一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器及其容錯控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器及其容錯控制方法。本發(fā)明在一般雙級式矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入一個容錯電路，該容錯電路為在三相輸入交流電源中性點引出的一個由兩個雙向開關(guān)管構(gòu)成的橋臂，該橋臂上下兩端分別與整流級電路直流母線側(cè)正、負(fù)兩端相連。通過對容錯電路中的兩個雙向開關(guān)分別進行控制，本發(fā)明能夠使雙級式矩陣變換器在整流級電路中某個雙向開關(guān)管驅(qū)動信號丟失或者開路損壞的故障情況下，依然可以向負(fù)載提供高質(zhì)量電能，實現(xiàn)容錯運行。
【專利說明】
一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器及其容錯控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及雙級式矩陣變換器，特別是一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器及其容錯控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]容錯，就是容忍故障的簡稱。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性要求越來越高。在某些應(yīng)用場合，如航空航天等高尖端領(lǐng)域，需要功率變換器能夠具備在故障狀態(tài)下實現(xiàn)容錯運行的能力。功率器件作為構(gòu)成各種功率變換器的基本器件，當(dāng)功率器件損壞時，必將導(dǎo)致功率變換器失去運行能力，甚至引發(fā)災(zāi)難性的后果，因此對功率變換器的容錯控制研究是非常有必要的。
[0003]雙級式矩陣變換器(TSMC)是一種新型的變頻器，它不僅具有傳統(tǒng)矩陣變換器(MC)能量可雙向流動、穩(wěn)定性好、輸入輸出波形正弦等優(yōu)點，而且還克服了傳統(tǒng)矩陣變換器換流策略與鉗位電路復(fù)雜等缺點，摒棄大容量儲能電容，具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，是近年來學(xué)術(shù)界研究的熱點。盡管國內(nèi)外學(xué)者對雙級式矩陣變換器的調(diào)制策略、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸入電流與輸出電壓閉環(huán)控制等進行了深入的研究，且取得了顯著的成果，但是關(guān)于雙級式矩陣變換器的容錯控制卻鮮有相關(guān)文獻?？紤]到雙級式矩陣變換器的逆變級與傳統(tǒng)的三相逆變器并無差異，國外一些學(xué)者對雙級式矩陣變換器逆變級的故障容錯控制進行了研究與分析，但是關(guān)于TSMC整流級容錯控制相關(guān)的研究較少。文獻[I ]在輸入濾波器電容的中性點引出由單向開關(guān)組成的橋臂，該橋臂的引入使TSMC直流母線側(cè)可以給逆變級提供多種電位。該文獻將額外的橋臂與逆變級作為一個整體進行控制，提出一種多電平雙級式矩陣變換器，未涉及TSMC容錯控制。公開號為105356764A的專利《具有容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Z源雙級式矩陣變換器及其控制方法》在輸入電源中性點引出由單向開關(guān)組成的橋臂，通過該橋臂與容錯控制策略，實現(xiàn)容錯運行，但僅適用于Z源雙級式矩陣變換器。
[0004]雙級式矩陣變換器按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為整流級與逆變級，整流級對三相輸入電壓進行斬波控制給后級逆變級供電，在TSMC實際應(yīng)用中，若整流級雙向開關(guān)管出現(xiàn)損壞或者驅(qū)動信號丟失等故障，勢必對逆變級輸出電壓質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，進而導(dǎo)致整個TSMC系統(tǒng)性能下降甚至失控，因此開展關(guān)于TSMC整流級容錯技術(shù)研究是必不可少的。
[0005]參考文獻:
[0006][1]P.C.Loh，R.J.Rong，F(xiàn).Blaabjerg，L.Shan，and P.Wang.Carrier-BasedModulat1n Schemes for Var1us Three-Level Matrix Converters

