CN112564049B - 一种anpc型三电平逆变器的故障关机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，第一时刻在正半周触发故障时，立即关断第一开关管，并在第二时刻开通第五开关管和第六开关管，可以将第二开关管和第三开关管的电压强制钳位在半母线电压，保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏。同理，在第一时刻在负半周触发故障时，立即关断第四开关管，并在第二时刻开通第五开关管和第六开关管，可以将第二开关管和第三开关管的电压强制钳位在半母线电压，保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏，提升电路的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法。
背景技术
逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电的转换器。在高压大功率场合的光伏逆变器中通常使用有源中点钳位（Active Neutral-point-clamped，ANPC）型三电平逆变拓扑。图1为现有技术提供的一种ANPC型三电平逆变器主电路拓扑结构示意图。如图1所示，包括第一开关管T1~第六开关管T6、第一二极管D1~第六二极管D6、第一电容C1和第二电容C2，其中：第一开关管T1与第一二极管D1反并联，第二开关管T2与第二二极管D2反并联，第三开关管T3与第三二极管D3反并联，第四开关管T4与第四二极管D4反并联，第五开关管T5与第五二极管D5反并联，第六开关管T6与第六二极管D6反并联，第一开关管T1的第一端接母线正极，第四开关管T4的第二端接母线负极，第一开关管T1的第二端接第二开关管T2、第五开关管T5的第一端，第四开关管T4的第一端接第三开关管T3、第六开关管T6的第二端，第五开关管T5的第二端、第六开关管T6的第一端均接入母线中点，第二开关管T2的第二端、第三开关管T3的第一端连接在一起作为桥臂输出端，第一电容C1连接在母线正极和母线中点之间，第二电容C2连接在母线负极和母线中点之间。
传统的ANPC型三电平逆变器的故障关机逻辑为：
第一种：在正半周（IL>0）触发故障，则同时关断第一开关管T1和第五开关管T5，经过一个死区时间后关断第二开关管T2；在负半周（IL<0）触发故障，则同时关断第四开关管T4和第六开关管T6，经过一个死区时间（t02-t01）后关断第三开关管T3。该故障关机控制方法下的逻辑图如图2所示，图2中的IL表示桥臂输出端的输出电流。
第二种：在正半周（IL>0）触发故障，则先关断第一开关管T1，经过一个死区时间后同时关断第二开关管T2和第五开关管T5；在负半周（IL<0）触发故障，则先关断第四开关管T4，经过一个死区时间（t02-t01）后同时关断第三开关管T3和第六开关管T6。该故障关机控制方法下的逻辑图如图3所示。
上述两种方式中，在正半周触发故障，第一开关管T1、第二开关管T2和第五开关管T5均关断时，第三二极管D3和第四二极管D4会导通形成续流回路，出现第一开关管T1和第二开关管T2共同承受母线电压的情况，而由于第一电容C1和第一开关管T1之间存在寄生电感导致第一开关管T1和第二开关管T2实际承受的电压比母线电压更大，此外，由于各开关管寄生电容不尽相等，第一开关管T1和第二开关管T2并不会均分母线电压，导致第二开关管T2可能会过压损坏。同理，在负半周触发故障，第三开关管T3可能会过压损坏。
鉴于上述现有技术，寻求一种避免开关管过压损坏的ANPC型三电平逆变器故障关机控制方法是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，用于在发生故障关机时，保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏，提升电路的使用寿命。
为解决上述技术问题，本申请提供一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，所述ANPC型三电平逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管，所述第一开关管的第一端接母线正极，所述第四开关管的第二端接母线负极，所述第一开关管的第二端接所述第二开关管、所述第五开关管的第一端，所述第四开关管的第一端接所述第三开关管、所述第六开关管的第二端，所述第五开关管的第二端、所述第六开关管的第一端均接入母线中点，所述第二开关管的第二端、所述第三开关管的第一端连接在一起作为桥臂输出端，所述故障关机控制方法包括：
在第一时刻正半周触发故障：在所述第一时刻关断所述第一开关管，在第二时刻开通所述第五开关管和所述第六开关管，在第三时刻关断所述第二开关管，在第四时刻关断所述第五开关管和所述第六开关管；
