三电平NPC逆变器开关器件在线监测时段调制波重构法的制作方法

本发明涉及一种三电平npc逆变器调制波重构法，尤其是一种三电平npc逆变器开关器件在线监测时段调制波重构法。

背景技术：

多电平逆变器技术通过改进变换器的拓扑结构，实现了高压大功率输出。它能改善输出电压波形，减小开关损耗，无需升降压变压器和均压电路。在相同的直流母线电压条件下，比两电平逆变器的应力大大减小了，这能改善装置的emi特性。目前，多电平逆变器已在高压大功率变频调速系统、电力系统有源滤波和动态无功补偿等领域都得到了广泛应用，未来还可能在更加关键的国防军事系统和影响国民经济的环节中广泛应用。然而，随着多电平逆变器的电平数增加，其开关器件的数量也显著增加，导致逆变器系统运行状态的可靠性在降低，任何一个器件的故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。

相关数据统计显示，功率变换器故障在电力电子系统所有电气设备故障总数中，占比例较高，而igbt模块是功率变换器的主要部件，因此igbt失效而导致功率变流器的故障率也较高。经相关研究统计表明，基于电力电子装置中igbt模块的故障比例高达31％。多电平逆变器中最为典型和应用最广泛的就是三电平npc逆变器。因此，功率器件的在线监测对于提高三电平npc逆变器的可靠性尤为重要。

题为“一种igbt在线检测装置”的中国发明专利文献(cn207832955u)提供一种igbt在线检测装置新型结构简单，新颖独特，体积小，携带使用方便，但是没有具体说明实现在线监测的时候，外部条件是否需要调整与配合，从而达到待测系统与监测系统的适配。

题为“npc型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法”的中国发明专利文献(cn105337523b)介绍了较为完整的npc型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法，但是没有具体说明在在线监测时段中，逆变器需要如何调整从而实现逆变器与在线监测系统间的适配。

综上，现有的三电平npc逆变器开关器件在线监测仍然存在如下问题：

1)没有具体说明如何为实现三电平npc逆变器开关器件的在线监测制造监测条件；

2)没有具体说明如何可以确保在对三电平npc逆变器开关器件在线监测时，待测系统与监测系统的安全性；

3)现有方法对逆变器本身运行的影响程度较大，对负载电流波形的电能质量影响较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为上述方案的不足，即提供一种可靠的、安全的三电平npc逆变器开关器件在线监测时段调制波重构法。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种三电平npc逆变器开关器件在线监测时段调制波重构法，本在线监测时段调制波重构法所涉及的三电平npc逆变器包括直流源udc、两个直流侧电容c1、c2和三相拓扑结构，所述直流侧电容c1和直流侧电容c2串联后与直流侧电源udc并联，将直流侧电容c1和直流侧电容c2的连接点定义为逆变器中性点；所述三相拓扑结构完全相同，且每相包括10个开关器件，其中a相包括4个igbt，4个反并联二极管和2个箝位二极管,a相中的4个igbt分别记为开关器件sa1、开关器件sa2、开关器件sa3、开关器件sa4,a相中的4个反并联二极管分别记为开关器件da1、开关器件da2、开关器件da3、开关器件da4，a相中的2个箝位二极管分别记为开关器件d1、开关器件d2；b相包括4个igbt，4个反并联二极管和2个箝位二极管,b相中的4个igbt分别记为开关器件sb1、开关器件sb2、开关器件sb3、开关器件sb4,b相中的4个反并联二极管分别记为开关器件db1、开关器件db2、开关器件db3、开关器件db4，b相中的2个箝位二极管分别记为开关器件d3、开关器件d4；c相包括4个igbt，4个反并联二极管和2个箝位二极管,c相中的4个igbt分别记为开关器件sc1、开关器件sc2、开关器件sc3、开关器件sc4,c相中的4个反并联二极管分别记为开关器件dc1、开关器件dc2、开关器件dc3、开关器件dc4，c相中的2个箝位二极管分别记为开关器件d5、开关器件d6；

