一种有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法与流程

本发明涉及一种有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法，属于电力电子技术领域。

背景技术：

二极管中点箝位型三电平逆变器在中压大功率电力驱动系统中有非常广泛的应用。它可以通过使用低压开关器件实现高压和高功率输出，解决了输出电压受功率半导体器件耐压限制的问题。但二极管中点箝位型三电平逆变器存在功率器件损耗和结温分布不均的缺点，这使得开关频率和逆变器的容量都受到一定的限制。有源中点箝位型三电平逆变器的提出解决了这些问题。与二极管中点箝位型三电平逆变器相比，有源中点箝位型三电平逆变器将母线中点相连的箝位二极管替换为开关器件，增加了开关状态和换流过程的数量，也为平衡损耗和结温分布提供了自由度。但有源中点箝位型三电平逆变器若能很好的克服二极管中点箝位型三电平逆变器的缺点，必须依赖高性能的控制策略，才能在保证输出波形质量的同时，优化系统的损耗和结温，提高系统的可靠性。因此需要提出了一种有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法。

目前许多学者都提出了有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计的方法，但现有的控制策略既没有合适的换流过程划分方式，也没有建立完善的可靠性模型。因此，需要提出一种在线监测系统可靠性及控制策略优化设计方法，不仅能够很好地解决这些问题，而且考虑了稳定负载和随机负载下系统的运行方式，提高了该控制策略的适用性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法，克服了功率器件损耗和结温分布不均的缺点，能够实时获取器件在一个固定时间周期内的累计损耗，通过改变系统运行状态来延长系统整体的寿命。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1，根据有源中点箝位型三电平逆变器的电流路径，将所有换流过程划分为两种换流模式：有源换流模式和无源换流模式，并分析不同换流模式的损耗分布；

步骤2，利用电压传感器获取有源中点箝位型三电平逆变器中的功率器件两端的电压，利用电流传感器获取通过有源中点箝位型三电平逆变器中的功率器件的电流，对数据手册中的特性曲线进行拟合得到损耗与电压和电流之间的关系；

步骤3，将步骤2获取的电压和电流代入损耗与电压和电流之间的关系，计算得到损耗，将损耗导入热网络模型估算功率器件结温；

步骤4，获取一个时间周期内的功率器件结温，采用雨流计数法从一个时间周期内的功率器件结温中提取热循环，将这些热循环用于疲劳分析，导入寿命模型计算出功率器件的寿命损耗；

步骤5，针对稳定负载，根据不同换流模式的损耗分布情况，选取损耗方差最小的换流模式作为系统运行的换流模式；

步骤6，针对随机负载，根据不同换流模式的寿命损耗分布情况，选取寿命损耗方差最小的换流模式作为系统运行的换流模式。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述将所有换流过程划分为两种换流模式：有源换流模式和无源换流模式，具体为：

根据有源中点箝位型三电平逆变器的6种开关状态，排列组合出16种不同电流的换流过程，其中8种换流过程的电流路径变化与d5或d6有关，而与t5或t6无关，另外8种换流过程的电流路径变化与t5或t6有关，而与d5或d6无关，将前8种换流过程定义为无源换流模式，将后8种换流过程定义为有源换流模式；

所述有源中点箝位型三电平逆变器包括直流电压源、第一至第二直流母线电容、a相桥臂；第一直流母线电容的一端接直流电压源的正极，另一端接第二直流母线电容的一端，第二直流母线电容的另一端接直流电压源的负极，所述a相桥臂包括第一至第六绝缘栅双极型晶体管，记为t1-t6，每个绝缘栅双极型晶体管并联一个反并联二极管，t1的源极接t2的漏极，t2的源极接t3的漏极，t3的源极接t4的漏极，t1的漏极接直流电压源的正极，t4的源极接直流电压源的负极，t5的源极接中性点o，漏极接t1的源极，t6的漏极接中性点o，源极接t4的漏极，中性点o位于第一与第二直流母线电容的中间，记与t5并联的反并联二极管为d5，与t6并联的反并联二极管为d6。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述损耗包括功率器件导通损耗和功率器件开关损耗，其中，