在所述第一时刻负半周触发故障：在所述第一时刻关断所述第四开关管，在所述第二时刻开通所述第五开关管和所述第六开关管，在所述第三时刻关断所述第三开关管，在所述第四时刻关断所述第五开关管和所述第六开关管；
其中，所述第一时刻小于所述第二时刻，所述第二时刻小于所述第三时刻，所述第三时刻小于所述第四时刻。
优选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的一种。
优选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为自带体二极管的绝缘栅双极型晶体管。
优选地，所述ANPC型三电平逆变器工作在有源状态下。
优选地，还包括：
获取故障反馈单元发送的故障信号。
优选地，所述故障信号具体为过压信号。
优选地，所述故障信号具体为过流信号。
优选地，所述故障信号具体为过温信号。
本申请所提供的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，第一时刻在正半周触发故障时，立即关断第一开关管，并在第二时刻开通第五开关管和第六开关管，第五开关管和第六开关管开通后可以将桥臂输出端的电压钳位在半母线电压，同时第五开关管对应的二极管与第二开关管形成的续流回路、以及第六开关管与第三开关管对应的二极管形成的续流回路会将第一开关管与第二开关管的公共端的电压和第三开关管与第四开关管的公共端的电压钳位在半母线电压，因此第二开关管和第三开关管的电压被强制钳位在半母线电压，保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏。由于第二开关管响应时间较慢，因此首先在第三时刻关断第二开关管后，经过一段时间在第四时刻关断第五开关管和第六开关管，完成故障关机，进一步对第二开关管进行保护。同理，在第一时刻在负半周触发故障时，立即关断第四开关管，并在第二时刻开通第五开关管和第六开关管，可以将桥臂输出端的电压钳位在半母线电压，同时第六开关管对应的二极管与第三开关管形成的续流回路、以及第五开关管与第二开关管对应的二极管形成的续流回路会将第三开关管与第四开关管的公共端的电压和第一开关管与第二开关管的公共端的电压钳位在半母线电压，因此第二开关管和第三开关管的电压被强制钳位在半母线电压，可以保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏，由于第三开关管响应时间较慢，因此首先在第三时刻关断第三开关管后，经过一段时间在第四时刻关断第五开关管和第六开关管，完成故障关机，进一步对第三开关管进行保护，提升电路的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种ANPC型三电平逆变器主电路拓扑结构示意图；
图2为现有技术提供的一种故障关机控制方法下的故障关机逻辑图；
图3为现有技术提供的另一种故障关机控制方法下的故障关机逻辑图；
图4为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法下的开关逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，用于在发生故障关机时，保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏，提升电路的使用寿命。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
如图1所示，ANPC型三电平逆变器包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6，第一开关管T1的第一端接母线正极，第四开关管T4的第二端接母线负极，第一开关管T1的第二端接第二开关管T2、第五开关管T5的第一端，第四开关管T4的第一端接第三开关管T3、第六开关管T6的第二端，第五开关管T5的第二端、第六开关管T6的第一端均接入母线中点，第二开关管T2的第二端、第三开关管T3的第一端连接在一起作为桥臂输出端。
需要说明的是，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的一种。可以理解的是，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6可以是带有体二极管的场效应管或者绝缘栅双极型晶体管，也可以是一个开关管加一个与其反并联的二极管的形式。
具体地，ANPC型三电平逆变器还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电容C1和第二电容C2，其中：第一开关管T1与第一二极管D1反并联，第二开关管T2与第二二极管D2反并联，第三开关管T3与第三二极管D3反并联，第四开关管T4与第四二极管D4反并联，第五开关管T5与第五二极管D5反并联，第六开关管T6与第六二极管D6反并联，第一电容C1连接在母线正极和母线中点之间，第二电容C2连接在母线负极和母线中点之间。
