CN110504696B - 一种三相空间矢量快速调制重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相空间矢量快速调制重构方法，属于电力电子技术领域。该方法检测最优的基矢量并将多电平变换器进行横向分层。将参考矢量分解为对应于健康模块的基矢量和对应于故障模块的分解矢量。计算剩余参考矢量与剩余矢量所对应的冗余开关状态，利用空间矢量多个冗余开关状态产生相同线电压的特性来使得当三相级联变换器功率单元发生故障导致相电压不均衡时线电压能保持均衡且谐波含量达到最优。该算法实现简单，无需任何复杂运算，适用于工程应用。

Description

一种三相空间矢量快速调制重构方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域。

背景技术

功率单元故障为级联型变换器常见的问题，为保证变换器正常运行，对称旁路正常运行单元和投入新的冗余功率单元来实现平衡的三相线电压。但由于新投入新的功率单元或对称旁路掉正常功率单元，这将增加***的成本而且针对前种方案若没及时准备新的功率单元，则***将无法整成运行。

此外，有学者提出只旁路故障功率单元并利用载波移相调制方法进行调制重构。该策略虽只需旁路掉故障单元来实现***降额容错运行，但需结合中性点偏移技术，使得***控制进一步复杂化。为此把空间矢量调制技术(SVPWM)思想应用于三相级联变换器中，实现在功率单元故障工况下进行调制重构的方案引起广泛关注。该思想利用空间矢量调制算法所产生的冗余开关状态的特性，当三相级联***发生功率单元故障时，仍有部分冗余开关状态有效。因此可利用所剩余冗余开关状态实现三相级联***在旁路故障功率单元工况下实现***降额容错运行。但现有基于空间矢量调制容错方案计算量复杂，且不能保证每一环节的实时计算。在无法确保所输出平衡线电压线电流谐波含量达到最小。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相空间矢量快速调制重构方法，它能有效地解决在功率单元故障工况下，***降额输出时保证线电压平衡的同时谐波含量达到最小的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三相空间矢量快速调制重构方法包括如下步骤：

步骤一、将三相参考相电压瞬时值V_a、V_b和V_c代入公式(1)，计算得到三个新的参考矢量V_x、V_y和V_z；

对这三个参考矢量V_x、V_y和V_z进行向下取整，可得

式中，floor(.)为向下取整函数；

步骤二、检测最优的基矢量：

将多电平变换器进行横向分层，所述横向分层包括正常功率单元组成的健康模块层及带有故障功率单元的故障模块层；此外，定义三个单位开关状态为e₁＝(1,0,0),e₂＝(0,1,0),e₃＝(0,0,1),分别为沿着参考电压V_a、V_b和V_c方向增加或者减小所需的开关状态；令辅助开关状态e₄＝(w,w,w),其中，w为每相基矢量所对应的健康模块层数，可得基矢量所对应的优化开关状态为(S_am,S_bm,S_cm)，即

其中，Area为三相空间矢量图中的各个区域，当V_x>0且V_y≤0时,参考矢量位于区域1，即Area＝1；当V_y>0且V_z≤0时，参考矢量位于区域2，即Area＝2；当V_z>0且V_x≤0时，参考矢量位于区域3，Area＝3；

步骤三、计算剩余参考矢量与剩余矢量所对应的冗余开关状态：

其中，V_x1、V_y1和V_z1为重构后的剩余参考矢量；而S_bmcm、S_cmam和S_ambm分别由S_bm-S_cm、S_cm-S_am、S_am-S_bm获得；

定义变量V_br、V_gr为属于V_x1、V_y1、V_z1三个中的任意两个变量，即(V_br,V_gr)∈{(V_x1,V_y1),(V_y1,V_z1)，(V_z1,V_x1)}；此时取(V_br,V_gr)＝(V_x1,V_y1)，其次令(V_br,V_gr)的取整函数为四个变量，分别为V_r ^ou、V_r ^uo、V_r ^uu和V_r ^oo；它们分别取值为

式中，V_r ^ou为矢量V_br和V_gr向上取整和向下取整函数；V_r ^uo为矢量V_br和V_gr向下取整和向上取整函数；V_r ^uu为矢量V_br和V_gr同时向下取整函数；V_r ^oo为矢量V_br和V_gr同时向上取整函数；令变量k取值为