功率器件导通损耗的计算公式为：

pcon＝(a0+a1·tj)·il+(b0+b1·tj)·il²

其中，pcon表示功率器件导通损耗；tj表示器件结温；il表示电流；a0、a1、b0、b1均为系数；

功率器件开关损耗的计算公式为：

其中，esw表示功率器件开关损耗；表示数据手册中的开关损耗参考值；il表示电流；表示数据手册中的电流参考值；vcc表示截止电压；表示数据手册中的截止电压参考值；表示温度系数；tj表示器件结温；表示数据手册中的器件结温参考值；ki和kv分别表示电流和电压的指数系数。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述寿命损耗的计算公式为：

其中，nf表示器件故障的热循环次数；δtj表示结温波动；r表示气体常数；tj表示器件结温，单位开尔文；a、α、q均为器件相关参数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法通过实时优化调整逆变器不同电压状态下的换流路径，实现功率器件损耗的均衡，减小了逆变器功率器件的结温波动，提高了功率变换器的可靠性。

2、本发明提出了一种通用化的在线提高系统可靠性的方法，不仅适用于有源中点箝位型三电平逆变器，任何可以通过调整调制策略改变损耗分布的拓扑结构均可以使用类似的控制策略提高系统寿命。

3、本发明设计控制策略时针对的可靠性指标为器件寿命，基于雨流法，能够在随机负载下动态确定逆变器的优化换流路径，能够非常直观地反映了器件寿命损伤情况。

4、本发明提出的有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法考虑了恒定负载和随机负载不同工况下系统的运行方式，控制策略的适用性范围广，有广泛的应用前景。

附图说明

图1是有源中点箝位型三电平逆变器的拓扑结构。

图2是有源中点箝位型三电平逆变器工作在无源换流模式下的损耗分布情况。

图3是有源中点箝位型三电平逆变器工作在有源换流模式下的损耗分布情况。

图4是提高有源中点箝位型三电平逆变器可靠运行能力的控制策略设计流程。

图5是假设的功率器件温度变化曲线，用于解释雨流计数法。

图6是本发明提出的稳定负载下基于损耗方差的损耗均衡策略。

图7是当有源中点箝位型三电平逆变器分别于无源换流模式、有源换流模式和本发明提出的稳定负载的控制策略下稳定工作5s后，a相中所有器件的累计损耗仿真结果。

图8是当有源中点箝位型三电平逆变器分别于无源换流模式、有源换流模式和本发明提出的稳定负载的控制策略下稳定工作5s后，a相中所有器件的器件结温仿真结果。

图9是本发明提出的稳定负载的控制策略下系统选取的最优换流模式仿真结果。

图10是本发明提出的随机负载下基于损耗方差的损耗均衡策略。

图11是有源中点箝位型三电平逆变器运行于随机负载下的负载曲线。

图12是当有源中点箝位型三电平逆变器于本发明提出的随机负载的控制策略下稳定工作20s后特定器件的结温仿真结果。

图13是当有源中点箝位型三电平逆变器于本发明提出的随机负载的控制策略下稳定工作20s后特定器件的寿命损耗仿真结果。

图14是本发明提出的随机负载的控制策略下系统选取的最优换流模式仿真结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明涉及一种有源中点箝位型三电平逆变器控制策略优化设计方法，有源中点箝位型三电平逆变器的拓扑结构如图1所示。其中直流侧由直流电压源vdc(1.1)和直流母线电容c1，c2(1.2)并联而成。每相桥臂(1.3)由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(igbt)串联连接而成，并通过两个功率器件igbt连接到中性点o。有源中点箝位型三电平逆变器接阻感性负载(1.4)。根据每相桥臂绝缘栅双极型晶体管(igbt)的开关状态，得到开关状态与输出电压的对应关系，如表1所示。