图4为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法的流程图。如图4所示，该故障关机控制方法包括：
S10：在第一时刻t1正半周触发故障：在第一时刻t1关断第一开关管T1，在第二时刻t2开通第五开关管T5和第六开关管T6，在第三时刻t3关断第二开关管T2，在第四时刻t4关断第五开关管T5和第六开关管T6。
S11：在第一时刻t1负半周触发故障：在第一时刻t1关断第四开关管T4，在第二时刻t2开通第五开关管T5和第六开关管T6，在第三时刻t3关断第三开关管T3，在第四时刻t4关断第五开关管T5和第六开关管T6。
其中，第一时刻t1小于第二时刻t2，第二时刻t2小于第三时刻t3，第三时刻t3小于第四时刻t4。
图5为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法下的开关逻辑图。如图5所示，输出电流的波形为正弦波，在正半周，输出电流大于零，在负半周，输出电流小于零。根据电流方向判定在负半周触发故障时，即在第一时刻t1触发故障，则在第一时刻t1立刻关断第四开关管T4，经过一段时间后，在第二时刻t2开通第五开关管T5和第六开关管T6，第五开关管T5和第六开关管T6开通后可以将桥臂输出端的电压钳位在半母线电压，同时第六二极管D6与第三开关管T3形成的续流回路会将第三开关管T3与第四开关管T4的公共端的电压钳位在半母线电压，第五开关管T5与第二二极管D2形成的续流回路会将第一开关管T1与第二开关管T2的公共端的电压钳位在半母线电压，因此第二开关管T2和第三开关管T3的电压被强制钳位在半母线电压。
同理，根据电流方向判定在正半周触发故障时，即在第一时刻t1触发故障，则在第一时刻t1立刻关断第一开关管T1，经过一段时间后，在第二时刻t2开通第五开关管T5和第六开关管T6，第五开关管T5和第六开关管T6开通后可以将桥臂输出端的电压钳位在半母线电压，同时第五二极管D5与第二开关管T2、以及第六开关管T6与第三二极管D3形成的续流回路会将第一开关管T1与第二开关管T2的公共端的电压和第三开关管T3与第四开关管T4的公共端的电压钳位在半母线电压，因此第二开关管T2和第三开关管T3的电压被强制钳位在半母线电压。
需要说明的是，本申请对于第二时刻、第三时刻、第四时刻的具体数值不作限定，在不同的实际应用场景中，设定的第二时刻、第三时刻、第四时刻不同，只要满足第一时刻t1小于第二时刻t2，第二时刻t2小于第三时刻t3，第三时刻t3小于第四时刻t4即可。
本申请所提供的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，第一时刻在正半周触发故障时，立即关断第一开关管，并在第二时刻开通第五开关管和第六开关管，第五开关管和第六开关管开通后可以将桥臂输出端的电压钳位在半母线电压，同时第五开关管对应的二极管与第二开关管形成的续流回路、以及第六开关管与第三开关管对应的二极管形成的续流回路会将第一开关管与第二开关管的公共端的电压和第三开关管与第四开关管的公共端的电压钳位在半母线电压，因此第二开关管和第三开关管的电压被强制钳位在半母线电压，保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏。由于第二开关管响应时间较慢，因此首先在第三时刻关断第二开关管后，经过一段时间在第四时刻关断第五开关管和第六开关管，完成故障关机，进一步对第二开关管进行保护。同理，在第一时刻在负半周触发故障时，立即关断第四开关管，并在第二时刻开通第五开关管和第六开关管，可以将桥臂输出端的电压钳位在半母线电压，同时第六开关管对应的二极管与第三开关管形成的续流回路、以及第五开关管与第二开关管对应的二极管形成的续流回路会将第三开关管与第四开关管的公共端的电压和第一开关管与第二开关管的公共端的电压钳位在半母线电压，因此第二开关管和第三开关管的电压被强制钳位在半母线电压，可以保护第二开关管和第三开关管不会因过电压应力而损坏，由于第三开关管响应时间较慢，因此首先在第三时刻关断第三开关管后，经过一段时间在第四时刻关断第五开关管和第六开关管，完成故障关机，进一步对第三开关管进行保护，提升电路的使用寿命。
进一步地，本申请中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6为自带体二极管的绝缘栅双极型晶体管，提高了电路的集成度。
具体地，ANPC型三电平逆变器工作在有源状态下。
需要说明的是，ANPC型三电平逆变器还可以工作在无源状态下，同样可以实现对第二开关管T2和第三开关管T3的保护，本实施例不再赘述。
在上述实施例的基础上，还包括：
获取故障反馈单元发送的故障信号。
具体地，故障反馈单元获取到故障信息后进行模数转换等相关处理，然后将处理后的故障信息以故障信号En的形式发送至控制单元。控制单元接收到故障信号En信号后，将其反馈到控制环，形成新的PWM信号，再将新生成的PWM信号送至三电平逆变器，实现故障关机控制。
