一种全额容错型ANPC三电平逆变器及其容错控制方法

一种全额容错型anpc三电平逆变器及其容错控制方法
技术领域
1.本发明属于发电技术领域，具体涉及一种全额容错型anpc三电平逆变器及其容错控制方法。


背景技术：

2.随着igbt、mosfet等功率半导体器件的发展，以及电力电子技术的进步，逆变器的应用场景从风扇、压缩机等中低压电机驱动转向大功率变换器，多电平逆变器已成为众多学者的研究对象。其中anpc型逆变器彻底解决了传统npc逆变器所面临的损耗不平衡问题，使得anpc三电平逆变器在中高压风力发电领域得到了更为广泛地应用。与其他传统三电平逆变器相比，由于anpc型逆变器拓扑结构复杂性提高以及开关管大量使用等原因，该逆变器系统在实际运行中发生故障可能性更大。 因此对anpc型逆变器开关管开路故障容错控制方法进行深入研究，对于提高系统的容错能力，进而提高风电系统稳定性具有重大意义，同时也有很高的社会经济价值。
3.目前针对anpc型三电平逆变器开路故障的容错方法主要分为硬件容错控制和软件容错控制两类。桥臂级容错控制是目前使用较为广泛的硬件容错控制方法。桥臂级容错控制方法为在正常运行的桥臂旁并联一个冗余桥臂，通过控制策略代替故障桥臂完成容错控制。论文《基于中点电流的anpc逆变器故障诊断策略与容错控制》提出了一种额外并联一相三开关桥臂的桥臂级容错方式，但该方法不能应对多桥臂开关管同时故障的情况，且增加了逆变器系统的成本及控制难度。软件容错控制利用逆变器中的冗余功率开关元件，根据逆变器故障类型改变控制方法从而实现对各故障类型的容错控制。论文《multi open-/short-circuit fault-tolerance using modified svm technique for three-level hanpc converters》提出了一种切换调制信号的容错控制方法，但该方法会瞬间降低系统的输出功率，对高电压、大功率逆变器系统造成严重损伤。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提出了一种全额容错型anpc三电平逆变器及其容错控制方法。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种全额容错型anpc三电平逆变器，在三电平anpc逆变器每相额外增加两种用于拓扑重构的开关器件，具体包括：
6.一个继电器sn：继电器具有四个触点和两个动头，触点分别为触点1、触点1’、触点2、触点2’，触点1、1’与内管s
k2
、s
k3
中点相连，触点2、2’与钳位管s
k5
、s
k6
中点相连，两动头分别与直流侧两电容c1、c2中点o及逆变器各相输出端相连，当逆变器出现内管开路故障时，通过调整两动头位置改变钳位管与内管位置，其中n=1、2、3，k=a、b、c；
7.四个双向晶闸管t
p1
~t
p4
：双向晶闸管t
p1
和t
p4
分别与外管s
k1
、s
k4
并联，t
p2
和t
p3
分别与钳位管s
k5
、s
k6
串联，当逆变器出现外管开路故障时，作用双向晶闸管t
p1
、t
p4
，将外管s
k1
、s
k4
开路故障转化为短路故障，作用双向晶闸管t
p2
、t
p3
，将故障相变为近似两电平运行状态，其中p=a、b、c，k=a、b、c。
8.一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，基于所述的全额容错型anpc三电平逆变器进行容错控制，包括如下步骤：
9.步骤1、对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用次序以及作用时间；
10.步骤2、根据故障开关管的类型，切换为对应此类故障的容错型拓扑结构；
11.步骤3、确定切换拓扑后受故障开关管影响的基本矢量和区域；
12.步骤4、根据故障开关管类型从基本电压矢量中重新选择作用矢量，并确定对应的矢量作用时间和作用次序；
13.步骤5、根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，从而产生pwm信号，控制开关管通断完成容错控制。
14.一种全额容错型anpc逆变器的容错控制系统，基于所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。
15.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。
17.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）提出的容错型拓扑结构只增加晶闸管与继电器，成本较低控制、控制难度较小；2）提出的容错方法可应对全功率范围内的开关管开路故障，系统无需降额运行；3）本发明可以完成所有单外管、单内管开路故障容错控制；4）使用本发明提出的容错型拓扑和容错控制方法不对电容造成严重损伤，中点电压稳定，系统可持续稳定运行。
附图说明
18.图1为具有容错功能的anpc三电平逆变器拓扑图。
19.图2为全额容错型anpc三电平逆变器容错控制框图。
20.图3为anpc型三电平逆变器的空间矢量图。
21.图4为a相外管s
a1
开路故障容错拓扑重构图。
22.图5为a相内管s
a2
开路故障容错拓扑重构图。