当k>0是，V_r ^oo为第三个所选矢量；当k<0时，V_r ^uu为第三个所选矢量；

紧接着定义上述四个取整变量的开关状态形式为(S_a1,S_b1,S_c1)、(S_a2,S_b2,S_c2)、(S_a3,S_b3,S_c3)和(S_a4,S_b4,S_c4)；为能准确快速计算出剩余矢量开关状态的值，将故障***分为以下三种情况：

①任意一相一个功率单元发生故障

当任意一相一个功率单元发生故障时，此时参考矢量可分为两个健康模块层构成的基矢量与单个故障模块层构成的分解矢量；若第三个矢量此时为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0、S_a2＝0、S_a3＝0；S_b1与S_c1∈{-1,0,1}，S_b2与S_c2∈{-1,0,1}，S_b3与S_c3∈{-1,0,1}；此时得到：

此时将式(7),(8)与(9)计算得到的三个剩余矢量开关状态加上式(3)所得基矢量开关状态可得***实际输出开关状态，并结合分解矢量输出占空比进行调制输出PWM波；

②同相两个功率单元发生故障：

当a相某两层分别各有1个功率单元发生故障时，若第三个矢量此时仍然为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0,S_a2＝0,S_a3＝0；S_b1与S_c1∈{-2,-1,0,1,2}，S_b2与S_c2∈{-2,-1,0,1,2}，S_b3与S_c3∈{-2,-1,0,1,2}，此时由式(7)-(9)得到分解矢量开关状态，进而得到***实际输出开关状态；

③不同相三个及三个功率单元发生故障：

当a相某两层分别各有1个功率单元发生故障及b相一个功率单元发生故障时，第三个矢量此时仍然为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0,S_a2＝0,S_a3＝0；S_b1,S_b2,S_b3∈{-1,0,1}，S_c1,S_c2,S_c3∈{-2,-1,0,1,2}；此时由式(7)-(9)得到分解矢量开关状态，进而得到***实际输出开关状态。

本发明与现有技术相比的优点和效果：

1、当任意一相有功率单元发生故障时无需对称旁路其余正常工作功率单元，只需旁路掉故障功率单元即可，节约了成本；

2、该发明使变换器发生功率单元故障输出不对称的相电压时，能够容错降额运行且输出幅值较大、对称的线电压；

3、该发明实现简单，适用于任意电平变换器；

4、该发明***地提出了获得基矢量与分解矢量开关状态的方法。利用该技术确保***容错运行的同时且输出线电压，电流谐波含量较小。

附图说明

图1是本发明带故障功率单元的三相级联多电平变换器拓扑结构；

图2是本发明在功率单元发生故障时参考矢量重构图；

图3是本发明在功率单元发生故障时剩余矢量合成原理；

图4是本发明整个算法的流程图；

具体实施方式

步骤一、将三相参考相电压瞬时值V_a、V_b和V_c代入公式(1)，计算得到三个新的参考矢量V_x、V_y和V_z。新参考矢量的方向与图2中矢量i,j及k的方向一致。

对这三个参考矢量V_x、V_y和V_z进行向下取整，可得

式中，floor(.)为向下取整函数；

步骤二、检测最优的基矢量：

将多电平变换器进行横向分层。以每相级联三个功率单元的7电平变换器为例，如图1所示。此时可分为三层，分别命名为模块1、模块2、模块3。由于是三相***，每个模块包括三个功率单元。由三个级联功率单元构成的三相七电平空间矢量图如图2所示。例如图中显示的数字符号(2,2,-3)与(3,3,-2)代表着该空间矢量的两个冗余开关状态。当某个模块有功率单元发生故障时，例如图中显示括弧中带“×”的数字符号表示。此时该模块可定义为故障模块层；当某个模块三个功率单元均正常运行时，该模块可定义为健康模块层。此时，将参考矢量分为基矢量与分解矢量合成。基矢量对应于健康模块层而分解矢量对应于故障模块层。为实时获得基矢量与分解矢量开关状态，定义三个单位开关状态为e₁＝(1,0,0),e₂＝(0,1,0),e₃＝(0,0,1),分别为沿着参考电压V_a、V_b和V_c方向增加或者减小所需的开关状态；令辅助开关状态e₄＝(w,w,w),其中，w为每相基矢量所对应的健康模块层数，可得基矢量所对应的优化开关状态为(S_am,S_bm,S_cm)，即

其中，Area为三相空间矢量图中的各个区域，当V_x>0且V_y≤0时,参考矢量位于区域1，即Area＝1；当V_y>0且V_z≤0时，参考矢量位于区域2，即Area＝2；当V_z>0且V_x≤0时，参考矢量位于区域3，Area＝3；