表1开关状态与输出电压的对应关系

根据有源中点箝位型三电平逆变器的6种开关状态，排列组合出16种不同电流的换流过程，如表2所示。表中灰色底纹表示的8种换流过程，其电流路径变化与d5或d6器件有关，而与t5或t6器件无关，这与中点箝位型三电平逆变器的电流换流路径类似。而其他8种换流过程，其电流路径变化与t5或t6器件有关，而与d5或d6器件无关，这些换流过程利用t5、t6形成电流路径，与中点箝位型三电平逆变器的电流换流路径完全不同。

表2有源中点箝位型三电平逆变器的16种换流过程

本发明将第一类换流过程定义为“无源换流模式”，并将第二类换流过程定义为“有源换流模式”，则由于换流路径的不同，有源换流模式和无源换流模式的损耗分布也完全不同。

以阻感性负载为例，假设输出电流滞后于输出电压，则根据电流和电压将产生四个象限。有源中点箝位型三电平逆变器分别工作在无源换流模式和有源换流模式时的损耗分布如图2和图3所示。图2展示了无源换流模式中不同象限(2.1)对应的换流过程(2.2)和电流路径(2.3)，以及不同换流过程中产生导通损耗的功率器件(2.4)和产生开关损耗的功率器件(2.5)。图3展示了有源换流模式中不同象限(3.1)对应的换流过程(3.2)和电流路径(3.3)，以及不同换流过程中产生导通损耗的功率器件(3.4)和产生开关损耗的功率器件(3.5)。不同换流模式并不影响输出电压波形和电流波形的质量，但是不同换流模式具有不同的器件损耗分布，因此可以根据有源中点箝位型三电平逆变器的两种换流模式设计控制策略优化系统的损耗分布。

本发明提出了一种提高有源中点箝位型三电平逆变器可靠运行能力的控制策略设计流程，如图4所示，该设计步骤为：

1)根据有源中点箝位型三电平逆变器的电流路径，将所有换流过程划分为两种换流模式：有源换流模式和无源换流模式，并分析不同换流模式的损耗分布。

2)根据控制策略针对的系统(4.1)，用电压和电流传感器获取功率器件两端的电压和通过器件的电流，对数据手册中的特性曲线进行拟合得到损耗与电压和电流之间的关系(4.2)。

其中功率器件导通损耗的计算公式为：

pcon＝(a0+a1·tj)·il+(b0+b1·tj)·il²(1)

式中导通损耗pcon与电流il采用二阶多项式曲线拟合来近似，tj代表器件结温，系数a0、a1和b0、b1由曲线拟合得到。

功率器件开关损耗的计算公式为：

式中开关损耗esw受许多参数的影响，包括：截止电压vcc，负载电流il和器件结温tj。上标“ref”表示数据手册中的参考值。ki和kv表示电流和电压的指数系数，表示温度系数。

3)将计算得到的损耗导入有源中点箝位型三电平逆变器的cauer热网络模型估算器件结温(4.3)。cauer热网络的参数由数据手册中提供的foster热网络参数等效变换得到。

4)将得到的结温和结温波动用于疲劳分析，导入寿命模型计算出器件的寿命损耗(4.4)。

寿命损耗的计算公式为：

式中，nf表示器件故障的热循环次数，δtj表示结温波动，r表示气体常数(8.314j/mol·k)，tj表示器件结温(单位开尔文)，器件相关参数a＝640，α＝-5，q＝7.8×10⁴j/mol。

当结温波动δtj和结温tm为恒定值时，器件的热循环容易被提取出来，寿命损伤易于计算。但随机负载下的负载曲线不确定，器件的热循环难以直接提取出来，因此需要一种循环计数方法来识别等效的热循环。雨流计数法是可以从随机的温度曲线中提取热循环的一种循环计数方法，并广泛运用于疲劳分析。

本发明以图5所示的功率器件结温变化曲线(5.3)为例，对雨流计数法做一个简单的介绍。首先找到曲线中一阶导数为0的点，若该点一阶导数的变化趋势为由正值变为负值，定义该点为波峰(5.1)。若该点一阶导数的变化趋势为由负值变为正值，定义该点为波谷(5.2)。依次将这些点进行编号。根据最开始的三个点生成x和y，代表连续峰谷点之间的代数差，其中y为第一和第二个点之间的代数差，x为第二和第三个点之间的代数差。设起始点为s，并从步骤2开始。

