CN115021600A - 一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法 - Google Patents

一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法 Download PDF

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李子欣
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Abstract

本发明提出一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法，即一种新型的基于固定削峰角的零序基波和三次谐波注入方法，包括：首先检测三相星接变流器是否有功率单元发生故障，当检测到有功率单元发生故障后，将故障单元旁路；判断旁路后变流器各相最大输出电压能否满足输出电压要求，根据判断结果调整非故障功率单元的调制度，从而保持三相输出线电压的平衡、保证变流器***的容错运行。该发明旨在通过寻找最优削峰角抑制零序注入所导致的非故障相电压的提高，从而提高变流器故障运行时的输出线电压幅值、提高直流母线电压利用率、提高变流器***的可靠性。

Description

一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法。
背景技术
级联多电平变流器由多个功率单元串联叠加而成，可以使用低压半导体器件实现高电压、大功率、高质量的电能输出。同时，模块化的结构也使其易于设计、组装、维护和拓展，在冶金轧钢、新能源电网、船舶推进、STATCOM等领域逐步得到应用。在这些大功率应用场合中，变流器的可靠性至关重要，在一些部件发生故障后需要尽可能采用降低容量运行的方式运行，避免触发停机带来更大损失。而随着电压等级的升高，变流器中功率开关器件的数量不断增加，故障概率也随之提高，因此，级联多电平变流器容错控制方法对变流器的高可靠运行能力非常重要。
目前常采用硬件冗余与***重构相结合的容错控制方法。前者是设置冗余单元用来替换故障单元；后者是将故障单元旁路后，可对***重新架构，利用剩余可正常工作的功率单元，降低***容量继续运行。常用的***重构方式主要有同级旁路法和中性点偏移法。对于三相变流器，同级旁路法是将故障相的故障单元旁路的同时，在其他两相中也旁路相同数量的正常功率单元，使三相中剩余工作模块数量相同。这种方法操作简单，但牺牲了正常功率单元的输出能力，使输出线电压降幅较大。JoséRodríguez，Peter W.Hammond等在文献“Operation of a medium-voltage drive under faulty conditions[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2005,52(4):1080-1085.”中描述了一种用于三相星接变流器的中性点偏移法，通过注入零序电压改变中性点的位置，重点在于求解注入后各相电压的幅值和相位偏移角。这种方法往往会导致非故障相电压的相对升高，对正常功率模块的利用不充分。中国发明专利CN104269998A和CN111756052A以及汪伟,蔡慧等在文献“单元串联式高压变频器功率单元故障处理技术的研究[J].电气传动,2010,40(12):5.”中分别公开了不同的基于中性点偏移法的级联多电平变流器容错控制方法。三种方法的偏移方式不同，但同样会导致非故障相电压的相对升高。如何能够在不提高非故障相电压的情况下降低故障相电压、提高母线电压利用率，成为亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种提高级联多电平变流器母线电压利用率的容错控制方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法，所述级联多电平变流器包括三相星接变流器，所述三相星接变流器每相串联多个功率单元，每个功率单元由三相全波整流桥、直流母线电容、H桥逆变桥及输出开关组成，当功率单元的输出开关处于第一位置时，该功率单元串联在主电路中，当功率单元的输出开关处于第二位置时，该功率单元被旁路，变流器的输出连接负载；首先检测所述三相星接变流器是否有功率单元发生故障，当检测到有功率单元发生故障后，将所述发生故障的功率单元旁路；判断故障的功率单元旁路后所述三相星接变流器各相最大输出电压能否满足输出要求，根据判断结果调整非故障的功率单元H桥逆变桥的功率器件的调制度，保持三相输出线电压的平衡从而保证变流器的运行。