所述在线监测时段调制波重构法步骤如下：

步骤1，设三电平npc逆变器采用正弦脉冲宽度调制控制方式，保持正常运行工作状态，即a、b、c三相调制波在每一个基波周期内，表达式如下：

fa(ωt)＝msin(ωt)0≤t＜t

其中fa(ωt)为a相调制波，fb(ωt)为b相调制波，fc(ωt)为c相调制波，m为调制度，ω为基波角频率，t为时间，π为圆周率，t为基波周期；

步骤2，上位机发出对三电平npc逆变器的指定开关器件进行在线监测的指令，所述指定开关器件包括：

a相4个：开关器件sa2、开关器件sa3、开关器件da2、开关器件da3：

b相4个：开关器件sb2、开关器件sb3、开关器件db2、开关器件db3；

c相4个：开关器件sc2、开关器件sc3、开关器件dc2、开关器件dc3；

步骤3，三电平npc逆变器的控制器调用指定程序，使得三电平npc逆变器的三相调制波强制重构为指定表达式，从而使所述指定开关器件的所在相pwm输出波形在监测时段强制保持为0电平，所述指定开关器件处于冗余状态，三相调制波维持三相平衡，具体的,有以下六种情况：

第一种，所述指定开关器件为sa2或da2时：

其中，fa(ωt)'为在线监测时段重构后的a相调制波，fb(ωt)'为在线监测时段重构后的b相调制波，fc(ωt)'为在线监测时段重构后的c相调制波，δtm为监测时段的时长；

第二种，所述指定开关器件为sa3或da3时：

第三种，所述指定开关器件为sb2或db2时：

第四种，所述指定开关器件为sb3或db3时：

第五种，所述指定开关器件为sc2或dc2时：

fa(ωt)'＝msin(ωt)0≤t＜t

第六种，所述指定开关器件为sc3或dc3时：

fa(ωt)'＝msin(ωt)0≤t＜t

步骤4，监测结束后，上位机指令复位，三相npc逆变器调制波在每一个基波周期内均恢复为如下表达式，同时等待下一次指令；

fa(ωt)”＝msin(ωt)0≤t＜t

其中，fa(ωt)”为在线监测时段结束后的a相调制波，fb(ωt)”为在线监测时段结束后的b相调制波，fc(ωt)”为在线监测时段结束后的c相调制波。

本发明相对于现有技术的有益效果：

1、本发明方法提出的调制波重构法，利用待测开关器件的冗余状态，为实现三电平npc逆变器开关器件的在线监测制造了监测条件。

2、采样本发明方法确保了在对三电平npc逆变器开关器件在线监测时，待测系统与监测系统的安全性，满足逆变器各功率器件的正常工作原则，从而不会发生外部监测电路与逆变器主电路的短路故障。