步骤1：读取下一个波峰或波谷为一个新的点，若已经没有下一个波峰或波谷，跳到步骤6。

步骤2：如果现在少于3个点，跳回步骤1。用3个最新的且没有被删除的点，重新生成x和y。

步骤3：比较x和y的绝对值，若x<y，跳回步骤1；若x≥y，跳到步骤4。

步骤4：如果y包含起始点s，跳到步骤5。否则将y记为一个全循环，然后删除y包含的波峰和波谷两个点，跳回步骤2。

步骤5：将y记为一个半循环，然后删除y中的第一个点(波峰或波谷)，并将起始点s移至y中的第二个点。跳回步骤2。

步骤6：将仍未计数的连续峰谷点全部定义为半循环。

根据雨流法提取出的等效热循环的结果如表3所示。

表3根据温度变化曲线采用雨流法得到的热循环

本发明采用雨流计数法从器件的历史结温数据中提取热循环，并且应用miner准则线性累计器件的寿命损伤，公式如下：

式中，d表示累计损伤，ni表示特定工作点的实际热循环数量，nfi表示特定工作点的器件故障的热循环次数。当d数值达到1时，代表器件损坏。

4)对不同调制策略下的损耗、结温和器件寿命进行分析，设计出可靠性性能最优的调制策略作为系统运行的调制策略。根据设计的控制策略实时改变系统的运行方式，优化系统的可靠性性能(4.5)。

本发明根据不同换流模式及提出的控制策略设计流程，针对不同负载分别设计了两种优化控制策略。

对于稳定负载，本发明提出了一种基于损耗方差的损耗均衡策略，其控制框图如图6所示。该控制策略通过在线采集电流与电压信号，结合半导体器件数据手册中的特征曲线，估算出每一个器件的导通损耗和开关损耗(6.4)。得到的损耗一方面导入cauer热模型，用于计算器件结温(6.5)，并且计算得到的温度用于实时更新功率器件的损耗(6.4)；另一方面，损耗用于比较有源中点箝位型三电平逆变器在两种换流模式下的损耗方差，并选取损耗方差最小的换流模式作为最佳换流模式(6.6)。最终根据最佳换流模式(6.6)及给定电压(6.1)，控制信号将产生18个igbt的门极脉冲信号(6.2)，决定有源中点箝位型三电平逆变器中绝缘栅双极型晶体管(igbt)器件的开关状态(6.3)。

对设计的控制策略进行仿真，当系统分别于无源换流模式(7.1)，有源换流模式(7.2)和本发明提出的控制策略(7.3)下稳定工作5s后，a相中所有器件的累计损耗如图7所示。当系统分别于无源换流模式(8.1)，有源换流模式(8.2)和本发明提出的控制策略(8.3)下稳定工作5s后，a相中所有器件的器件结温如图8所示。图9展示了系统选取的最优换流模式(9.1)，0代表无源换流模式，1代表有源换流模式。从图7中可以看出，本发明提出的换流模式中，功率器件的累计损耗介于两种换流模式下该器件的累计损耗之间，这是因为本发明提出的换流模式始终在无源换流模式和有源换流模式之间来回切换。从图7和图8可以看出，不同换流模式的结温分布与损耗分布一致。表4列出了不同换流模式的累计损耗，损耗方差，最高的器件结温及结温方差。

表4不同换流模式之间的比较

从表4可以看出，虽然不同换流模式下的累积损耗相同，但本发明提出的换流模式中，器件的损耗方差和结温方差均低于其他两种换流模式的损耗和结温方差。这说明本发明提出换流模式的损耗和结温分布更为均匀。此外，本发明提出的换流模式中，最高器件结温相较于其他两种换流方式更小，由于结温与器件寿命有关，且寿命损耗最严重的器件决定了整个系统的可靠性，因此采用本发明提出的换流模式可以避免部分器件承受过高的结温而提前损坏，从而延长系统的寿命，提高系统的可靠性。

