一种基于热备用矢量替代的MMC容错运行策略的制作方法

本发明涉及电气工程领域，尤其是涉及一种基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略。
背景技术：
：对于mmc来说，假设每相各有n个子模块，每个模块正常工作的概率为r，则n个子模块正常工作的概率为rn。所以单相mmc逆变器的可靠性为rn。对于同样的单相mmc逆变器，如果可以允许一个子模块故障，那么其可靠性为rn+n×rn-1×(1-r)。很明显，可以容错系统的可靠性远高于不能容错的系统。现有容错的策略可以分为软件容错和硬件容错。备用子模块容错是传统的硬件容错方式，又分为冷备用和热备用。对于冷备用，优点是损耗较低，但是对电容进行充电需要时间，所以冷备用子模块的投入速度较慢。对于热备用，损耗较大，而且算法复杂。使用备用子模块容错方式可以使发生故障后的mmc逆变器的相电压、线电压都与正常状态下的相电压、线电压无异。但是这种方式增加了经济成本，在运行时也增加了mmc的损耗。对于软件mmc容错，常用的就是旁路对应桥臂或者对应桥臂和对应相的子模块。这种方式操作简单，保证了最大功率的输出，但是减少了电压电平数，而且由于旁路了健康的子模块，会造成一定程度的浪费。还有应用零点漂移的策略进行容错，这种容错方式以保证正常的线电压为目的，但不能保证最大的输出电压。另外使用svm控制mmc，故障发生时，旁路对应桥臂的子模块，产生了新的矢量，可以使用新的矢量对磁链进行合成，这种方式减少了线电压的电平数。硬件容错增加了硬件的成本，软件容错虽然可以避免加入更多的硬件，但是不能同时保证线电压峰值和线电压电平数量。技术实现要素：本发明提出一种基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略，允许一相桥臂有一半数量的子模块故障，不增加硬件，并且可以在一定程度上同时保证线电压峰值和线电压电平数量。本发明的技术方案如下：一种基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略，包括：(1)在mmc正常运行时，将mmc每相同一个桥臂的两个子模块进行组合，三相整合形成新的控制子单元，每个子单元独立运用空间矢量调制策略进行控制；(2)在监测到mmc子模块故障时，将故障子模块旁路，同时将其他子单元中相应的健康子模块设定为热备用子模块，通过控制实际工作子模块数量及其电容电压，构造子单元所需矢量；(3)用构造的矢量替代子单元中缺失的矢量，保证mmc容错运行，保持线电压幅值不变。本发明中，所述mmc的结构为三相六桥臂，当mmc中一相同一个桥臂的子模块数量为偶数个时，将一相同一桥臂的两个子模块进行组合，三相六个子模块形成一个子单元，每个子单元每相能够输出2ucap、ucap和0三种电压，分别对应n、o、p三种开关状态；当一相一个桥臂的子模块为奇数个时，则其中一个子单元由三相三个子模块组成，输出的电压2ucap、0对应n、p两种开关状态，剩余每个子单元由三相六个子模块组成。在一个子单元中，将p状态定义为(0，0)；o状态定义为(1,0)或(0,1)；n状态定义为(1,1)。根据矢量的大小将矢量分为大矢量、中矢量和小矢量。其中，1代表子模块投入状态，0代表子模块切出状态。另外，由于七段式的方式相比五段式的方式输出谐波较小，所以每个子模块采用七段式的方式输出矢量。步骤(1)中，同一桥臂子单元对同一参考信号错时采样，采样点数与mmc中子单元的数量一致，桥臂的输出电压为各子单元输出电压之和。因为各子单元输出的电压波形不同，又桥臂输出为各个子单元输出叠加，所以最终呈现类正弦多电平状态。采样点数量的增多和新的矢量方向的出现使合成的磁链更加接近圆形。步骤(2)中，构造子单元所需矢量的具体方式如下：将故障子模块旁路，通过热备用的方式使故障相实际工作的子模块数量减半，这样故障相子模块的电容电压由原来的ucap变为了2ucap。在故障相每个子单元仅一个子模块处于工作状态，因此故障相子单元对外输出电压为0或2ucap，即每个子单元所对应的故障相仍有p、n状态，而没有o状态。其余没有处于工作状态的子模块均处于热备用状态。热备用子模块的设定原则为：通过分析每个子模块电容电压大小和桥臂电流方向，运用电容电压排序的方法确定各个子模块是热备用状态还是工作状态。在步骤(3)中，由于子单元故障相缺少o状态，所以此子单元缺少相应的小矢量和中矢量，小矢量有相应的冗余矢量进行替代，中矢量则由相应的大矢量进行合成。此时仍然采用七段式的方式进行调制，只是子模块故障后，所采用的矢量发生了变化。由于只是故障相每次投入的子模块数量减半，而子模块电容电压增加了一倍，所以输出线电压的幅值保持不变。本发明基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略，通过热备用健康的子模块，提高了子模块的利用率，至多允许一相桥臂有一半数量的子模块故障，并且没有增加额外的硬件。通过矢量替代的方式，可以产生较完好的磁链。此方法在一定程度上既保证了线电压峰值又保证了线电压电平数量。本发明适用于保证线电压的场合，将其运用于中高压电机有良好的效果。附图说明图1为本发明一种基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略的实施流程图；图2为本发明实施例的三相mmc的拓扑；图3为图2中mmc子模块的拓扑；图4为本发明实施例中一个子单元所有的矢量图；图5为mmc线电压变化情况；图6为mmc的a相上桥臂子模块电容电压变化的情况；图7为mmc的a相下桥臂子模块电容电压变化的情况；图8为仿真实验中，线电压uca示意图；图9为未发生故障时ab线电压fft分析；图10为容错控制后ab线电压fft分析。