进一步地，调整功率单元调制度按下列顺序进行，计算将所述发生故障的功率单元旁路后所述三相星接变流器各相最大输出电压幅值Umax，并与目标幅值Uob进行比较，如果小于目标幅值Uob，则在原输出三相电压中注入基于固定削峰角的零序基波和三次谐波、调整功率单元功率器件的调制度，从而降低输出相电压的幅值；Umax如果不小于目标幅值Uob，则根据剩余正常工作模块的个数调整调制度。
进一步地，基于固定削峰角的零序电压注入计算方法为：
Figure BDA0003718566390000021
a1＝[sin(2θ)+2θ-4Ampsinθ]/π (2)
a3＝[3sin(4θ)+6sin(2θ)-8Ampsin(3θ)]/6π (3)
其中，
Figure BDA0003718566390000022
为基波电压，a1为所注入基波电压的系数，
Figure BDA0003718566390000023
为三次谐波电压，a3为所注入三次谐波电压的系数，θ＝0.35π为固定削峰角，表示每1/4周期内(0.5π)，故障相电压在0.35π的角度内均维持在最大可输出电压，在这一削峰角下，故障相与非故障相电压的幅值相等点幅值最小，最大限度抑制零序注入所导致的非故障相电压的提高,Amp为故障相可输出最大电压幅值与未发生故障时输出相电压幅值之比的校正值，a1和a3的表达式由叠加无穷多次谐波的傅里叶级数公式计算得到，校正值Amp，计算方法为：
设Amp0为故障相可输出最大电压幅值与未发生故障时输出相电压幅值之比，
Amp1＝Amp0+d,其中d为校正步长；
将Amp0和Amp1分别代入上述零序电压注入方法，分别求得a10、a30和a11、a31，进而分别得到零序注入电压u00和u01，将零序电压与故障相电压叠加分别得到注入后的故障相电压幅值Up0和Up1；
利用(Amp0,Up0)和(Amp1,Up1)两点做一元线性回归拟合得到Upx＝k·Ampx+b，其中k为一次函数的斜率，b为一次函数的截距；
则Amp＝(Amp0-b)/k+σ,其中σ为校正系数。
进一步地，d＝0.01，σ＝0.001。
本发明的有益效果：
本发明采用基于固定削峰角的零序注入方法，在处理级联多电平变流器功率模块故障问题时，能够在降低故障相电压幅值的同时尽可能抑制无故障或故障较少相电压幅值的增大，从而减小了功率模块故障对输出线电压的影响、提高了直流母线电压利用率。该方法可广泛应用于级联多电平变流器的容错控制，提高大功率变频调速***的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种级联多电平变流器的结构示意图。
图2是本发明所述的一种级联多电平变流器功率模块的结构拓扑图。
图3是本发明的一种旁路情况下的级联多电平变流器容错方法流程图。
图4a，图4b，图4c，图4d是本发明实施例中故障情况一的输出电压仿真结果波形图。
图5a，图5b，图5c，图5d是本发明实施例中故障情况二的输出电压仿真结果波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了更清晰地对本发明进行说明，下面结合附图对本发明一种实施例中各部分进行展开详述。
如图1为可以应用本发明方法的级联多电平变流器的结构示意图。三相星接变流器1中每相分别串联相同数量的功率单元，其中包括：A相串联功率单元a1 21，功率单元a222，…，功率单元am 29，共m个，这里m＝9；B相串联功率单元b1 31，功率单元b2 32，…，功率单元bn 39，共n个，这里n＝9；C相串联功率单元c1 41，功率单元c2 42，…，功率单元cp 49,共p个，这里p＝9。根据多级级联的要求，m、n和p可以为其他不小于3的自然数，m＝n＝p，变流器的输出连接负载20。VAO、VBO、VCO分别为A、B、C三相的输出相电压。
