全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关管开路故障时的容错控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种矩阵变换器的容错驱动控制技术，特别是涉及一种全双向开关型双级矩阵变换器在整流级发生开关管开路故障时的容错控制技术，属于电力电子技术和控制技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，基于矩阵变换器(matrix converter，MC)的概念发展而来的双级式矩阵变换器(two stage matrix converter，TSMC)，获得了国内外学者广泛而持续的关注和研究，具有结构紧凑、开关损耗低、功率密度高等显著优点。TSMC具有分立的整流级和逆变级结构，与传统MC相比，还具有换流简单，整流级可实现零电流换流等优势。
[0003]TSMC的两级式拓扑结构一共需要12个开关单元，这些开关器件可由单向开关或双向开关构成。现有研究文献中，对开关管的单向和双向型式有很多种选择方案:有全部采用单向开关的，这种结构在一定条件下能够提供正弦的输出电压和正弦的输入电流，但当负载条件超过一定范围时，该拓扑不能正常运行，且能量无法双向流动；有的逆变级采用单向开关管，整流级采用双向开关管，这种拓扑结构能实现能量双向流动，输出电压和输入电流都能保持正弦，实际所需开关管数量为18个，比较适中，是目前研究最多的方案；若TSMC的整流级和逆变级均采用双向开关，可称之为“全双向开关型”双级矩阵变换器，实际需要24个开关管，数量较多，而且若维持直流母线电压正负方向不变，则逆变级采用双向开关就显得多余，因此这种方案鲜少受到关注和研究。
[0004]随着技术的发展，电力电子设备的安全性能越来越受到关注，当电能变换器中的部分开关管或其它元器件发生故障时，维持系统整体的继续带故障运行，成为当前的研究热点。而全双向开关型双级矩阵变换器比传统结构多出的6个开关管，可对整个系统形成热备份，在变换器整流级或逆变级的单个或多个开关管发生故障时，起到代偿作用，维持系统的继续运行。但由于该拓扑结构对正常运行需求来说，显得有些“冗余”，故尚未获得应有的重视和研究。本发明基于这种拓扑结构，针对整流级开关管发生开路故障的情况，提出了一种容错控制方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关管开路故障时的容错控制方法，基于全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构，针对整流级开关管发生故障的情况，以适当的方式调整变换器的控制方式，使整体系统在容忍局部故障的情况下继续维持整体系统的运行。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]全双向开关型双级矩阵变换器的主功率电路由整流级、直流母线和逆变级依次连接而成。其中，输入三相用a、b、c表示，输出三相用u、v、w表示；直流母线的两极分别记为m极和η极，其正负方向可根据实际运行需要进行调整；整流级是由6个双向开关单元所组成的三相桥式电路，每个双向开关可采用共射极或共集电极反向串联的2个IGBT构成，整流级6个双向开关单元可用符号SyQ = a，b，c ； j = m，n)表示，意即联接输入i相与直流j极的双向开关单元；逆变级也是由6个双向开关单元所组成的三相桥式电路，每个双向开关亦可采用共射极或共集电极反向串联的2个IGBT构成，逆变级12个单向开关管可用符号=m，η ;1 = u，V，w ;k = 1，2)表示，意即联接直流j极与输出1相的双向开关单元中第k个单向IGBT开关管，并将“集电极一射极”方向与“m极一η极”方向一致的IGBT的编号设定为k = 1，相反的设定为k = 2。