23.图6（a）为调制指数k=0.7时，s
a1
开路故障的三相电流波形图，图6（b）为调制指数k=0.7时，s
a1
开路故障的中点电压波形图。
24.图7（a）为调制指数k=0.7时，s
a1
开路故障容错后的三相电流波形图，图7（b）为调制指数k=0.7时，s
a1
开路故障容错后的中点电压波形图。
25.图8（a）为调制指数k=0.7时，s
a2
开路故障的三相电流波形图，图8（b）为调制指数k=0.7时，s
a2
开路故障的中点电压波形图。
26.图9（a）为调制指数k=0.7时，s
a2
开路故障容错后的三相电流波形图，图9（b）为调制指数k=0.7时，s
a2
开路故障容错后的中点电压波形。
具体实施方式
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
28.图1是全额容错型anpc三电平逆变器拓扑图。将输入侧等效为电压源u
dc
；d
a1
、d
a2
、d
a3
、d
a4
、d
a5
、d
a6
、d
b1
、d
b2
、d
b3
、d
b4
、d
b5
、d
b6
、d
c1
、d
c2
、d
c3
、d
c4
、d
c5
、d
c6
为二极管；c1与c2为直流侧电容；s
a1
、s
a2
、s
a3
、s
a4
、s
a5
、s
a6
、s
b1
、s
b2
、s
b3
、s
b4
、s
b5
、s
b6
、s
c1
、s
c2
、s
c3
、s
c4
、s
c5
、s
c6
为功率开关管igbt；t
a1
、t
a2
、t
a3
、t
a4
、t
b1
、t
b2
、t
b3
、t
b4
、t
c1
、t
c2
、t
c3
、t
c4
为双向晶闸管； s1、s2、s3为继电器。
29.继电器sn具有四个触点和两个动头，触点分别为触点1、触点1’、触点2、触点2’，触点1、1’与内管s
k2
、s
k3
中点相连，触点2、2’与钳位管s
k5
、s
k6
中点相连，两动头分别与直流侧两电容c1、c2中点o及逆变器各相输出端相连，当逆变器出现内管开路故障时，通过调整两动头位置改变钳位管与内管位置，其中n=1、2、3，k=a、b、c；
30.双向晶闸管t
p1
和t
p4
分别与外管s
k1
、s
k4
并联，t
p2
和t
p3
分别与钳位管s
k5
、s
k6
串联，当逆变器出现外管开路故障时，作用双向晶闸管t
p1
、t
p4
，将外管s
k1
、s
k4
开路故障转化为短路故障，作用双向晶闸管t
p2
、t
p3
，将故障相变为近似两电平运行状态，其中p=a、b、c，k=a、b、c。
31.图2为全额容错型三电平anpc逆变器控制框图。逆变器产生的三相电流经过帕克变换得到d、q轴电流id、iq，分别与人为给定的d、q轴参考电流i
d*
、i
q*
作差输入pi控制器，得到d、q轴电压参考值ud、uq，经dq/αβ变换得到α、β轴电压参考值；将输入正常svpwm模块生成控制igbt门极通断的信号。容错运行时，根据不同故障类型切换不同的容错型拓扑及不同的svpwm容错模块，将输入不同的容错svpwm模块生成控制igbt门极通断的信号，完成容错控制。本发明只考虑一相内开关管、外开关管发生开路故障的情况，因钳位开关管发生开路故障无需改变拓扑结构且容错算法与内开关管开路故障时一致，因此本发明不对此类故障进行考虑。且默认故障发生时，与各开关管反并联的二极管正常工作。
32.针对上述线路拓扑及容错控制框图，本发明的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，包括如下步骤：
33.步骤1、对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用次序以及作用时间：
34.（1）对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分；
35.图3为anpc型三电平逆变器的空间矢量图。观察图3中可得， anpc三相三电平逆变器输出33=27种电压状态组合，即27种开关状态，分别对应27个空间电压矢量，包括三个零矢量：v
0p
(ppp), v
0o
(ooo), v
0n
(nnn)；12个小矢量：v
1p
(poo), v
1n
(onn)；v
2p
(ppo), v
2n
(oon)；v
3p
(opo), v
3n
(non)；v
4p
(opp), v
4n
(noo)；v
5p
(oop), v
5n
(nno)；v
6p
(pop), v
6n
(ono)；6个中矢量：v7(pon), v8(opn), v9(npo), v
10
(nop), v
11
(onp), v
12
(pno)；6个大矢量：
[0036]v13
(pnn), v
14
(ppn), v
15
(npn), v
16
(npp), v
17
(nnp), v
18
(pnp)；括号内的三个字母p、o、n分别表示三相的开关状态，第一个字母表示a相的开关状态，开关状态“p”表示a相s
a1
、s
a2
、s
a6 三个开关管导通，开关状态“o”表示a相电流正向时s
a1
、s
a3
、s
a6
或电流负向时s
a2
、s
a4
、s
a5 三个开关管导通，开关状态“n”表示a相s
a3
、s
a4
、s
a5 三个开关管导通; 第二个字母表
示b相的开关状态，开关状态“p”表示b相s