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器及其容錯控制方法。針對TSMC整流級電路中某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞等故障情況，通過簡單可行的容錯控制策略實現(xiàn)TSMC在故障狀態(tài)下容錯運行，具有研究價值與應(yīng)用前景。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0009]—種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器，包括:三相交流輸入電源、整流級電路、逆變電路和容錯電路;所述容錯電路包括兩個串聯(lián)的雙向開關(guān)ShS^S142的連接點與三相交流輸入電源的中性點相連J1的另一端與整流級電路直流母線側(cè)的正端(P)相連，S2的另一端與整流級電路直流母線側(cè)的負(fù)端(N)相連;所述整流級電路為由6個雙向開關(guān)管Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn構(gòu)成的三相整流電路;其中，SadPSan、Sbp和Sbn、Scp和Sca分別串聯(lián)形成三個橋臂，Sap、sbp、&p分別為對應(yīng)橋臂的上管，San、Sbn、S。^別為對應(yīng)橋臂的下管，三個橋臂的上、下管分別與整流級電路直流母線側(cè)的正端(P)和負(fù)端(N)相連;Sap和San、Sbt^PSbn、Scp和Scn的連接點分別與三相交流輸入電源的三個輸出端相連。
[0010]進一步的，所述雙向開關(guān)ShS2均由兩個帶反并聯(lián)二極管的IGBT器件共發(fā)射極連接組成。
[0011]進一步的，所述逆變電路為由6個帶反并聯(lián)二極管的IGBT器件構(gòu)成的三相橋式電路。
[0012]本發(fā)明還提出一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器的容錯控制方法，包括步驟:
[0013](I)構(gòu)建上述具有容錯功能的雙級式矩陣變換器；
[0014](2)通過對容錯電路中的兩個雙向開關(guān)S^S2分別進行控制，可以實現(xiàn)雙級式矩陣在故障狀態(tài)下的容錯運行，具體步驟為:
[0015]當(dāng)整流級電路中的各雙向開關(guān)管正常工作時，采取基于輸入電流的空間矢量調(diào)制策略；
[0016]當(dāng)跟整流級電路直流母線側(cè)的正端(P)連接的某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發(fā)生故障的雙向開關(guān)管的驅(qū)動信號切換給S1;當(dāng)故障的雙向開關(guān)管所接的輸入相電壓是整個空間矢量扇區(qū)正向最大時，對該扇區(qū)調(diào)制信號做如下處理-S1恒開通，整流級電路中未發(fā)生故障的兩個下管按照以下方式開通:在該空間矢量扇區(qū)前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關(guān)先開通，另一個雙向開關(guān)管則在該空間矢量扇區(qū)的后半段時間開通;對整流級電路其他扇區(qū)的調(diào)制信號以及逆變級的調(diào)制信號不做處理；
[0017]當(dāng)跟整流級電路直流母線側(cè)的負(fù)端(N)連接的某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發(fā)生故障的雙向開關(guān)管的驅(qū)動信號切換給S2;當(dāng)故障的開關(guān)管所連的輸入相電壓是整個空間矢量扇區(qū)負(fù)向最大時，對該扇區(qū)調(diào)制信號做如下處理:S2恒開通，整流級電路中未發(fā)生故障的兩個上管按照以下方式開通:在該空間矢量扇區(qū)前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關(guān)先開通，另一個雙向開關(guān)管則在該空間矢量扇區(qū)的后半段時間開通;對整流級電路其他扇區(qū)的調(diào)制信號以及逆變級的調(diào)制信號不做處理。
[0018]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0019]I)在現(xiàn)有雙級式矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在三相輸入交流電源中性點引出一個由兩個雙向開關(guān)構(gòu)成的橋臂，該橋臂的引入大大提高了TSMC整流級容錯控制時的靈活度。
[0020]2)容錯控制策略簡單可靠，僅需在TSMC正常工作時所采用的空間矢量調(diào)制策略基礎(chǔ)上對整流級的調(diào)制信號做一些簡單的處理，容錯控制策略易被理解與實現(xiàn)。
[0021]3)當(dāng)TSMC整流級某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障情況時，依然能夠給負(fù)載提供尚質(zhì)量電能，實現(xiàn)容錯運彳丁，提尚了 TSMC的穩(wěn)定性與可靠性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例中具有容錯功能的雙級式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為電流矢量分布圖；