其中，故障信息包括过电压、过电流、过温等故障情况。实际应用中，可以利用电压传感器、电流传感器和温度传感器对其进行检测。
进一步地，故障信号具体为过压信号。
在具体实施中，在ANPC型三电平逆变器的桥臂输出端设置电压检测装置，电压检测装置检测到输出电压超过第一预设阈值时，向控制单元发送过压信号，以便于控制单元开启故障关机逻辑。可以理解，电压检测装置还可以设置在母线正极、母线负极或者电路中的任意节点，电压检测装置也可以用于检测电路中的开关管是否过压，并在过压的情况下将过压信号送至控制单元。
进一步地，故障信号具体为过流信号。
在具体实施中，在ANPC型三电平逆变器的桥臂输出端设置电流检测装置，电流检测装置检测到输出电流超过第二预设阈值时，向控制单元发送过流信号，以便于控制单元开启故障关机逻辑。可以理解，电流检测装置还可以设置在母线正极、母线负极或者电路中的任意节点，电流检测装置也可以用于检测电路中的开关管是否过流，并在过流的情况下将过流信号送至控制单元。
进一步地，故障信号具体为过温信号。
在具体实施中，可以设置用于检测ANPC型三电平逆变器中的各个开关管是否过温的温度检测装置，温度检测装置检测到某个开关管的温度超过第三预设阈值时，向控制单元发送过温信号，以便于控制单元开启故障关机逻辑。
以上对本申请所提供的一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (8)
1.一种ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，所述ANPC型三电平逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管，所述第一开关管的第一端接母线正极，所述第四开关管的第二端接母线负极，所述第一开关管的第二端接所述第二开关管、所述第五开关管的第一端，所述第四开关管的第一端接所述第三开关管、所述第六开关管的第二端，所述第五开关管的第二端、所述第六开关管的第一端均接入母线中点，所述第二开关管的第二端、所述第三开关管的第一端连接在一起作为桥臂输出端，其特征在于，所述故障关机控制方法包括：
在第一时刻正半周触发故障：在所述第一时刻关断所述第一开关管，在第二时刻开通所述第五开关管和所述第六开关管，在第三时刻关断所述第二开关管，在第四时刻关断所述第五开关管和所述第六开关管；
在所述第一时刻负半周触发故障：在所述第一时刻关断所述第四开关管，在所述第二时刻开通所述第五开关管和所述第六开关管，在所述第三时刻关断所述第三开关管，在所述第四时刻关断所述第五开关管和所述第六开关管；
其中，所述第一时刻小于所述第二时刻，所述第二时刻小于所述第三时刻，所述第三时刻小于所述第四时刻。
2.如权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的一种。
3.如权利要求2所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为自带体二极管的绝缘栅双极型晶体管。
4.如权利要求3所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，所述ANPC型三电平逆变器工作在有源状态下。
5.如权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，还包括：
获取故障反馈单元发送的故障信号。
6.如权利要求5所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，所述故障信号具体为过压信号。
7.如权利要求5所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，所述故障信号具体为过流信号。
8.如权利要求5所述的ANPC型三电平逆变器的故障关机控制方法，其特征在于，所述故障信号具体为过温信号。
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Denomination of invention: A fault shutdown control method for ANPC type three-level inverters Granted publication date: 20210507 Pledgee: Zhejiang Hangzhou Yuhang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Science and Technology City Branch Pledgor: ZHEJIANG HRV ELECTRIC Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009884 |