一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法技術(shù)

一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法，將電機的定子繞組打開，定子繞組的兩端由兩個完全相同的逆變器供電，兩個逆變器共用一套直流母線，形成共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲；為保證參考電壓矢量軌跡為圓，當開關(guān)器件發(fā)生短路故障時，逆變器最大輸出電壓下降為原來的一半，僅使用內(nèi)六邊形可用開關(guān)狀態(tài)合成參考電壓矢量，利用坐標系的旋轉(zhuǎn)和標幺化，有效簡化五電平調(diào)制方法，減少系統(tǒng)控制的硬件需求；利用平衡因子，保證容錯控制的前提下，實現(xiàn)中點電位平衡。本發(fā)明專利技術(shù)基于雙端級聯(lián)式五電平逆變器的高容錯特性，當開關(guān)器件出現(xiàn)故障時，通過重新選擇電壓矢量實現(xiàn)逆變器的容錯運行；針對雙端級聯(lián)式系統(tǒng)提出一種優(yōu)化的60°調(diào)制方法。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法
本專利技術(shù)涉及一種逆變器容錯調(diào)制方法，特別涉及一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法。
技術(shù)介紹
雙端三相開繞組電機具有輸出電壓等級高，輸出電平數(shù)較多，以及容錯能力強等優(yōu)點，是一種很有應(yīng)用前景的拓撲，而容錯能力在提升機、鐵路牽引、船舶驅(qū)動等關(guān)鍵傳動場合非常重要。目前，國內(nèi)外對開繞組電機雙端級聯(lián)式拓撲進行了一定研究，由于開繞組電機的定子繞組打開，雙端級聯(lián)式五電平逆變器的共模電壓和零序電壓與單逆變器有所不同，雙端級聯(lián)式變換器采用共母線結(jié)構(gòu)時存在較大的零序電壓，零序電壓會造成很大的環(huán)流，引起負載電流畸變。現(xiàn)有技術(shù)中，有提及對共母線雙端級聯(lián)式三電平逆變器處于開關(guān)器件觸發(fā)丟失故障時的容錯控制進行了較深研究，文中提出“機會狀態(tài)”的概念，即由于電機電感儲能產(chǎn)生的額外瞬時狀態(tài)，據(jù)此實現(xiàn)了系統(tǒng)最多6個開關(guān)器件觸發(fā)丟失時的容錯運行；也有采用基于參考電壓分解的簡化SVPWM方法，對獨立母線結(jié)構(gòu)的雙端級聯(lián)式五電平逆變器進行調(diào)制，提出一種五電平SVPWM容錯調(diào)制方法，在故障時切除一側(cè)逆變器，使用單側(cè)逆變器驅(qū)動開繞組電機，不能實現(xiàn)兩臺逆變器故障時的容錯運行，同時，開關(guān)切換復(fù)雜。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理，避免對電機造成損壞，提高輸出電壓電壓電流波形質(zhì)量的共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法。本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的，本專利技術(shù)是一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法，其特點是，其步驟為，(1)將電機的定子繞組打開，定子繞組的兩端由兩個完全相同的逆變器供電，兩個逆變器共用一套直流母線，形成共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲；(2)為了保證共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲中逆變器的參考電壓矢量軌跡為圓，當逆變器中的某一開關(guān)器件發(fā)生短路故障時，逆變器最大輸出電壓下降為原來的一半，使用共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲的內(nèi)六邊形可用開關(guān)狀態(tài)合成參考電壓矢量；(3)根據(jù)零共模電壓矢量分布特點，將傳統(tǒng)坐標軸逆時針旋轉(zhuǎn)π/6得到新坐標軸，傳統(tǒng)坐標系下逆變器的參考電壓矢量，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后，得到新坐標系下逆變器的參考電壓矢量；(4)對新坐標系下逆變器的參考電壓矢量標幺化后，獲得標幺化坐標，對標幺化坐標上下取整和比較，得到距離標幺化坐標最近的3個電壓矢量，即為3個合成電壓矢量，根據(jù)3個合成電壓矢量和占空比的定義，得到3個合成電壓矢量的作用時間；(5)根據(jù)步驟(4)所選定的3個合成電壓矢量，加入平衡因子，調(diào)整步驟(4)得到的3個合成電壓矢量的作用時間，實現(xiàn)中點電位平衡；(6)根據(jù)步驟(4)得到的3個合成電壓矢量及步驟(5)調(diào)整得到的作用時間，兼顧逆變器自身狀態(tài)控制要求，確定與合成電壓矢量相對應(yīng)的輸出開關(guān)狀態(tài)及作用順序，實現(xiàn)逆變器故障后的容錯運行。