[0024]圖3為實施例中整流級電路輸入電壓區(qū)間劃分圖；
[0025]圖4為實施例所述具有容錯功能的雙級式矩陣變換器在正常工作時驅(qū)動信號仿真波形圖；
[0026]圖5為實施例中，當(dāng)S?損壞，容錯運行狀態(tài)下Sap、SbdPS2的驅(qū)動信號仿真波形圖；
[0027]圖6為實施例中，當(dāng)S?損壞，未采取容錯控制策略時整流級電路直流母線與輸出電壓仿真波形圖；
[0028]圖7為實施例中，當(dāng)S?損壞，采取容錯控制策略時整流級電路直流母線與輸出電壓仿真波形圖；
[0029]圖8為實施例所述具有容錯功能的雙級式矩陣變換器在正常工作時San、
驅(qū)動信號仿真波形圖；
[0030]圖9為實施例中，當(dāng)Sbp損壞，容錯運行狀態(tài)下SanAcJ^S1的驅(qū)動信號仿真波形圖；
[0031]圖10為實施例中，當(dāng)Sbp損壞，未采取容錯控制策略時整流級電路直流母線與輸出電壓仿真波形圖；
[0032]圖11為實施例中，當(dāng)Sbp損壞，采取容錯控制策略時整流級電路直流母線與輸出電壓仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0034]本實施例中的具有容錯功能的雙級式矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，所述雙級式矩陣變換器包括:三相交流輸入電源、整流級電路和逆變級電路;本實施例在所述雙級式矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在三相輸入交流電源中性點引出一個由兩個雙向開關(guān)成的橋臂，該橋臂上下兩端與整流級電路直流母線側(cè)兩端相連。
[0035]所述具有容錯功能的雙級式矩陣變換器在正常工作時采取雙空間矢量調(diào)制策略，Si與S2恒關(guān)斷。圖2是輸入電流矢量分布圖，圖中的電流矩陣Ii?Ivi的第一行表不Sap、Sbp、Scp管的通狀態(tài)，第二行表示SanJbn^n管的通斷狀態(tài)，其中I表示開通，O表示關(guān)斷。圖3是根據(jù)圖2對三相輸入電壓做出的相應(yīng)的區(qū)間劃分圖。
[0036]當(dāng)TSMC整流級電路中的某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障情況時，具體的容錯控制策略如下:
[0037](— )整流級雙向開關(guān)管San、Sbn或者Scn中某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發(fā)生故障的雙向開關(guān)管的驅(qū)動信號切換給S2。當(dāng)故障開關(guān)管所連的輸入相電壓是整個扇區(qū)負(fù)向最大時，對該扇區(qū)調(diào)制信號做如下處理:S2恒開通，整流級電路中未發(fā)生故障的兩個上管按照以下方式開通:在該空間矢量扇區(qū)前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關(guān)先開通，另一個雙向開關(guān)管則在該空間矢量扇區(qū)的后半段時間開通；即利用輸入相電壓來構(gòu)建直流母線電壓，對整流級其他扇區(qū)的調(diào)制信號以及逆變級的調(diào)制信號不做處理。為了不失一般性，下面將以3。?損壞為例，詳細(xì)講述容錯控制具體實現(xiàn)方法。
[0038]當(dāng)檢測到雙向開關(guān)管Scn損壞時，立即將Scn的驅(qū)動信號切換給S2。由圖3可知，在扇區(qū)II，Scn所連的輸入相電壓是整個扇區(qū)負(fù)向最大。當(dāng)TSMC正常工作，參考輸入電流矢量位于扇區(qū)II時，在任意一個調(diào)制周期，Sc^g開通，Sap與％根據(jù)空間矢量算法所得到的占空比各開通一段時間，如圖4所示(注:圖中黑色部分表示開關(guān)管頻繁開啟與關(guān)斷)。當(dāng)S?損壞時，在確保直流母線電壓上正下負(fù)的前提下，為了提高直流母線電壓幅值，對扇區(qū)II的調(diào)制信號做如下處理:對該扇區(qū)內(nèi)的任意一個調(diào)制周期，令S2恒開通，扇區(qū)前半段時間Sap恒開通，扇區(qū)后半段時間Sbp恒開通，如圖5所示(注:圖中黑色部分表示開關(guān)管頻繁開啟與關(guān)斷)。即在扇區(qū)II，Sap與SbpF根據(jù)空間矢量算法進行調(diào)制，此時直流母線電壓Upn在第一個調(diào)制時間段“為^，在第二個調(diào)制時間段t2*ub。
[0039]整流級電路其他五個扇區(qū)與逆變級的調(diào)制信號，按正常工作時空間矢量調(diào)制策略進行調(diào)制，下面將分析TSMC容錯運行時整流級其他扇區(qū)直流母線電壓Upn。
[0040]扇區(qū)IV，V和V1:這三個扇區(qū)所使用的電流矢量不需要使用3。?進行調(diào)制，因此容錯故障運行直流母線申壓與正常工作時候相同。