3、本发明方法提出的调制波重构法对逆变器本身运行的影响程度最小，对负载电流波形的电能质量影响最小。

4、本发明提出的调制波重构法简单直观，易于操作。

附图说明

图1是本发明的实例中三电平npc逆变器的拓扑结构。

图2是对sa3进行在线监测时段的示意图。

图3是对da3进行在线监测时段的示意图。

图4是采用本发明的调制波在监测时段的仿真波形。

图5是采用本发明调制波重构法后负载电流的仿真波形。

图6是没有采用本发明调制波重构法后负载电流的仿真波形。

图7是没有采用本发明调制波重构法后负载电流的仿真波形。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

图1是本发明的实例中三电平npc逆变器的拓扑结构，包括直流源udc、两个直流侧电容c1、c2和三相拓扑结构。所述直流侧电容c1和直流侧电容c2串联后与直流侧电源udc并联，将直流侧电容c1和直流侧电容c2的连接点定义为逆变器中性点；所述三相拓扑结构完全相同，且每相包括10个开关器件。其中a相包括4个igbt，4个反并联二极管和2个箝位二极管,a相中的4个igbt分别记为开关器件sa1、开关器件sa2、开关器件sa3、开关器件sa4,a相中的4个反并联二极管分别记为开关器件da1、开关器件da2、开关器件da3、开关器件da4，a相中的2个箝位二极管分别记为开关器件d1、开关器件d2。b相包括4个igbt，4个反并联二极管和2个箝位二极管,b相中的4个igbt分别记为开关器件sb1、开关器件sb2、开关器件sb3、开关器件sb4,b相中的4个反并联二极管分别记为开关器件db1、开关器件db2、开关器件db3、开关器件db4，b相中的2个箝位二极管分别记为开关器件d3、开关器件d4。c相包括4个igbt，4个反并联二极管和2个箝位二极管,c相中的4个igbt分别记为开关器件sc1、开关器件sc2、开关器件sc3、开关器件sc4,c相中的4个反并联二极管分别记为开关器件dc1、开关器件dc2、开关器件dc3、开关器件dc4，c相中的2个箝位二极管分别记为开关器件d5、开关器件d6。

开关器件sa1集电极连接电容c1正极，开关器件sa1发射极连接开关器件sa2集电极，开关器件sa2发射极连接开关器件sa3集电极，开关器件sa3发射极连接开关器件sa4集电极，开关器件sa4发射极连接电容c2负极，开关器件sb1集电极连接电容c1正极，开关器件sb1发射极连接开关器件sb2集电极，开关器件sb2发射极连接开关器件sb3集电极，开关器件sb3发射极连接开关器件sb4集电极，开关器件sb4发射极连接电容c2负极，开关器件sc1集电极连接电容c1正极，开关器件sc1发射极连接开关器件sc2集电极，开关器件sc2发射极连接开关器件sc3集电极，开关器件sc3发射极连接开关器件sc4集电极，开关器件sc4发射极连接电容c2负极，开关器件da1阳极连接开关器件sa1发射极，开关器件da1阴极连接开关器件sa1集电极，开关器件da2阳极连接开关器件sa2发射极，开关器件da2阴极连接开关器件sa2集电极，开关器件da3阳极连接开关器件sa3发射极，开关器件da3阴极连接开关器件sa3集电极，开关器件da4阳极连接开关器件sa4发射极，开关器件da4阴极连接开关器件sa4集电极，开关器件db1阳极连接开关器件sb1发射极，开关器件db1阴极连接开关器件sb1集电极，开关器件db2阳极连接开关器件sb2发射极，开关器件db2阴极连接开关器件sb2集电极，开关器件db3阳极连接开关器件sb3发射极，开关器件db3阴极连接开关器件sb3集电极，开关器件db4阳极连接开关器件sb4发射极，开关器件db4阴极连接开关器件sb4集电极，开关器件dc1阳极连接开关器件sc1发射极，开关器件dc1阴极连接开关器件sc1集电极，开关器件dc2阳极连接开关器件sc2发射极，开关器件dc2阴极连接开关器件sc2集电极，开关器件dc3阳极连接开关器件sc3发射极，开关器件dc3阴极连接开关器件sc3集电极，开关器件dc4阳极连接开关器件sc4发射极，开关器件dc4阴极连接开关器件sc4集电极，开关器件d1阳极连接逆变器中性点，开关器件d1阴极连接开关器件sa1发射极，开关器件d2阳极连接开关器件sa4集电极，开关器件d2阴极连接逆变器中性点，开关器件d3阳极连接逆变器中性点，开关器件d3阴极连接开关器件sb1发射极，开关器件d4阳极连接开关器件sb4集电极，开关器件d4阴极连接逆变器中性点，开关器件d5阳极连接逆变器中性点，开关器件d5阴极连接开关器件sc1发射极，开关器件d6阳极连接开关器件sc4集电极，开关器件d6阴极连接逆变器中性点，负载部分与sa2发射极、sb2发射极、sc2发射极连接。