b1
、s
b2
、s
b6
三个开关管导通，开关状态“o”表示b相电流正向时s
b1
、s
b3
、s
b6
或电流负向时s
b2
、s
b4
、s
b5
三个开关管导通，开关状态“n”表示b相s
b3
、s
b4
、s
b5
三个开关管导通;第三个字母表示c相的开关状态，开关状态“p”表示c相sc1、s
c2
、s
c6
三个开关管导通，开关状态“o”表示c相电流正向时s
c1
、s
c3
、s
c6
或电流负向时s
c2
、s
c4
、s
c5
三个开关管导通，开关状态“n”表示a相s
c3
、s
c4
、s
c5
三个开关管导通；小矢量存在n型小矢量与p型小矢量两类，v
xn
记为n型小矢量，v
xp
记为p型小矢量，v
xn
与v
xp
互为冗余，x=1、2、3、4、5、6；
[0037]
根据三相空间电压矢量状态，将27个空间电压矢量对应为19个基本矢量，即零矢量：v0，小矢量：v1,v2,v3,v4,v5,v6，中矢量：v7,v8,v9,v
10
,v
11
,v
12
，大矢量：v
13
,v
14
,v
15
,v
16
,v
17
,v
18
；基本矢量v0对应空间电压矢量v
0p
(ppp)、v
0o
(ooo)、v
0n
(nnn)；基本矢量v1对应空间电压矢量v
1p
(poo),v
1n
(onn)；基本矢量v2对应空间电压矢量v
2p
(ppo),v
2n
(oon)；基本矢量v3对应空间电压矢量v
3p
(opo),v
3n
(non)。基本矢量v4对应空间电压矢量v
4p
(opp),v
4n
(noo)；基本矢量v5对应空间电压矢量v
5p
(oop),v
5n
(nno)；基本矢量v6对应空间电压矢量v
6p
(pop),v
6n
(ono)；基本矢量v7对应空间电压矢量v7(pon)；基本矢量v8对应空间电压矢量v8(opn)；基本矢量v9对应空间电压矢量v9(npo)；基本矢量v
10
对应空间电压矢量v
10
(nop)；基本矢量v
11
对应空间电压矢量v
11
(onp)；基本矢量v
12
对应空间电压矢量v
12
(pno)；基本矢量v
13
对应空间电压矢量v
13
(pnn)；基本矢量v
14
对应空间电压矢量v
14
(ppn)；基本矢量v
15
对应空间电压矢量v
15
(npn)；基本矢量v
16
对应空间电压矢量v
16
(npp)；基本矢量v
17
对应空间电压矢量v
17
(nnp)；基本矢量v
18
对应空间电压矢量v
18
(pnp)。
[0038]
以α轴为基准，依次逆时针旋转60
°
，将空间矢量六边形划分为6个大扇区i、ii、iii、iv、v、vi，并通过连接大扇区三角形各边中点的三条直线以及过原点o的30
°
角分线，将每个大扇区划分为6个小区域(1、2、3、4、5、6)，共划分为36个小区域。
[0039]
每个三角形小区域中的参考矢量都由以三角形小区域的顶点为终点、o点为起点的三个基本矢量合成。
[0040]
（2）确定正常情况下各扇区合成参考矢量的矢量作用次序，得到各个扇区的基本矢量序列；
[0041]
根据七段式矢量合成原则，各扇区基本矢量作用次序如表1所示；
[0042]
表1各扇区基本矢量作用次序
[0043][0044]
（3）确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用时间；
[0045]
首先，计算调制度：，v
ref
为三相电压参考电压矢量，v
dc
为直流侧输出电压，k为调制度，表征了三电平逆变器系统中参考电压矢量幅值与直流侧电压的关系；
[0046]
然后，根据表2确定各扇区基本矢量的作用时间；
[0047]
表2大扇区i、ii中基本矢量作用时间
[0048][0049]
其中，ts为采样周期，为参考电压矢量v
ref
的幅角；
[0050]
根据伏-秒平衡原则，合成参考矢量的基本矢量作用时间为：其中v
n1
表示基本矢量序列中的第一个基本矢量，t1表示基本矢量v
n1
的作用时间，v
n2
表示基本矢量序列中的第二个基本矢量，t2表示基本矢量v
n2
的作用时间，v
n3
表示基本矢量序列中的第三个基本矢量，t3表示基本矢量v
n3
的作用时间；
[0051]
扇区i、iii、v中的各区域基本矢量作用时间分别相等，扇区ii、iv、vi中的各区域基本矢量作用时间分别相等。
[0052]
步骤2，根据故障开关管的类型，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构；
[0053]
系统正常运行时，继电器sn的两动头位置与触点1’、2接触，晶闸管t
p1
、t
p4
关断，晶闸管t
p2
、t
p3
闭合。此时，开关管s
k2
、s
k3
中点与输出端相连，为逆变器内管；开关管s
k5
、s
k6
中点与直流侧电容中点o相连，为逆变器钳位管。该拓扑与三电平anpc逆变器拓扑相同。当一相开关管发生开路故障时，未发生开路故障的两相桥臂各开关器件开关状态与系统正常运行时相同，不同开关管开路故障对应的故障相各开关器件动作如表3所示：
[0054]
表3不同开关管开路故障对应的故障相各开关器件动作
[0055][0056]
当一相桥臂外管发生开路故障时，继电器sn两动头位置与触点1’、2接触，晶闸管t
p1
或t
p4
闭合，晶闸管t
p2
、t
p3