步骤三、计算剩余参考矢量与剩余矢量所对应的冗余开关状态。为获得剩余矢量开关状态，首先由(1)与式(3)进行如下运算得到剩余矢量。

其中，V_x1、V_y1和V_z1为重构后的剩余参考矢量；而S_bmcm、S_cmam和S_ambm分别由S_bm-S_cm、S_cm-S_am、S_am-S_bm获得；

其次，定义变量V_br、V_gr为属于V_x1、V_y1、V_z1三个中的任意两个变量，即(V_br,V_gr)∈{(V_x1,V_y1),(V_y1,V_z1)，(V_z1,V_x1)}；此时取(V_br,V_gr)＝(V_x1,V_y1)，其次令(V_br,V_gr)的取整函数为四个变量，分别为V_r ^ou、V_r ^uo、V_r ^uu和V_r ^oo；它们分别取值为

式中，V_r ^ou为矢量V_br和V_gr向上取整和向下取整函数；V_r ^uo为矢量V_br和V_gr向下取整和向上取整函数；V_r ^uu为矢量V_br和V_gr同时向下取整函数；V_r ^oo为矢量V_br和V_gr同时向上取整函数；令变量k取值为

当k>0是，V_r ^oo为第三个所选矢量；当k<0时，V_r ^uu为第三个所选矢量；

紧接着定义上述四个取整变量的开关状态形式为(S_a1,S_b1,S_c1)、(S_a2,S_b2,S_c2)、(S_a3,S_b3,S_c3)和(S_a4,S_b4,S_c4)；为能准确快速计算出剩余矢量开关状态的值，将故障***分为以下三种情况：

①任意一相一个功率单元发生故障

当任意一相一个功率单元发生故障时，如图1(a)中的“×”标志所示。

对于每相三个功率单元级联的变换器而言，此时参考矢量可分为两个健康模块层构成的基矢量与单个故障模块层构成的分解矢量。而单个故障模块层所组成的三电平空间矢量结构最外层由于不存在有效作用矢量，如图2(a)中的带“*”号的点，而往内层虽有部分冗余开关状态无效(见图2中带“×”的数字符号)，但其冗余开关状态仍可作用，如：开关状态(3,3,-2)虽无效，但其冗余开关状态(2,2,-3)仍有效，此时剩余矢量工作路径由路径1转移到路径2，如图3(a)所示，形成以O₁为中心，半径为V_r的分解矢量圆。若第三个矢量此时为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0、S_a2＝0、S_a3＝0；S_b1与S_c1∈{-1,0,1}，S_b2与S_c2∈{-1,0,1}，S_b3与S_c3∈{-1,0,1}；此时得到：

此时将式(7),(8)与(9)计算得到的三个剩余矢量开关状态加上式(3)所得基矢量开关状态可得***实际输出开关状态。最终使得参考矢量选择轨迹为图2(a)中的虚线圆。结合分解矢量输出占空比进行调制输出PWM波；

②同相两个功率单元发生故障：

当a相某两层分别各有1个功率单元发生故障时，如图1(b)中带“×”标志的数字符号所示。此时参考矢量可由单个健康模块层组成的基矢量与两个故障模块层组成的分解矢量合成。而两个故障模块层组成的五电平空间矢量图由于最外两层不存在有效矢量，如图2(b)中的带“*”号的点，。此时分解矢量工作路径由路径3转移到路径4，如图3(b)所示，形成如图2(b)中以O₁为中心，半径为V_r的分解矢量圆。若第三个矢量此时仍然为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0,S_a2＝0,S_a3＝0；S_b1与S_c1∈{-2,-1,0,1,2}，S_b2与S_c2∈{-2,-1,0,1,2}，S_b3与S_c3∈{-2,-1,0,1,2}，此时由式(7)-(9)得到分解矢量开关状态，由分解矢量开关状态加上基矢量开关状态可得到***实际输出开关状态。最终使得参考矢量选择轨迹为图2(b)中的虚线圆。

③不同相三个及三个功率单元发生故障：

当a相某两层分别各有1个功率单元发生故障及b相一个功率单元发生故障时，类似于以上分析，剩余矢量的工作路径可最终转移到路径5。此时第三个矢量若仍然为V_r ^oo，与前面两种工况分析类似，该情况下分解矢量形式为S_a1＝0,S_a2＝0,S_a3＝0；S_b1,S_b2,S_b3∈{-1,0,1}，S_c1,S_c2,S_c3∈{-2,-1,0,1,2}；此时由式(7)-(9)得到分解矢量开关状态，进而得到***实际输出开关状态。