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。本发明基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略是在子模块重组svm调制策略的基础上进行的。本容错策略采用七段式进行调制。五段式与七段式的不同在于零矢量集中实现的方式不同。五段式将零矢量放在中间，而七段式将零矢量放在中间和两边。五段式的特点是开关次数少；七段式的特点是从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相发生变化，但一个开关周期内三相都会发生变化，开关损耗大，但谐波含量少。如图1所示，一种基于热备用矢量替代的mmc容错运行策略，将同一相同一桥臂任意两个子模块看成一组，三相六个子模块作为一个子单元，在mmc正常运行时对每个子单元使用svm控制信号进行控制，不同的子单元之间进行错时采样以合成多电平。下桥臂的控制信号与上桥臂相互配合，以使每相每次投入子模块个数为固定值。在监测到mmc子模块故障时，对故障子模块进行定位和旁路，同时将其他子单元中相应的健康子模块设定为热备用子模块，通过控制实际工作子模块数量及其电容电压，构造子单元所需矢量。如图2所示，为每桥臂n个子模块的mmc拓扑，以每相两个子模块组合为例，两个子模块组成子单元的一相，三相组合起来便是一个完整的子单元。每个子单元可以输出2ucap、ucap和0三种电压，分别可以对应n、o、p三种状态，继而可以对每个子单元应用空间矢量调制。每个子单元采样时刻相互错开，根据自身采样参考独立应用空间矢量调制策略进行控制。最后通过分析每个子模块电容电压大小和桥臂电流方向，运用电容电压排序的方法来保持子模块电容电压平衡。如图3所示，为mmc子模块的拓扑，t1与t2互补导通。当t1导通、t2未导通时，电容c接入电路，子模块处于投入状态，输出电压为ucap。当t2导通、t1未导通时，电容c未接入电路，子模块处于切出状态，输出电压为0。如图4所示，为一个子单元所有的矢量图，假定a相子模块故障，无法产生o状态，划掉的为损失的向量。图中标明了大扇区和小扇区的序号。在正常运行条件下，矢量作用顺序如表1～表6所示。表1表2表3表4表5表6在a相子模块故障的条件下，这里的a相故障包括一个子单元中有一个子模块故障、一个子单元中有两个子模块故障和多个子单元中都有子模块故障等情况。此时a相失去了o状态，那么矢量作用的顺序如表7～表12所示：表7表8表9表10表11表12若一个子单元的子模块发生故障。首先，对该故障子模块进行旁路。同时在其他子单元中会有一个子模块成为热备用子模块。这样每次投入的子模块数量相比子模块未发生故障时减半，从而故障相子模块的电容电压会增加一倍。对于每一个子单元所对应的故障相，失去了o状态，同时产生出了p、n状态。下一步进行矢量替代。由于子模块故障，会有一些矢量不复存在。对于小矢量，有可以替代的冗余矢量；对于中矢量，则需要用大矢量进行合成。最后，使用的电容电压排序策略对子模块的电容电压进行了平衡。下面对中矢量的替代进行分析。表8和表11中的3、4、5、6小扇区部分涉及到中矢量的替代，可以看出只有所需合成的矢量落在表8扇区二的3、4、5、6小扇区和表11扇区五的3、4、5、6小扇区时才需要用到中矢量。在正常状态下矢量作用顺序中可以看出只有位于扇区二的中矢量[opn]和位于扇区五的中矢量[onp]参与进来。而2×[opn]＝[npn]+[ppn]2×[onp]＝[nnp]+[pnp]其中[npn]、[ppn]、[nnp]和[pnp]为大矢量。能这样替换的原因为：[opn]×2t1＝[npn]×t1+[ppn]×t1[onp]×2t2＝[nnp]×t2+[pnp]×t2其中t1为七段式中[opn]作用一段的时间，t2为七段式中[onp]作用一段的时间。由矢量替代的式子可以看出以上两式是成立的。至于矢量合成的作用顺序，以合成矢量落在二扇区的3小扇区为例,未发生故障时矢量作用的顺序为：nonoonopnopoopnoonnon故障发生后采用容错策略矢量作用的顺序为：nonpponpnopoppnpponon即将两个大矢量放在了原来中矢量的位置，这样七段作用下来，整体是等效的。发生故障的类型包括一相一个子单元中有一个子模块故障、一相一个子单元中有两个子模块故障和一相多个子单元中都有子模块故障等情况，若对应故障相一个子单元的两个子模块都发生了故障，则需要借用其他子单元的子模块，发生故障的子单元和被借用子模块的子单元没有热备用子模块。而上下桥臂子单元的数量，即为上下桥臂所允许子模块故障的数量。为了验证容错策略的效果，下面给出仿真的结果。仿真情况设定为a相上下桥臂都有一个子模块发生故障，仿真参数如表13所示。表13a相上下桥臂各有一个子模块发生故障，则对这两个子模块进行旁路。同时运用热备用构造p、n状态，之后进行矢量替代。其中热备用是通过运用电容电压排序实现的。由图5可以看出，故障发生后，线电压开始错乱，波形与正常情况差距较大。当采取本容错策略后，线电压与正常情况相差不大。以图8中ca线电压为例进行分析。圈中所示波形少了一个电平数，并且有电压凸起。这是因为中矢量没有冗余矢量所致。中矢量只能由相邻的两个大矢量进行合成，这就导致了波形的变化，主要会引起谐波的增大。由图6和图7可以看出，发生故障后，故障子模块被旁路，故障子模块的电容电压变为0。容错控制后，故障相子模块电容电压是未发生故障时子模块电容电压的两倍。图9和图10是取0.8秒后10个周期的波形进行fft分析。对比两图可以看出，本容错方法产生的线电压基波幅值与正常状态下线电压相差不大，谐波含量有所上升。以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12