防止有功回灌的高压变频器容错调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电能变换技术领域，具体涉及一种防止有功回灌的高压变频器容错调 制方法。
【背景技术】
[0002] 高压大功率变频调速技术对于节约能源具有重要意义。级联H桥逆变器是高压变 频器的主流拓扑。它具有输出谐波小、输出相同电平数时所用器件少、容错能力强等优点。 由于级联H桥逆变器功率单元数较多，可能发生故障的概率也非常大，因此它的可靠性成 为很多研究的焦点。另一方面，当一个或几个功率单元发生故障后，这些故障单元可以通过 双向晶闸管或旁路接触器短路，级联H桥逆变器可以依靠剩余的正常单元继续运行。
[0003] 故障单元隔离后，三相剩余的正常工作的功率单元数目不同，因此三相各自可实 现的最大输出电压也不同。如果不对调制信号做相应调整，那么三相输出线电压就可能出 现严重不对称。为了解决这一问题，必须采取相应的容错处理措施。级联H桥逆变器的容 错处理技术大体可分为下面五类：
[0004] (1)增添冗余功率单元：
[0005] 增添冗余功率单元是一种硬件容错方法。除了正常运行时每相所必须的N个单元 外，这种方法需要每相额外增加一个冗余单元。当某个功率单元发生故障后被旁路，剩余单 元仍然能够输出正常运行时所需的电压。但是这种方法显然增加了硬件成本。额外增加 的冗余功率单元及其附属的各种器件增加了发生故障的概率，反而不利于装置可靠性的提 尚。
[0006] (2)提升剩余单元直流侧电压：
[0007] 在某一相的故障单元被旁路后，可以提升此相其余单元的直流侧电压，以使三相 单元直流侧电压之和相等。这种方法可以使逆变器在故障时仍保持正常的电压输出能力， 但只适合于直流侧电压可以被控制的装置，比如STATC0M或具有前端PffM整流器的级联H 桥逆变器。而且这种方法要求器件可承受的电压比正常运行时承受的电压高很多，因此同 样会增加成本。
[0008] (3)旁路同级功率单元：
[0009] 这种方法在功率单元发生故障时，除了旁路这些发生故障的单元外，还要旁路其 他单元的一些正常单元，以保证逆变器各相具有相同的剩余单元数。由于这种方法旁路了 过多正常的单元，逆变器的可输出的最大电压会大幅降低，尤其是在大多数故障单元集中 出现在同一相时。这意味着变频器要大幅降额运行。
[0010] (4)冗余开关状态技术
[0011] 多用在空间矢量调制中。级联多电平逆变器的开关状态太多，使得这种容错方法 过于复杂。
[0012] (5)注入零序电压
[0013] 这是目前较为实用的一种方法。这种方法通过向三相指令电压注入零序分量，使 变频器在三相功率单元数不均等的情况下依然能输出平衡的线电压，并扩大了线性调制的 范围。根据注入零序电压的不同，这一类方法又分为很多小类。最早的基于注入零序电压 的方法罗宾康公司提出的中性点漂移技术。中性点漂移技术只旁路发生故障的单元，通过 调整逆变器三相电压的幅值和相位使三相线电压仍然保持均衡，其实质是注入基波零序电 压。中性点漂移技术能够实现比同级旁路技术更高的输出电压。然而中性点漂移技术要求 逆变器三相相电压幅值与各相的功率单元数成正比。受这一要求的限制，这种方法并不能 充分提高逆变器的电压输出能力，而且相角计算也有些复杂。另一种改进的中性点漂移技 术不再采用改变正弦调制波相位的方法，而是采用闭环反馈的方法加入零序电压，充分提 高了逆变器在各种故障类型下的可输出电压（除了单相单元全被旁路的情况），但闭环控 制增加了方法的复杂性。后来很多文献提出了采用了相对简单的开环计算的方法。
[0014] 但是，上述方法在带负载运行时都会面临共同的问题：注入的基波零序电压会与 输出电流交互作用从而可能产生负的有功功率。这可能某一相或两相有可能吸收有功功 率。对于能量可以双向传递的级联H桥逆变器，可以将有功功率回馈回电网。但实际应用 中不少级联H桥逆变器具有像图1那样的拓扑。这些拓扑采用二极管整流桥来提供直流电 压，它们不能将功率回馈回电网。有功功率回灌到直流侧会导致直流侧电压上升到不可接 受的程度从而损坏器件。而且，负载功率因数越低，有功功率越容易回灌。这严重威胁到级 联H桥高压变频器的安全运行。
[0015] 有功回灌源自零序电压的注入，所以防止有功回灌需要对零序电压本身进行控 制。利用零序电压控制三相功率分配的方法已经在很多场合被使用，例如STATC0M的电压 均衡策略，级联H桥蓄电池储能系统的SOC均衡策略等。但是，这些方法均没有考虑到容错 运行对零序电压的要求。在容错运行条件下，注入零序电压的目的不仅是分配三相有功功 率，还要扩展可输出电压范围。