、t
p4
或t
p1
、t
p2
、t
p3
关断。此时，故障相变为s
k2
、s
k3
、s
k4
或s
k1
、s
k2
、s
k3
的两电平全额容错拓扑；
[0057]
当一相桥臂内管发生开路故障时，继电器sn两动头位置转变为与触点1、2’接触，其余晶闸管开关状态与系统正常运行时相同。此时，故障相中钳位管转变为桥臂内管，原桥臂内管则转变为钳位管，完成故障相内管与钳位管的切换，更改为内管故障的全额容错型拓扑。
[0058]
步骤3中，确定切换拓扑后受故障开关管影响的基本矢量和区域；
[0059]
（1）确定切换拓扑后受故障开关管影响的基本矢量
[0060]
a、当一相发生外开关管开路故障，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构后，故障相转换为输出p、n两种电平的近似两电平桥臂，故障相缺失o开关状态，27个空间矢量中
缺失两个故障相开关状态为o的中矢量和6个故障相开关状态为o状态的小矢量；按照表4确定外管故障切换拓扑后受影响的基本矢量：
[0061]
表4外管故障切换拓扑后受影响的基本矢量
[0062][0063]
当s
a1
或s
a4
管发生开路故障时，受影响的基本矢量有故障中矢量v8(opn)、故障中矢量v
11
(onp)、故障小矢量v
3p
(opo)、故障小矢量v
4p
(opp)、故障小矢量v
5p
(oop)、故障小矢量v
6n
(ono)、故障小矢量v
1n
(onn)、故障小矢量v
2n
(oon)；
[0064]
当s
b1
或s
b4
管发生开路故障时，受影响的基本矢量有故障中矢量v7(pon)、故障中矢量v
10
(nop)、故障小矢量v
2n
(oon)、故障小矢量v
3n
(non)、故障小矢量v
4n
(noo)、故障小矢量v
5p
(oop)、故障小矢量v
6p
(pop)、故障小矢量v
1p
(poo)；
[0065]
当s
c1
或s
c4
管发生开路故障时，受影响的基本矢量有故障中矢量v9(npo)、故障中矢量v
12
(pno)、故障小矢量v
4n
(noo)、故障小矢量v
5n
(nno)、故障小矢量v
6n
(ono)、故障小矢量v
1p
(poo)、故障小矢量v
2p
(ppo)、故障小矢量v
3p
(opo)；
[0066]
b、当一相发生内开关管开路故障，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构后，仍产生p、o、n三种开关状态，无故障基本矢量；
[0067]
（2）确定切换拓扑后受故障开关管影响的区域
[0068]
a、将受故障外管影响的区域分为仅受故障小矢量影响的区域、受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域、受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域；按照表5确定外管故障切换拓扑后受影响的区域：
[0069]
表5外管故障切换拓扑后受影响的区域
[0070][0071]
当s
a1
或s
a4
管发生开路故障时，仅受小矢量影响的区域为i、iii、iv、vi扇区的3-6区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域为ii、v扇区的3、4区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域为ii、v扇区的5、6区域；
[0072]
当s
b1
或s
b4
管发生开路故障时，仅受小矢量影响的区域为ii、iii、v、vi扇区的3-6区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域为i、iv扇区的3、4区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域为i、iv扇区的5、6区域；
[0073]
当s
c1
或s
c4
管发生开路故障时，仅受小矢量影响的区域为i、ii、iv、v扇区的3-6区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域为iii、vi扇区的3、4区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域为iii、vi扇区的5、6区域；
[0074]
b、当一相发生内开关管开路故障，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构后，无故障基本矢量，无受故障矢量影响的区域。
[0075]
步骤4中，根据故障类型从基本电压矢量中重新选择作用矢量，确定矢量作用时间和作用次序；
[0076]
a、当一相外管发生开路故障
[0077]
对于只受故障小矢量影响的区域，弃用故障小矢量，用该故障小矢量的冗余矢量进行替换，基于对称原则重新排序，实现该区域的容错控制；
[0078]
对于受故障小矢量和中矢量影响且基本矢量序列中无大矢量的区域，弃用故障小矢量，用该故障小矢量的冗余矢量进行替换；同时使用故障中矢量的两个相邻大矢量以补偿该中矢量，并基于对称原则重新排序，实现该区域的容错控制；
[0079]