本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題還可以通過以下的技術(shù)方案來進一步實現(xiàn)，其步驟為，(1)將電機的定子繞組打開，定子繞組的兩端由兩個完全相同的逆變器供電，兩個逆變器共用一套直流母線，形成共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲；(2)為了保證共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲中逆變器的參考電壓矢量軌跡為圓，當逆變器中的某一開關(guān)器件發(fā)生短路故障時，逆變器最大輸出電壓下降為原來的一半，僅使用共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲的內(nèi)六邊形可用開關(guān)狀態(tài)合成參考電壓矢量；(3)根據(jù)零共模電壓矢量分布特點，在傳統(tǒng)60°坐標軸基礎(chǔ)上逆時針旋轉(zhuǎn)π/6，所得新60°坐標軸為g′、h′，設(shè)參考電壓矢量Vref在傳統(tǒng)60°坐標軸的α-β坐標系下的坐標為(Vα,Vβ)，在g′-h′坐標系下的坐標為(Vg′,Vh′)，兩種坐標系的變換公式為(4)設(shè)標幺化后的參考電壓矢量坐標，即標幺化坐標為(vrg′,vrh′)，對其上下取整，獲得距離標幺化坐標最近的4個電壓矢量，式中，ceil表示對參考電壓矢量向上取整，floor表示對參考電壓矢量向下取整，最近的4個電壓矢量構(gòu)成一個平行四邊形，且被Vul和Vlu形成的對角線平分，Vul和Vlu總是距離最近的兩個矢量，第3個矢量必然在Vuu和Vll之中，故可由如下方式判斷：當vrg′+vrh′-ceil(vrg′)-floor(vrh′)<0時，Vll是第3個距離最近的電壓矢量；當vrg′+vrh′-ceil(vrg′)-floor(vrh′)≥0時，Vuu是第3個電壓矢量，確定距離標幺化坐標最近的3個電壓矢量，即為合成電壓矢量；當3個合成電壓矢量確定，根據(jù)占空比的定義，3個合成電壓矢量對應(yīng)的占空比可由如下方程求出：d1+d2+d3＝1(4-3)當?shù)?個矢量為Vuu，可得：d1＝ceil(vrh′)-vrh′d2＝ceil(vrg′)-vrg′(4-4)當?shù)?個矢量為Vll，可得：d1＝vrh′-floor(vrh′)d2＝vrg′-floor(vrg′)(4-5)d3＝1-d1-d2(4-6)式中，d1、d2和d3分別為Vul、Vlu和Vuu(Vll)的占空比；(5)設(shè)三個合成電壓矢量為E、F和Z，根據(jù)3個合成電壓矢量和占空比的定義，得到3個合成電壓矢量的作用時間，分別為T1、T2和T3，令矢量E為首發(fā)矢量，各矢量按照五段式放置，逆變器中各開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的中點電流從左到右分別為iM1、iM2、iM3、iM4和iM5，引入平衡控制因子f，令矢量E的兩個冗余開關(guān)狀態(tài)“000,0+-”和“0-+,000”作用時間分別為t000,0+-＝(1+f)T1/2t0-+,000＝(1-f)T1/2(4-7)若一個開關(guān)周期內(nèi)直流側(cè)電荷總電荷為零，可以實現(xiàn)中點電位平衡，即：Q+ΔQ＝0(4-8)-C(uC1-uC2)+[-fiM1T1-(iM2+iM4)T2/2-iM3T3]＝0；可知，直流側(cè)中點電位平衡因子為f＝[-C(uC1-uC2)-(iM2+iM4)T2/2-iM3T3]/iM1T1(4-9)將平衡因子f代入合成電壓矢量的作用時間后，實現(xiàn)直流側(cè)中點電位平衡；(6)根據(jù)步驟(4)得到的3個合成電壓矢量及步驟(5)調(diào)整得到的作用時間，兼顧逆變器自身狀態(tài)控制要求，確定與合成電壓矢量相對應(yīng)的輸出開關(guān)狀態(tài)及作用順序，實現(xiàn)逆變器故障后的容錯運行。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)基于雙端級聯(lián)式五電平逆變器的高容錯特性，當逆變器中的某個開關(guān)器件出現(xiàn)故障時，通過重新選擇電壓矢量實現(xiàn)逆變器的容錯運行；使用零共模電壓矢量進行調(diào)制，完全消除系統(tǒng)零序電壓和共模電壓，使系統(tǒng)中的兩臺逆變器能夠在一套直流母線下運行，降低設(shè)備成本和體積；本專利技術(shù)針對雙端級聯(lián)式系統(tǒng)提出一種優(yōu)化的60°調(diào)制方法，利用坐標系的旋轉(zhuǎn)和標幺化，有效簡化五電平調(diào)制方法，減少系統(tǒng)控制的硬件需求；利用平衡因子f，在保證容錯控制的前提下，實現(xiàn)中點電位平衡。