文中提出"机会状态"的概念，即由于电机电感储能产生 的额外瞬时状态，据此实现了系统最多6个开关器件触发丢失时的容错运行；也有采用基 于参考电压分解的简化SVPffM方法，对独立母线结构的双端级联式五电平逆变器进行调 制，提出一种五电平SVPffM容错调制方法，在故障时切除一侧逆变器，使用单侧逆变器驱动 开绕组电机，不能实现两台逆变器故障时的容错运行，同时，开关切换复杂。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，避免对 电机造成损坏，提高输出电压电压电流波形质量的共母线双端级联式五电平逆变器的容错 调制方法。
[0005] 本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种共母 线双端级联式五电平逆变器的容错调制方法，其特点是，其步骤为，
[0006] (1)将电机的定子绕组打开，定子绕组的两端由两个完全相同的逆变器供电，两个 逆变器共用一套直流母线，形成共母线双端级联式五电平拓扑；
[0007] (2)为了保证共母线双端级联式五电平拓扑中逆变器的参考电压矢量轨迹为圆， 当逆变器中的某一开关器件发生短路故障时，逆变器最大输出电压下降为原来的一半，使 用共母线双端级联式五电平拓扑的内六边形可用开关状态合成参考电压矢量；
[0008] (3)根据零共模电压矢量分布特点，将传统坐标轴逆时针旋转π/6得到新坐标 轴，传统坐标系下逆变器的参考电压矢量，经旋转变换后，得到新坐标系下逆变器的参考电 压矢量；
[0009] (4)对新坐标系下逆变器的参考电压矢量标么化后，获得标么化坐标，对标么化坐 标上下取整和比较，得到距离标么化坐标最近的3个电压矢量，即为3个合成电压矢量，根 据3个合成电压矢量和占空比的定义，得到3个合成电压矢量的作用时间；
[0010] (5)根据步骤⑷所选定的3个合成电压矢量，加入平衡因子，调整步骤（4)得到 的3个合成电压矢量的作用时间，实现中点电位平衡；
[0011] (6)根据步骤（4)得到的3个合成电压矢量及步骤（5)调整得到的作用时间，兼顾 逆变器自身状态控制要求，确定与合成电压矢量相对应的输出开关状态及作用顺序，实现 逆变器故障后的容错运行。
[0012] 本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，其步骤 为，
[0013] (1)将电机的定子绕组打开，定子绕组的两端由两个完全相同的逆变器供电，两个 逆变器共用一套直流母线，形成共母线双端级联式五电平拓扑；
[0014] (2)为了保证共母线双端级联式五电平拓扑中逆变器的参考电压矢量轨迹为圆， 当逆变器中的某一开关器件发生短路故障时，逆变器最大输出电压下降为原来的一半，仅 使用共母线双端级联式五电平拓扑的内六边形可用开关状态合成参考电压矢量；
[0015] (3)根据零共模电压矢量分布特点，在传统60°坐标轴基础上逆时针旋转31/6， 所得新60°坐标轴为g'、h'，设参考电压矢量V raf在α-β坐标系下的坐标为（Va，Ve)， 在g' -h'坐标系下的坐标为（Vg,，Vh,)，两种坐标系的变换公式为
[0017] (4)设标幺化后的参考电压矢量Vraf坐标，即标幺化坐标为（VlV，Viv )，对其上下 取整，获得距离标么化坐标最近的4个电压矢量，
[0020] 式中，ceil表示对参考电压矢量向上取整，floor表示对参考电压矢量向下取整， [0021] 最近的4个电压矢量构成一个平行四边形，且被Vul和V lu形成的对角线平分，V ul 和Vlu总是距离最近的两个矢量，第3个矢量必然在V uu和V n之中，由于第3个矢量和参考 电压矢量处于对角线同一侧，该对角线在新60°坐标系下的方程为
[0022] ceil(vrg- )+floor (vrh- ) = g+h
[0023] 故可由如下方式判断：
[0024] 当 Vrg，+Vrh，-ceil (vrg, )-floor (vrh, )< 0 时，V11 是第 3 个距离最近的电压矢量； 当Vrg，+Viv -ceil (vrg, )-floor (Viv )彡0时，Vuu是第3个电压矢量，确定距离标幺化坐标 最近的3个电压矢量，即为合成电压矢量；
[0025] 当3个合成电压矢量确定，根据占空比的定义，3个合成电压矢量对应的占空比可 由如下方程求出：
[0026] Vref= ((I1Vufd2V1Jd3Vuuai))
[0027] 山+(12+(13= 1 (4-3)
[0028] 当第3个矢量为Vuu，可得：
[0029] (I1= ceil (V rh< )-Vrh-
[0030] d2= ceil (v rg- )-vrg- (4-4)
[0031] 当第3个矢量为Vn，可得：
[0032] (I1= v rh- -floor (vrh-)
[0033] d2= v rg- -floor (vrg- ) (4-5)
[0034] d3= I-d i~d2 (4-6)
[0035] 式中，Cl1、(12和d 3分别为V ul、Vlu和V uu (V11)的占空比；
[0036] (5)设三个合成电压矢量为Z、E和F，根据3个合成电压矢量和占空比的定义，得 到3个合成电压矢量的作用时间，分别为I nTjP T 3，令矢量E为首发矢量，各矢量按照五段 式放置，
[0038] 逆变器中各开关状态对应的中点电流从左到右分别为iM1、iM2、i]?、i_M4和i 1?，引入 平衡控制因子f，令矢量E的两个冗余开关状态"000, 0+-"和"0-+，000"作用时间分别为
[0039] t_，0+ = (l+f)lV2
[0040] t〇 +,〇〇〇= (l_f) T i/2 (4-7)
[0041] 若一个开关周期内直流侧电荷总电荷为零，可以实现中点电位平衡，即：
[0042] Q+ Δ Q = 〇 (4-8)
[0043] +
[0044] 可知，直流侧中点电位平衡因子为
[0045] f = [-C (Uci-Uc2) _(iM2+iM4)T2-iM3T3]/I miT1 (4-9)
[0046] 将平衡因子f代入合成电压矢量的作用时间后，实现直流侧中点电位平衡；
[0047] (6)根据步骤（4)得到的3个合成电压矢量及步骤（5)调整得到的作用时间，兼顾 逆变器自身状态控制要求，确定与合成电压矢量相对应的输出开关状态及作用顺序，实现 逆变器故障后的容错运行。
[0048] 与现有技术相比，本发明基于双端级联式五电平逆变器的高容错特性，当逆变器 中的某个开关器件出现故障时，通过重新选择电压矢量实现逆变器的容错运行；使用零共 模电压矢量进行调制，完全消除系统零序电压和共模电压，使系统中的两台逆变器能够在 一套直流母线下运行，降低设备成本和体积；本发明针对双端级联式系统提出一种优化的 60°调制方法，利用坐标系的旋转和标幺化，有效简化五电平调制方法，减少系统控制的硬 件需求；利用平衡因子f，在保证容错控制的前提下，实现中点电位平衡。
【附图说明