Claims (1)

1.一种三相空间矢量快速调制重构方法，包括如下步骤：

步骤一、将三相参考相电压瞬时值V_a、V_b和V_c代入公式(1)，计算得到三个新的参考矢量V_x、V_y和V_z；

对这三个参考矢量V_x、V_y和V_z进行向下取整，可得

式中，floor(.)为向下取整函数；

步骤二、检测最优的基矢量：

将多电平变换器进行横向分层，所述横向分层包括正常功率单元组成的健康模块层及带有故障功率单元的故障模块层；此外，定义三个单位开关状态为e₁＝(1,0,0),e₂＝(0,1,0),e₃＝(0,0,1),分别为沿着参考电压V_a、V_b和V_c方向增加或者减小所需的开关状态；令辅助开关状态e₄＝(w,w,w),其中，w为每相基矢量所对应的健康模块层数，可得基矢量所对应的优化开关状态为(S_am,S_bm,S_cm)，即

其中，Area为三相空间矢量图中的各个区域，当V_x>0且V_y≤0时,参考矢量位于区域1，即Area＝1；当V_y>0且V_z≤0时，参考矢量位于区域2，即Area＝2；当V_z>0且V_x≤0时，参考矢量位于区域3，Area＝3；

步骤三、计算剩余参考矢量与剩余矢量所对应的冗余开关状态：

其中，V_x1、V_y1和V_z1为重构后的剩余参考矢量；而S_bmcm、S_cmam和S_ambm分别由S_bm-S_cm、S_cm-S_am、S_am-S_bm获得；

定义变量V_br、V_gr为属于V_x1、V_y1、V_z1三个中的任意两个变量，即(V_br,V_gr)∈{(V_x1,V_y1),(V_y1,V_z1)，(V_z1,V_x1)}；此时取(V_br,V_gr)＝(V_x1,V_y1)，其次令(V_br,V_gr)的取整函数为四个变量，分别为V_r ^ou、V_r ^uo、V_r ^uu和V_r ^oo；它们分别取值为

式中，V_r ^ou为矢量V_br和V_gr向上取整和向下取整函数；V_r ^uo为矢量V_br和V_gr向下取整和向上取整函数；V_r ^uu为矢量V_br和V_gr同时向下取整函数；V_r ^oo为矢量V_br和V_gr同时向上取整函数；令变量k取值为

当k>0是，V_r ^oo为第三个所选矢量；当k<0时，V_r ^uu为第三个所选矢量；

紧接着定义上述四个取整变量的开关状态形式为(S_a1,S_b1,S_c1)、(S_a2,S_b2,S_c2)、(S_a3,S_b3,S_c3)和(S_a4,S_b4,S_c4)；为能准确快速计算出剩余矢量开关状态的值，将故障***分为以下三种情况：

①任意一相一个功率单元发生故障

当任意一相一个功率单元发生故障时，此时参考矢量可分为两个健康模块层构成的基矢量与单个故障模块层构成的分解矢量；若第三个矢量此时为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0、S_a2＝0、S_a3＝0；S_b1与S_c1∈{-1,0,1}，S_b2与S_c2∈{-1,0,1}，S_b3与S_c3∈{-1,0,1}；此时得到：

此时将式(7),(8)与(9)计算得到的三个剩余矢量开关状态加上式(3)所得基矢量开关状态可得***实际输出开关状态，并结合分解矢量输出占空比进行调制输出PWM波；

②同相两个功率单元发生故障：

当a相某两层分别各有1个功率单元发生故障时，若第三个矢量此时仍然为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0,S_a2＝0,S_a3＝0；S_b1与S_c1∈{-2,-1,0,1,2}，S_b2与S_c2∈{-2,-1,0,1,2}，S_b3与S_c3∈{-2,-1,0,1,2}，此时由式(7)-(9)得到分解矢量开关状态，进而得到***实际输出开关状态；

③不同相三个及三个功率单元发生故障：

当a相某两层分别各有1个功率单元发生故障及b相一个功率单元发生故障时，第三个矢量此时仍然为V_r ^oo，则分解矢量形式为S_a1＝0,S_a2＝0,S_a3＝0；S_b1,S_b2,S_b3∈{-1,0,1}，S_c1,S_c2,S_c3∈{-2,-1,0,1,2}；此时由式(7)-(9)得到分解矢量开关状态，进而得到***实际输出开关状态。

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