对于受故障小矢量和中矢量影响且基本矢量序列中存在大矢量的区域，弃用故障小矢量，用该故障小矢量的冗余矢量进行替换；同时使用基本矢量序列中的大矢量对中矢量进行等β轴补偿，并基于对称原则重新排序，实现该区域的容错控制。
[0080]
b、当一相内管发生开路故障
[0081]
切换应对此类故障的容错型拓扑后，将内管s
k2
或s
k3
开路故障转换为钳位管s
k5
或sk6
开路故障，此时三电平逆变器将缺失换流所使用的o开关状态o
u2
，即开关管s
k2
、s
k4
、s
k5
导通或开关状态o
l2
，即开关管s
k1
、s
k3
、s
k6
导通。为以应对此类开关管故障，可利用内管s
k3
或s
k2
为零电平提供通路，使用开关状态o
l1
：开关管s
k3
、s
k6
导通或开关状态o
u1
：开关管s
k2
、s
k5
导通对缺失的o状态进行替换，完成容错过程。
[0082]
步骤5中，根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，从而产生pwm信号，控制开关管通断完成容错控制；
[0083]
根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，采用dpwm技术，将开关状态作用时间与频率为开关管开关频率的三角载波进行调制，从而产生pwm信号，控制开关管通断完成容错控制。
[0084]
一种全额容错型anpc逆变器的容错控制系统，基于所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。
[0085]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。
[0086]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。
[0087]
本发明根据开关管的故障类型，重构anpc型三电平逆变器拓扑并重构svpwm控制算法，拓扑增加的开关器件成本低、控制难度小，简单易于实现。全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，可实现anpc型三电平逆变器单开关管开路故障的容错控制，恢复畸变电流，避免了电容严重损伤，且系统无需降额运行，提高了三电平逆变器系统可靠性与稳定性。
[0088]
实施例1
[0089]
本实施例以调制度k=0.7情况下s
a1
管发生开路故障为例，当开关管s
a1
管发生开路故障时，如图6（a）图所示，a相电流正半周期严重畸变，b相、c相电流发生小幅度畸变，s
a1
管无法完成开通动作，逆变器系统无法输出高电平p。由于p型小矢量缺失，p、n型小矢量失去平衡，中点电压失衡，如图6（b）所示。此时，上、下电容电压将随时间进行无限度增大、减小，将对电容造成严重损伤。此外，由于中点电压失去平衡，随时间推移三相电流波形不再维持三相对称，将对电网或电机等负载造成损伤。对故障类型进行判断后，切换至容错型拓扑结构与容错算法，其结果如图7（a）、图7（b）所示。
[0090]
从图7（a）可以看出，切换容错型拓扑及容错算法后，a相电流恢复，三相电流恢复至近似正弦，容错后三相电流谐波畸变率(thd)分别为：6.38%、3.11%和4.68%。从图7（b）可以看出，上、下电容电压不再无限度增大，中点电压稳定至近似直流电压一半附近波动，上、下电容电压纹波约为1.5%，直流侧电容不会受到严重损伤，三相电流维持三相对称，系统能够持续稳定运行。
[0091]
实施例2
[0092]
本实施例以调制度k=0.7情况下s
a2
管发生开路故障为例，当开关管s
a2
管0.3s发生开路故障时，如图8（a）图所示, a相电流正半周期严重畸变，s
a2
管无法完成开通动作，逆变器系统无法输出高电平p。由于p型小矢量缺失，p、n型小矢量失去平衡，中点电压失衡，如图8（b）所示。此时，上、下电容电压将随时间进行无限度增大、减小，将对电容造成严重损伤。
此外，由于中点电压失去平衡，随时间推移三相电流波形不再维持三相对称，将对电网或电机等负载造成损伤。对故障类型进行判断后，切换至容错型拓扑结构与容错算法，其结果如图9（a）、图9（b）所示。
[0093]
从图9（a）可以看出，0.6s切换容错型拓扑及容错算法后，a相电流恢复，三相电流恢复至完全正弦，从图9（b）可以看出，中点电压得到抑制，上下电容电压稳定至近似直流电压一半附近波动，不再无限度增大，直流侧电容不会受到严重损伤，三相电流维持三相对称，系统能够持续稳定运行。
[0094]
由上述两个实施例表明，本发明所提出的方法可以完成系统一相内、外开关管的开路故障容错控制。
[0095]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0096]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种全额容错型anpc三电平逆变器，其特征在于：在三电平anpc逆变器每相额外增加两种用于拓扑重构的开关器件，具体包括：一个继电器s
n
：继电器具有四个触点和两个动头，触点分别为触点1、触点1’、触点2、触点2’，触点1、1’与内管s
k2
、s
k3
中点相连，触点2、2’与钳位管s
k5
、s
k6