[0016] 因此，容错运行时的调制方法应当在保证变频器具有最大输出电压能力的同时， 又要避免注入零序电压所引起的有功回灌。这是容错运行调制方法的重点和难点。
【发明内容】
[0017] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种能够同时保证变频器具有最大输出电压 能力，且防止有功回灌的高压变频器容错调制方法。
[0018] 本发明的技术方案为：包括以下步骤：
[0019] 步骤1):计算零序电压的上界Umax和下界u min;
[0020] 步骤2):以1!_和u _作为上界和下界对预备零序电压u进行动态限幅，生成 零序分量u。；
[0021] 步骤3):根据三相指令电压uan，ubn，uen和零序分量u。得到最终的调制波信号u ag， ubg，Ig，对最终的调制波信号进行归一化和相移PffM调制，生成各个功率单元的开关信号。
[0022] 进一步的，所述步骤1)的计算过程为：
[0023] 利用公另
对A相、B相、C相的直流侧电压 UdM，Ud^ Ud。。进行对称化处理，得到对称化的直流侧电压U syni，_和U ^ syni，所述公式 中的k代表a，b或c ;
[0024] 利用式
计算出零序电压分相的上边界(^和 下边界c'k;
[0025] 利用式
计算出零序电压的上界Umax和下界u min。
[0026] 进一步的，所述步骤2)中还包括对零序分量u。中基波分量的处理，其过程为：
[0027] 根据三相直流侧电压最小相的指令电压值Ukn^niin与指令电压幅值U "hase的比值 计算反向单位余弦COS Θ。；
[0028] 将零序分量u。与单位余弦cos Θ。经傅里叶级数计算，得出零序分量u。的基波幅 值Um，将基波幅值Um归一化处理得到的归一化零序电压基波幅值If与0作差后经过PI Qtivi 控制器处理，输出增益k。；
[0029] 利用增益k。对直流侧电压最小相的指令电压值ukn>_进行基波分量最小化处理， 得到基波分量含量低的预备零序电压l^ in。
[0030] 进一步的，所述步骤3)中的调制波信号uag，ubg，U eg分别为三相指令电压u an，ubn， 和11。"零序分量u。之和。
[0031] 进一步的，还包括步骤4):调整三角载波相位差。
[0032] 进一步的，所述步骤4)中三角载波相位差的移相角分别为：π /ΝΑ，π /ΝΒ，π /Nc， 其中Na，Nb，Nc分别为三相剩余单元数。
[0033] 本发明的有益效果：相对于其他容错处理方法，本方法具有以下优点：
[0034] a.相对于采用冗余功率单元、提升剩余单元直流侧电压的容错处理方法，无需增 加功率单元或采用耐压更高的开关器件。
[0035] b.相对于同级旁路技术，本方法能够充分利用全部剩余的功率单元，从而实现更 高的变频器输出电压。
[0036] c.相对于采用冗余开关状态的容错处理方法，本方法计算简单，易于实现，适用于 基于载波的PWM调制结构。
[0037] d.在电压输出能力方面，本方法能够在线性调制区内实现的变频器所能够输出的 极限水平。原始的中性漂移技术不能够实现这一点。
[0038] e.虽然就电压输出能力而言，一些改进的中性点漂移技术与本方法相当。但在同 样的故障条件下，由于本方法所注入的零序电压中的基波含量远比传统方法注入的基波零 序分量小，因此能够使变频器驱动功率因数更低的负载而不会发生有功回灌。这意味着本 发明扩大了变频器允许的负载功率因数范围。
[0039] 综上所述，本发明通过反馈控制实施"零序电压整形"，将零序电压中的基波分量 大幅降低，有效地抑制了零序电压中基波分量导致的有功回灌。同时，设定上下界对零序电 压进行动态限幅，使得在整个整形过程中零序电压总被限制在合适的范围内。即便指令电 压幅值升高到变频器可以输出的最大值，也不会发生过调制，保证了线性调制区内输出电 压的最大化。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明级联H桥逆变器的电路图；
[0041 ] 图2为直流侧电压对称化运算示意图；
[0042] 图3为直流侧电压最小相指令电压及与其反相单位余弦运算示意图；
[0043] 图4为零序电压生成示意图；
[0044] 图5为调制波彳