图2为本发明所述的一种级联多电平变流器功率单元模块的结构拓扑图。每个功率单元主要由三相全波整流桥11、直流母线电容12、H桥逆变桥13及输出开关14组成。三相全波整流桥11由6个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成；H桥逆变桥13由4个绝缘栅IGBT模块Q1、Q2、Q3、Q4及其反并联续流二极管D7、D8、D9、D10组成。当输出开关14处于第一位置1时，接通上方触点，该功率单元串联接入主电路中，当输出开关14处于第二位置2时，接通下方触点，该功率单元被旁路。
图3为本发明所述的一种旁路情况下的级联多电平变流器容错方法流程图，包括：首先检测变流器是否有功率单元发生故障，当检测到有功率单元发生故障后，将故障单元旁路；判断旁路后变流器各相最大输出电压能否满足输出要求，根据判断结果调整调制度，从而保持三相输出线电压的平衡、保证变流器***的容错运行。
进一步，所述的调整功率单元调制度按下列顺序进行，计算将故障功率单元旁路后变流器各相最大输出电压幅值Umax是否小于目标幅值Uob，如果小于目标幅值Uob，则需要在原输出三相电压中注入基于固定削峰角的零序基波和三次谐波、调整功率单元功率器件的调制度，从而降低输出相电压的幅值；Umax如果不小于目标幅值Uob，则根据剩余正常工作模块的个数调整调制度。
进一步，所述的基于固定削峰角的零序电压注入计算方法为：
Figure BDA0003718566390000041
a1＝[sin(2θ)+2θ-4Ampsinθ]/π (2)
a3＝[3sin(4θ)+6sin(2θ)-8Ampsin(3θ)]/6π (3)
其中，
Figure BDA0003718566390000051
为基波电压，a1为所注入基波电压的系数。
Figure BDA0003718566390000052
为三次谐波电压，a3为所注入三次谐波电压的系数。θ＝0.35π为固定削峰角，表示每1/4周期内(0.5π)，故障相电压在0.35π的角度内均维持在最大可输出电压。在这一削峰角下，故障相与非故障相电压的幅值相等点幅值最小，也就是可以最大限度抑制零序注入所导致的非故障相电压的提高。
Amp为故障相可输出最大电压幅值与未发生故障时输出相电压幅值之比的校正值。由于a1和a3的表达式由叠加无穷多次谐波的傅里叶级数公式计算而来，而本发明方法中实际注入基波和三次谐波，需要计算校正值Amp，计算方法为：
Amp0为故障相可输出最大电压幅值与未发生故障时输出相电压幅值之比。
Amp1＝Amp0+d,其中d为校正步长。
将Amp0和Amp1分别代入上述零序电压注入方法，可分别求得a10、a30和a11、a31，进而分别得到零序注入电压u00和u01。将零序电压与故障相电压叠加即可分别得到注入后的故障相电压幅值Up0和Up1。
利用(Amp0,Up0)和(Amp1,Up1)两点做一元线性回归拟合得到Upx＝k·Ampx+b，其中k为一次函数的斜率，b为一次函数的截距；
则Amp＝(Amp0-b)/k+σ,其中σ为校正系数。
进一步地，d＝0.01，σ＝0.001。
当变流器正常工作、无功率单元被旁路时，输出相电压基波幅值为U、输出线电压基波幅值为1.732U。
故障情况一：A、B、C三相剩余可工作单元数均为8时，若采用同级旁路法，输出线电压的最大幅值为正常工作时的0.889。若采用本发明所述方法，输出线电压的最大幅值可以达到正常工作时的幅值(1.000)，而不需要降容运行。图4a，图4b，图4c，图4d为故障情况一时的使用同级旁路法和使用本发明方法的输出结果比较。其中，图4a、图4b分别为使用同级旁路法时的输出相电压、线电压波形；图4c、图4d分别为使用本发明方法时的输出相电压、线电压波形。图中相电压、线电压均以正常运行时的相电压幅值为基值进行了标幺化。图4a中，使用同级旁路法时三相输出相电压uAO、uBO、uCO的标幺值均为0.889；图4b中，使用同级旁路法时输出线电压uAB、uBC、uCA的标幺值均为1.540。图4c中，使用本发明方法时三相输出相电压uAO、uBO、uCO的标幺值分别为0.888、0.866、0.866；图4d中，使用本发明方法时输出线电压uAB、uBC、uCA的标幺值均为1.732。