附圖說明圖1是共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的拓撲示意圖；圖2是逆變器的零共模電壓矢量及其開關(guān)狀態(tài)組合圖；圖3是傳統(tǒng)坐標系變換得到新坐標系的旋轉(zhuǎn)示意圖；圖4為圖1中開關(guān)器件Sx1或Sx4發(fā)生短路故障時開繞組電機轉(zhuǎn)速波形；圖5為圖1中開關(guān)器件Sx1或Sx4發(fā)生短路故障時開繞組電機轉(zhuǎn)矩波形；圖6為圖1中開關(guān)器件Sx1或Sx4發(fā)生短路故障時開繞組電機相電流波形；圖7為圖1中開關(guān)器件Sx1或Sx4發(fā)生短路故障時開繞組電機相電壓波形；圖8為圖1中開關(guān)器件Sx1或本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法，其特征在于：其步驟為，(1)將電機的定子繞組打開，定子繞組的兩端由兩個完全相同的逆變器供電，兩個逆變器共用一套直流母線，形成共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲；(2)為了保證共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲中逆變器的參考電壓矢量軌跡為圓，當逆變器中的某一開關(guān)器件發(fā)生短路故障時，逆變器最大輸出電壓下降為原來的一半，使用共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲的內(nèi)六邊形可用開關(guān)狀態(tài)合成參考電壓矢量；(3)根據(jù)零共模電壓矢量分布特點，將傳統(tǒng)坐標軸逆時針旋轉(zhuǎn)π/6得到新坐標軸，傳統(tǒng)坐標系下逆變器的參考電壓矢量，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后，得到新坐標系下逆變器的參考電壓矢量；(4)對新坐標系下逆變器的參考電壓矢量標幺化后，獲得標幺化坐標，對標幺化坐標上下取整和比較，得到距離標幺化坐標最近的3個電壓矢量，即為3個合成電壓矢量，根據(jù)3個合成電壓矢量和占空比的定義，得到3個合成電壓矢量的作用時間；(5)根據(jù)步驟(4)所選定的3個合成電壓矢量，加入平衡因子，調(diào)整步驟(4)得到的3個合成電壓矢量的作用時間，實現(xiàn)中點電位平衡；(6)根據(jù)步驟(4)得到的3個合成電壓矢量及步驟(5)調(diào)整得到的作用時間，兼顧逆變器自身狀態(tài)控制要求，確定與合成電壓矢量相對應(yīng)的輸出開關(guān)狀態(tài)及作用順序，實現(xiàn)逆變器故障后的容錯運行。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種共母線雙端級聯(lián)式五電平逆變器的容錯調(diào)制方法，其特征在于：(1)將電機的定子繞組打開，定子繞組的兩端由兩個完全相同的逆變器供電，兩個逆變器共用一套直流母線，形成共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲；(2)為了保證共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲中逆變器的參考電壓矢量軌跡為圓，當逆變器中的某一開關(guān)器件發(fā)生短路故障時，逆變器最大輸出電壓下降為原來的一半，僅使用共母線雙端級聯(lián)式五電平拓撲的內(nèi)六邊形可用開關(guān)狀態(tài)合成參考電壓矢量；(3)根據(jù)零共模電壓矢量分布特點，在傳統(tǒng)600坐標軸基礎(chǔ)上逆時針旋轉(zhuǎn)π/6，所得新60°坐標軸為g′、h′，設(shè)參考電壓矢量Vref在傳統(tǒng)60°坐標軸的α-β坐標系下的坐標為(Vα,Vβ)，在g′-h′坐標系下的坐標為(Vg′,Vh′)，兩種坐標系的變換公式為(4)設(shè)標幺化后的參考電壓矢量坐標，即標幺化坐標為(vrg′,vrh′)，對其上下取整，獲得距離標幺化坐標最近的4個電壓矢量，式中，ceil表示對參考電壓矢量向上取整，floor表示對參考電壓矢量向下取整，最近的4個電壓矢量構(gòu)成一個平行四邊形，且被Vul和Vlu形成的對角線平分，Vul和Vlu總是距離最近的兩個矢量，第3個矢量必然在Vuu和Vll之中，故可由如下方式判斷：當vrg′+vrh′-ceil(vrg′)-floor(vrh′)<0時，Vll是第3個距離最近的電壓矢量；當vr...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳迪，杜朋，丁博，薛碩，
申請(專利權(quán))人：淮海工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32