逆变器工作状态分为p、o、n三种工作状态，在三种工作状态下，各个开关器件的状态如表1。

本发明实施时的有关电气参数设置如下：

直流源udc＝150v，直流侧电容c1＝c2＝56000μf，调制度m＝0.8，基波角频率ω＝100π，π为圆周率，监测时段的时长δtm＝0.4ms。

本发明所述在线监测时段调制波重构法步骤如下：

步骤1，设三电平npc逆变器采用正弦脉冲宽度调制控制方式，保持正常运行工作状态，即a、b、c三相调制波在每一个基波周期内，表达式如下：

fa(ωt)＝msin(ωt)0≤t＜t

其中fa(ωt)为a相调制波，fb(ωt)为b相调制波，fc(ωt)为c相调制波，m为调制度，ω为基波角频率，t为时间，π为圆周率，t为基波周期。

本实例中，a、b、c三相调制波在每一个基波周期内，表达式如下：

fa(ωt)'＝0.8sin(ωt)0≤t＜0.02s

步骤2，上位机发出对三电平npc逆变器的指定开关器件进行在线监测的指令，所述指定开关器件包括：

a相4个：开关器件sa2、开关器件sa3、开关器件da2、开关器件da3：

b相4个：开关器件sb2、开关器件sb3、开关器件db2、开关器件db3；

c相4个：开关器件sc2、开关器件sc3、开关器件dc2、开关器件dc3。

步骤3，三电平npc逆变器的控制器调用指定程序，使得三电平npc逆变器的三相调制波强制重构为指定表达式，从而使所述指定开关器件的所在相pwm输出波形在监测时段强制保持为0电平，所述指定开关器件处于冗余状态，三相调制波维持三相平衡，具体的,有以下六种情况：

第一种，所述指定开关器件为sa2或da2时：

其中，fa(ωt)'为在线监测时段重构后的a相调制波，fb(ωt)'为在线监测时段重构后的b相调制波，fc(ωt)'为在线监测时段重构后的c相调制波，δtm为监测时段的时长；

第二种，所述指定开关器件为sa3或da3时：

第三种，所述指定开关器件为sb2或db2时：

第四种，所述指定开关器件为sb3或db3时：

第五种，所述指定开关器件为sc2或dc2时：

fa(ωt)'＝msin(ωt)0≤t＜t

第六种，所述指定开关器件为sc3或dc3时：

fa(ωt)'＝msin(ωt)0≤t＜t

在本实例中，上位机发出对三电平npc逆变器a相的开关器件sa3及开关器件da3进行在线监测的指令，则三电平npc逆变器的控制器调用指定程序，使得三电平npc逆变器的三相调制波强制重构为指定表达式，从而使a相pwm输出波形在监测时段强制保持为0电平，开关器件sa3及开关器件da3处于冗余状态，三相调制波维持三相平衡。具体的,本实施例中，在线监测时段重构后的a相调制波fa(ωt)'、在线监测时段重构后的b相调制波fb(ωt)'和在线监测时段重构后的c相调制波fc(ωt)'计算如下：

本实例具体实现在线监测的过程参见图2和图3，图2为sa3进行在线监测时段的示意图，图3为对da3进行在线监测时段的示意图，以上过程中，根据表1，sa3和da3处于冗余状态(器件开通但是没有负载电流流过)，从而实现外部监测电流的注入。

步骤4，监测结束后，上位机指令复位，三相npc逆变器调制波在每一个基波周期内均恢复为如下表达式，同时等待下一次指令。

fa(ωt)”＝msin(ωt)0≤t＜t

其中，fa(ωt)”为在线监测时段结束后的a相调制波，fb(ωt)”为在线监测时段结束后的b相调制波，fc(ωt)”为在线监测时段结束后的c相调制波。

在本实例中，监测结束后，上位机指令复位，三相npc逆变器调制波在每一个基波周期内均恢复为如下表达式，同时等待下一次指令。

具体的,本实施例中，在线监测时段结束后的a相调制波fa(ωt)”、在线监测时段结束后的b相调制波fb(ωt)”和在线监测时段结束后的c相调制波fc(ωt)”计算如下：

fa(ωt)”＝0.8sin(ωt)0≤t＜0.02s

在本实例中，图4为调制波在监测时段的仿真波形，图5为采用本发明调制波重构法后负载电流的仿真波形，图6和图7为没有采用本发明调制波重构法后负载电流的仿真波形，可以发现，本发明提出的调制波重构策略可以实现在监测时段对负载电流电能质量的畸变影响最小。