故障情况二：A、B、C三相剩余可工作单元数分别为7、8、8，若采用同级旁路法，输出线电压的最大幅值为正常工作时的0.778。若采用本发明所述方法，输出线电压的最大幅值可以达到正常工作时的0.930。图5a，图5b，图5c，图5d为故障情况一时的使用同级旁路法和使用本发明方法的输出结果比较。其中，图5a、图5b分别为使用同级旁路法时的输出相电压、线电压波形；图5c、图5d分别为使用本发明方法时的输出相电压、线电压波形。图中相电压、线电压均以正常运行时的相电压幅值为基值进行了标幺化。图5a中，使用同级旁路法时三相输出相电压uAO、uBO、uCO的标幺值均为0778；图5b中，使用同级旁路法时输出线电压uAB、uBC、uCA的标幺值均为1.347。图5c中，使用本发明方法时三相输出相电压uAO、uBO、uCO的标幺值分别为0.723、0.889、0.889；图5d中，使用本发明方法时输出线电压uAB、uBC、uCA的标幺值均为1.611。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法，所述级联多电平变流器包括三相星接变流器，所述三相星接变流器每相串联多个功率单元，每个功率单元由三相全波整流桥、直流母线电容、H桥逆变桥及输出开关组成，当功率单元的输出开关处于第一位置时，该功率单元串联在主电路中，当功率单元的输出开关处于第二位置时，该功率单元被旁路，变流器的输出连接负载，其特征在于：首先检测所述三相星接变流器是否有功率单元发生故障，当检测到有功率单元发生故障后，将所述发生故障的功率单元旁路；判断故障的功率单元旁路后所述三相星接变流器各相最大输出电压能否满足输出要求，根据判断结果调整非故障的功率单元H桥逆变桥的功率器件的调制度，保持三相输出线电压的平衡从而保证变流器的可靠运行。
2.根据权利要求1所述的一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法，其特征在于：调整功率单元调制度按下列顺序进行，计算将所述发生故障的功率单元旁路后所述三相星接变流器各相最大输出电压幅值Umax，并与目标幅值Uob进行比较，如果小于目标幅值Uob，则在原输出三相电压中注入基于固定削峰角的零序基波和三次谐波、调整功率单元功率器件的调制度，从而降低输出相电压的幅值；Umax如果不小于目标幅值Uob，则根据剩余正常工作模块的个数调整调制度。
3.根据权利要求2所述的一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法，其特征在于：基于固定削峰角的零序电压注入计算方法为：
Figure FDA0003718566380000011
a1＝[sin(2θ)+2θ-4Ampsinθ]/π (2)
a3＝[3sin(4θ)+6sin(2θ)-8Ampsin(3θ)]/6π (3)
其中，
Figure FDA0003718566380000012
为基波电压，a1为所注入基波电压的系数，
Figure FDA0003718566380000013
为三次谐波电压，a3为所注入三次谐波电压的系数，θ＝0.35π为固定削峰角，表示每1/4周期内，故障相电压在0.35π的角度内均维持在最大可输出电压，在这一削峰角下，故障相与非故障相电压的幅值相等点幅值最小，最大限度抑制零序注入所导致的非故障相电压的提高；Amp为故障相可输出最大电压幅值与未发生故障时输出相电压幅值之比的校正值，a1和a3的表达式由叠加无穷多次谐波的傅里叶级数公式计算得到，校正值Amp的计算方法为：
设Amp0为故障相输出最大电压幅值与未发生故障时输出相电压幅值之比，
Amp1＝Amp0+d,其中d为校正步长；
将Amp0和Amp1分别代入上述零序电压注入方法，分别求得a10、a30和a11、a31，进而分别得到零序注入电压u00和u01，将零序电压与故障相电压叠加分别得到注入后的故障相电压幅值Up0和Up1；
利用(Amp0,Up0)和(Amp1,Up1)两点做一元线性回归拟合得到Upx＝k·Ampx+b，其中k为一次函数的斜率，b为一次函数的截距；
则Amp＝(Amp0-b)/k+σ,其中σ为校正系数。
4.根据权利要求3所述的一种提高输出线电压幅值的级联多电平变流器容错控制方法，其特征在于：d＝0.01，σ＝0.001。
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