中点相连，两动头分别与直流侧两电容c1、c2中点o及逆变器各相输出端相连，当逆变器出现内管开路故障时，通过调整两动头位置改变钳位管与内管位置，其中n=1、2、3，k=a、b、c；四个双向晶闸管t
p1
~t
p4
：双向晶闸管t
p1
和t
p4
分别与外管s
k1
、s
k4
并联，t
p2
和t
p3
分别与钳位管s
k5
、s
k6
串联，当逆变器出现外管开路故障时，作用双向晶闸管t
p1
、t
p4
，将外管s
k1
、s
k4
开路故障转化为短路故障，作用双向晶闸管t
p2
、t
p3
，将故障相变为近似两电平运行状态，其中p=a、b、c，k=a、b、c。2.一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的全额容错型anpc三电平逆变器进行容错控制，包括如下步骤：步骤1、对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用次序以及作用时间；步骤2、根据故障开关管的类型，切换为对应此类故障的容错型拓扑结构；步骤3、确定切换拓扑后受故障开关管影响的基本矢量和区域；步骤4、根据故障开关管类型从基本电压矢量中重新选择作用矢量，并确定对应的矢量作用时间和作用次序；步骤5、根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，从而产生pwm信号，控制开关管通断完成容错控制。3.根据权利要求2所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步骤1，对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用次序以及作用时间，其中对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，具体方法为：anpc三相三电平逆变器输出33=27种电压状态组合，即27种开关状态，分别对应27个空间电压矢量，包括三个零矢量：v
0p
(ppp), v
0o
(ooo), v
0n
(nnn)；12个小矢量：v
1p
(poo), v
1n
(onn)；v
2p
(ppo), v
2n
(oon)；v
3p
(opo), v
3n
(non)；v
4p
(opp), v
4n
(noo)；v
5p
(oop), v
5n
(nno)；v
6p
(pop), v
6n
(ono)；6个中矢量：v7(pon), v8(opn), v9(npo), v
10
(nop), v
11
(onp), v
12
(pno)；6个大矢量：v
13
(pnn), v
14
(ppn), v
15
(npn), v
16
(npp), v
17
(nnp), v
18
(pnp)；括号内的三个字母p、o、n分别表示三相的开关状态，第一个字母表示a相的开关状态，开关状态“p”表示a相s
a1
、s
a2
、s
a6 三个开关管导通，开关状态“o”表示a相电流正向时s
a1
、s
a3
、s
a6
或电流负向时s
a2
、s
a4
、s
a5 三个开关管导通，开关状态“n”表示a相s
a3
、s
a4
、s
a5 三个开关管导通; 第二个字母表示b相的开关状态，开关状态“p”表示b相s
b1
、s
b2
、s
b6 三个开关管导通，开关状态“o”表示b相电流正向时s
b1
、s
b3
、s
b6
或电流负向时s
b2
、s
b4
、s
b5 三个开关管导通，开关状态“n”表示b相s
b3
、s
b4
、s
b5 三个开关管导通; 第三个字母表示c相的开关状态，开关状态“p”表示c相sc1、s
c2
、s
c6 三个开关管导通，开关状态“o”表示c相电流正向时s
c1
、s
c3
、s
c6
或电流负向时s
c2
、s
c4
、s
c5 三个开关管导通，开关状态“n”表示a相s
c3
、s
c4
、s
c5 三个开关管导通；小矢量存在n型小矢量与p型小矢量两类，v
xn
记为n型小矢量，v
xp
记为p型小矢量，v
xn
与v
xp
互为冗余，x=1、2、3、4、5、
6；根据三相空间电压矢量状态，将27个空间电压矢量对应为19个基本矢量，即零矢量：v0，小矢量：v1,v2,v3,v4,v5,v6，中矢量：v7,v8,v9,v
10
,v
11
,v
12
，大矢量：v
13
,v
14
,v
15
,v
16
,v
17
,v
18
；基本矢量v0对应空间电压矢量v
0p
(ppp)、v
0o
(ooo)、v
0n
(nnn)；基本矢量v1对应空间电压矢量v
1p
(poo),v
1n
(onn)；基本矢量v2对应空间电压矢量v
2p
(ppo),v
2n
(oon)；基本矢量v3对应空间电压矢量v
3p
(opo),v
3n
(non)；基本矢量v4对应空间电压矢量v
4p
(opp),v
4n
(noo)；基本矢量v5对应空间电压矢量v
5p
(oop),v
5n
(nno)；基本矢量v6对应空间电压矢量v
6p
(pop),v
6n
(ono)；基本矢量v7对应空间电压矢量v7(pon)；基本矢量v8对应空间电压矢量v8(opn)；基本矢量v9对应空间电压矢量v9(npo)；基本矢量v
10
对应空间电压矢量v
10
(nop)；基本矢量v
11
对应空间电压矢量v
11
(onp)；基本矢量v
12
对应空间电压矢量v
12
(pno)；基本矢量v
13