该损耗均衡策略既可以适用于稳态负载，也可以适用于随机负载。但是对于已经使用过的器件，需要了解器件的初始累计损耗才能使用该策略。该模型无法预测器件寿命，无法根据器件寿命实时调整换流方式，因此对于在随机负载下提高系统的可靠性，本发明提出了另一种控制策略，其控制框图如图10所示。

本发明提出的随机负载控制策略下，功率器件损耗(10.4)和结温(10.5)的计算方式与基于损耗方差的控制策略一致，但不同的是，不断变化的负载会产生较大的结温波动，使每个器件的寿命计算得以实现。在一个负载周期后，根据计算得到器件的结温数据，采取雨流计算法从器件的历史温度数据中提取出器件的热循环(10.6)，即可精确计算每个绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块的剩余寿命并保存下来(10.7)。然后比较不同换流模式下，所有绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块剩余寿命的方差，选取寿命方差最小的换流模式作为最佳换流模式，作为下一个负载周期中运行的换流模式(10.8)。最后，根据最佳换流模式(10.8)及给定电压(10.1)，控制信号产生18个绝缘栅双极型晶体管的门极脉冲信号(10.2)，决定有源中点箝位型三电平逆变器的最终开关状态(10.3)。

对设计的控制策略进行仿真，假设器件的初始损伤为0，系统最初运行于无源换流模式。当系统于该控制策略下运行20s后，仿真结果如图11、图12、图13和图14所示。

(11.1)为随机负载下设置的负载曲线。图12展示了igbt1模块的结温(12.1)、igbt2模块的结温(12.2)和igbt5模块的结温(12.3)。从图11和图12可以看出，在设置的随机负载下，负载曲线随时间不规律的变化(11.1)，并导致器件结温随着输出功率做不规则的变化。图13展示了随机负载下a相所有绝缘栅双极型晶体管模块的累计寿命损耗，包括：igbt1模块的寿命(13.1)、igbt2模块的寿命(13.2)、igbt3模块的寿命(13.3)、igbt4模块的寿命(13.4)、igbt5模块的寿命(13.5)和igbt6模块的寿命(13.6)。可以看出，每经过一个雨流法的计算周期，绝缘栅双极型晶体管模块寿命损耗都会增加。但由于负载为随机负载，使得每个计算周期中绝缘栅双极型晶体管模块寿命损耗的增量不同。图14展示了剩余寿命方差最小的换流模式(14.1)，0代表无源换流模式，1代表有源换流模式，发现除系统在初始时运行于无源换流模式外，选取的最佳换流模式始终为有源换流模式。

两种控制策略得出结论不同的原因在于：1、稳定负载下，设计控制策略时针对的可靠性指标为器件损耗，而随机负载针对的可靠性指标为器件寿命。2、随机负载下的控制策略中，寿命损耗针对的器件为绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块，并选取绝缘栅双极型晶体管的结温代表整个绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块的结温。而稳定负载下的控制策略中，结温的计算中既包括绝缘栅双极型晶体管(igbt)的结温，也包括其反并联二极管的结温。

虽然随机负载下设计的控制策略中，器件寿命方差最小的换流模式始终是有源换流模式，但这并不代表该控制策略的设计没有意义。本发明旨在提出一个通用化的在线提高系统可靠运行能力的控制策略设计方法，通过实时获取的器件在一个固定时间周期内的累计损耗来设计控制策略，调整系统运行方式，提高系统的可靠性。因此本发明提出的控制策略不仅适用于有源箝位型三电平逆变器，任何可以通过调整调制策略改变损耗分布的拓扑结构(如多电平有源箝位型变换器)均可以使用类似的控制策略提高系统寿命，控制策略的适用性范围非常广。

本发明提出的控制策略可以在维持有源箝位型三电平逆变器输出波形性能的同时，优化系统的损耗分布、优化系统的结温分布、增强系统的可靠性。同时针对不同类型的负载均设计了相应的控制策略，考虑了不同工况下系统的运行方式，具有良好的适用性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。