[0008]对矩阵变换器采用整流级无零矢量的双空间矢量法进行调制。当所有开关管都能正常工作时，设定直流母线的m为正极，η为负极，令逆变级编号k = 2的6个开关管保持导通状态；整流级6个开关单元和逆变级编号为1的6个开关管根据双空间矢量法经典公式所计算得到的占空比进行调制。由于采用整流级无零矢量的方式，因此，和Sni(i = a，b，c)中有且仅有一个占空比为零。
[0009]—种全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关管开路故障时的容错控制方法，当整流级的某个或多个开关管发生开路故障时，首先将发生局部故障的开关管所在双向开关单元的驱动信号封锁，保持关断状态；然后，根据故障类型，全双向开关型双级矩阵变换器可调整驱动方式，维持整体的容错运行。本发明主要针对整流级开关管的以下两种故障类型，提出相应的容错控制方法:
[0010]1)单个双向开关单元故障
[0011]不失一般性，设发生开路故障并被从电路中隔离。在运行过程中的某个调制周期内，若按照正常调制方式时sm的占空比为零，则继续按照正常方式对全双向开关型双级矩阵变换器进行调制；若按照正常调制方式时SmJ]占空比大于零，对应此时SJ勺占空比一定为零，则在这整个调制周期内将直流母线电压设定的正负方向对调，弥补SmJ]开路故障。调整后整流级双向开关单元S?b和S ?。的占空比分别等于调整前s na、snb和s n。的占空比，而调整后的sna、Snb和S n。的占空比等于调整前Sm、S?^P S?J勺占空比。特别地，调整后的占空比为零，将其切除对输出电压和输入电流的调制无影响。同时令逆变级编号k=1的6个开关管切换为全部开通的状态，逆变级编号k = 2的6个开关管进行斩波调制，调整后sun2、Svn2、Swn2、Sm2、S-和s _2的占空比分别等于调整前S _、sMl、s^、sunl、svnl和s wnl的占空比。
[0012]2)同时有两个双向开关单元故障，且位于不同输入相连接直流母线不同极的位置
[0013]不失一般性，设Sm和Snb发生开路故障并被从电路中隔离。在运行过程中的每个调制周期开始时刻之前，需提前判断:若按照正常调制方式，该周期内调制过程所需的两个整流级空间矢量是否需要开通或S nb，根据判断结果，可分为三种情形:
[0014]2.1)两个整流级空间矢量中，Sm和S nb都不需要开通
[0015]在该调制周期内继续采用正常调制方式，即设定m为正极，η为负极，逆变级编号k=2的6个开关管保持导通状态；整流级6个开关单元和逆变级编号为1的6个开关管根据双空间矢量法经典公式所计算得到的占空比进行调制。
[0016]2.2)两个整流级空间矢量均需要Sm或S &的其中之一或全部开通
[0017]显然，在该调制周期内Sm或Snb的占空比大于零，相应的Sna或的占空比为零。在整个调制周期内对调直流母线m和η的极性，即设定m为负极，η为正极。调整后整流级双向开关单元Sm、S^PSj勺占空比分别等于调整前Sna、SnjPSn。的占空比，而调整后的Sna、Snb和S n。的占空比等于调整前S Μ、和S ?。的占空比，特别地，调整后S m和S &的占空比均为零，将它们切除对输出电压和输入电流的调制无影响；逆变级编号编号k= 1的6个开关管切换为全部开通的状态，逆变级编号k = 2的6个开关管进行斩波调制，调整后Sun2、Svn2、Swn2、Sm2、S-和S _2的占空比分别等于调整前S unil、SMl、S^、Sunl、Svnl和S wnl的占空比。
[0018]2.3)有且仅有一个整流级空间矢量需要Sm或S &的其中之一或全部开通
[0019]在无需故障开关单元开通的空间矢量作用区间，仍按照正常方式对整流级和逆变级进行调制；在调制周期内整流级空间矢量切换的同时对调直流母线m和η的极性，从而在需要故障开关单元开通的空间矢量作用区间内，按照m为负极、η为正极的方式对整流级和逆变级进行调制。
[0020]全双向开关型双级矩阵变换器在容错运行模式下，需要在正常调制方式和容错调制方式之间来回切换，安全可靠的切换过程是容错运行成功的关键。为此，本发明提出了下述调制方式的切换步骤:
[0021]为保证调制方式切换的安全性，只在逆变级为零矢量的状态下进行切换。以如下情形为例:切换前