对应空间电压矢量v
13
(pnn)；基本矢量v
14
对应空间电压矢量v
14
(ppn)；基本矢量v
15
对应空间电压矢量v
15
(npn)；基本矢量v
16
对应空间电压矢量v
16
(npp)；基本矢量v
17
对应空间电压矢量v
17
(nnp)；基本矢量v
18
对应空间电压矢量v
18
(pnp)；以α轴为基准，依次逆时针旋转60
°
，得到6个大扇区i、ii、iii、iv、v、vi，将大扇区划分为6个小区域1、2、3、4、5、6，据此共得到36个小区域。4.根据权利要求2所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步骤1，对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用次序以及作用时间，其中确定正常情况下各扇区合成参考矢量的矢量作用次序，得到各个扇区的基本矢量序列，具体方法为：根据七段式矢量合成原则，各扇区基本矢量作用次序如表1所示；表1各扇区基本矢量作用次序
。5.根据权利要求2所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步骤1，对anpc型三电平逆变器空间电压矢量进行三十六扇区划分，确定正常运行时各扇区合
成参考矢量的基本矢量作用次序以及作用时间，其中确定正常运行时各扇区合成参考矢量的基本矢量作用时间，具体方法为：首先，计算调制度：，v
ref
为三相电压参考电压矢量，v
dc
为直流侧输出电压，k为调制度，表征了三电平逆变器系统中参考电压矢量幅值与直流侧电压的关系；然后，根据表2确定各扇区基本矢量的作用时间；表2大扇区i、ii中基本矢量作用时间
；其中，t s
为采样周期，为参考电压矢量v ref
的幅角；根据伏-秒平衡原则，合成参考矢量的基本矢量作用时间为：其中v
n1
表示基本矢量序列中的第一个基本矢量，t1表示基本矢量v
n1
的作用时间，v
n2
表示基本矢量序列中的第二个基本矢量，t2表示基本矢量v
n2
的作用时间，v
n3
表示基本矢量序列中的第三个基本矢量，t3表示基本矢量v
n3
的作用时间；
扇区i、iii、v中的各区域基本矢量作用时间分别相等，扇区ii、iv、vi中的各区域基本矢量作用时间分别相等。6.根据权利要求2所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步骤2中，根据故障开关管的类型，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构，具体方法为：正常运行时，继电器s
n
的两动头位置与触点1’、2接触，晶闸管t
p1
、t
p4
关断，晶闸管t
p2
、t
p3
闭合，此时，开关管s
k2
、s
k3
中点与输出端相连，为逆变器内管，开关管s
k5
、s
k6
中点与直流侧电容中点o相连，为逆变器钳位管，即为三电平anpc逆变器拓扑；当故障相开关管发生开路故障时，其余未发生开路故障的两相桥臂各开关器件开关状态与系统正常运行时相同，不同开关管开路故障对应的故障相各开关器件动作如表3所示：表3不同开关管开路故障对应的故障相各开关器件动作；当一相桥臂外管发生开路故障时，继电器s
n
两动头位置与触点1’、2接触，晶闸管t
p1
或t
p4
闭合，晶闸管t
p2
、t
p3
、t
p4
或t
p1
、t
p2
、t
p3
关断，此时，故障相变为s
k2
、s
k3
、s
k4
或s
k1
、s
k2
、s
k3
的两电平全额容错拓扑；当一相桥臂内管发生开路故障时，继电器s
n
两动头位置转变为与触点1、2’接触，其余晶闸管开关状态与系统正常运行时相同，此时，故障相中钳位管转变为桥臂内管，原桥臂内管则转变为钳位管，完成故障相内管与钳位管的切换，更改为内管故障的全额容错型拓扑。7.根据权利要求2所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步骤3中，确定切换拓扑后受故障开关管影响的基本矢量和区域，具体方法为：（1）确定切换拓扑后受故障开关管影响的基本矢量a、当一相发生外开关管开路故障，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构后，故障相转换为输出p、n两种电平的近似两电平桥臂，故障相缺失o开关状态，27个空间矢量中缺失两个故障相开关状态为o的中矢量和6个故障相开关状态为o状态的小矢量；按照表4确定外管故障切换拓扑后受影响的基本矢量：表4外管故障切换拓扑后受影响的基本矢量
；当s
a1
或s
a4
管发生开路故障时，受影响的基本矢量有故障中矢量v8(opn)、故障中矢量v
11
(onp)、故障小矢量v
3p
(opo)、故障小矢量v
4p
(opp)、故障小矢量v
5p
(oop)、故障小矢量v
6n
(ono)、故障小矢量v
1n
(onn)、故障小矢量v
2n
(oon)；当s
b1
或s
b4
管发生开路故障时，受影响的基本矢量有故障中矢量v7(pon)、故障中矢量v
10
(nop)、故障小矢量v
2n
(oon)、故障小矢量v
3n
(non)、故障小矢量v
4n
(noo)、故障小矢量v
5p
(oop)、故障小矢量v
6p
(pop)、故障小矢量v
1p
(poo)；当s
c1
或s
c4
管发生开路故障时，受影响的基本矢量有故障中矢量v9(npo)、故障中矢量v
12
(pno)、故障小矢量v
4n
(noo)、故障小矢量v
5n
(nno)、故障小矢量v
6n
(ono)、故障小矢量v
1p
(poo)、故障小矢量v
2p
(ppo)、故障小矢量v
3p
(opo)；b、当一相发生内开关管开路故障，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构后，仍产生p、o、n三种开关状态，无故障基本矢量；（2）确定切换拓扑后受故障开关管影响的区域a、将受故障外管影响的区域分为仅受故障小矢量影响的区域、受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域、受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域；按照表5确定外管故障切换拓扑后受影响的区域：表5外管故障切换拓扑后受影响的区域
；当s
a1
或s
a4
管发生开路故障时，仅受小矢量影响的区域为i、iii、iv、vi扇区的3-6区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域为ii、v扇区的3、4区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域为ii、v扇区的5、6区域；当s
b1
或s
b4
管发生开路故障时，仅受小矢量影响的区域为ii、iii、v、vi扇区的3-6区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域为i、iv扇区的3、4区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域为i、iv扇区的5、6区域；当s
c1
或s
c4
管发生开路故障时，仅受小矢量影响的区域为i、ii、iv、v扇区的3-6区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中无大矢量的区域为iii、vi扇区的3、4区域，受故障小矢量和中矢量影响且原基本矢量序列中有大矢量的区域为iii、vi扇区的5、6区域；b、当一相发生内开关管开路故障，切换为应对此类故障的容错型拓扑结构后，无故障基本矢量，无受故障矢量影响的区域。8.根据权利要求7所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步骤4中，根据故障开关管类型从基本电压矢量中重新选择作用矢量，确定矢量作用时间和作用次序的方法为：a、当一相外管发生开路故障对于只受故障小矢量影响的区域，弃用故障小矢量，用该故障小矢量的冗余矢量进行替换，基于对称原则重新排序，实现该区域的容错控制；对于受故障小矢量和中矢量影响且基本矢量序列中无大矢量的区域，弃用故障小矢量，用该故障小矢量的冗余矢量进行替换；同时使用故障中矢量的两个相邻大矢量以补偿该中矢量，并基于对称原则重新排序，实现该区域的容错控制；对于受故障小矢量和中矢量影响且基本矢量序列中存在大矢量的区域，弃用故障小矢量，用该故障小矢量的冗余矢量进行替换；同时使用基本矢量序列中的大矢量对中矢量进行等β轴补偿，并基于对称原则重新排序，实现该区域的容错控制；b、当一相内管发生开路故障使开关管s
k3
、s
k6
导通或开关管s
k2
、s
k5
导通，对缺失的o状态进行替换，完成容错过程。9.根据权利要求2所述的一种全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，其特征在于，步
骤5中根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，从而产生pwm信号，控制开关管通断完成容错控制，具体方法为：根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，采用dpwm技术，将开关状态作用时间与频率为开关管开关频率的三角载波进行调制，从而产生pwm信号，控制开关管通断完成容错控制。10.一种全额容错型anpc逆变器的容错控制系统，其特征在于，基于权利要求2-9任一项所述的全额容错型anpc逆变器的容错控制方法，实现全额容错型anpc逆变器的容错控制。

技术总结
本发明公开了一种全额容错型ANPC三电平逆变器及其容错控制方法，依据故障开关管类型调整相应的拓扑结构及控制算法，单外管开路故障时，通过更改晶闸管通断状态，更改为故障相两电平容错拓扑；单内开关管开路故障时，通过更改继电器两动头位置，更改为故障相钳位管开路故障的三电平拓扑；确定切换拓扑后受故障开关管影响的区域和基本矢量；根据故障类型分别从基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间；根据基本矢量作用次序及基本矢量作用时间，确定开关状态的作用时间，从而产生PWM信号，控制开关管通断完成容错控制。本发明提高了三电平逆变器系统可靠性与稳定性。高了三电平逆变器系统可靠性与稳定性。高了三电平逆变器系统可靠性与稳定性。


技术研发人员：冯延晖 徐嘉麟 邱颖宁
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/18