[0041]扇區(qū)1:由于Scn的驅(qū)動信號切換給了S2，因此在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓Upn分別為線電壓uab和相電壓1^。正常工作狀態(tài)下，在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓分別為線電壓Uab和線電壓Ua。。
[0042]扇區(qū)II1:由于Scn的驅(qū)動信號切換給了S2，因此在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓Upn分別為線電壓UbjP相電壓ub。正常工作狀態(tài)下，在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓分別為線電壓Uba和線電壓Ub。。
[0043]圖6與圖7是相關(guān)仿真波形。
[0044](二)整流級雙向開關(guān)管Sap、SbP或者Scp中某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障
[0045]當(dāng)整流級雙向開關(guān)管Sap、Sbp或者Scp*的某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將故障開關(guān)管驅(qū)動信號切換給31。當(dāng)故障開關(guān)管所接的輸入相電壓是整個扇區(qū)正向最大時，對該扇區(qū)調(diào)制信號做如下處理:S1恒開通，整流級電路中未發(fā)生故障的兩個上管按照以下方式開通:在該空間矢量扇區(qū)前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關(guān)先開通，另一個雙向開關(guān)管則在該空間矢量扇區(qū)的后半段時間開通；即利用輸入相電壓來構(gòu)建直流母線電壓，對整流級其他扇區(qū)的調(diào)制信號以及逆變級的調(diào)制信號不做處理。為了不失一般性，下面將以壞為例，詳細(xì)講述容錯控制具體實現(xiàn)方法。
[0046]當(dāng)檢測開關(guān)管損壞Sbt^，立即將Sbp的驅(qū)動信號切換給S1。由圖3可知，在扇區(qū)III，Sbp所連的輸入相電壓是整個扇區(qū)正向最大。當(dāng)TSMC正常工作，參考輸入電流矢量位于扇區(qū)III時，在任意一個調(diào)制周期，Sbp恒開通，San與S?根據(jù)空間矢量算法所得到的占空比各開通一段時間，如圖8所示(注:圖中黑色部分表示開關(guān)管頻繁開啟與關(guān)斷)。當(dāng)Sbp損壞時，在確保直流母線電壓上正下負(fù)的前提下，為了提高直流母線電壓幅值，對扇區(qū)III的調(diào)制信號做如下處理:對該扇區(qū)內(nèi)的任意一個調(diào)制周期，S1恒開通，扇區(qū)前半段時間:恒開通，扇區(qū)后半段時間San恒開通，如圖9所示(注:圖中黑色部分表示開關(guān)管頻繁開啟與關(guān)斷)。即在扇區(qū)III AASaA根據(jù)空間矢量算法進行調(diào)制，此時直流母線電壓Upn在第一個調(diào)制時間段t3為-U。，在第二個調(diào)制時間段t4為-Ua。
[0047]整流級其他五個扇區(qū)與逆變級的調(diào)制信號，按正常工作時空間矢量調(diào)制策略進行調(diào)制，下面將分析TSMC容錯運行時整流級其他扇區(qū)直流母線電壓Upn。
[0048]扇區(qū)I，V和V1:這三個扇區(qū)所使用的電流矢量不需要使用5如進行調(diào)制，因此容錯故障運行直流母線電壓與正常工作時候相同。
[0049]扇區(qū)I1:由于Sbp的驅(qū)動信號切換給了S1，因此在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓Upn分別為線電壓uac和相電壓-U。。正常工作狀態(tài)下，在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓分別為線電壓Ua。和線電壓Ub。。
[0050]扇區(qū)IV:由于Sbp的驅(qū)動信號切換給了S1，因此在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓Upn分別為線電壓1^和相電壓_Ua。正常工作狀態(tài)下，在任意一個調(diào)制周期，直流母線電壓分別為線電壓Ura和線電壓Uba。
[0051 ]圖10與圖11是相關(guān)仿真波形。
[0052]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器，其特征在于，包括:三相交流輸入電源、整流級電路、逆變電路和容錯電路;所述容錯電路包括兩個串聯(lián)的雙向開關(guān)ShShShS2的連接點與三相交流輸入電源的中性點相連;Si的另一端與整流級電路直流母線側(cè)的正端(P)相連，S2的另一端與整流級電路直流母線側(cè)的負(fù)端(N)相連;所述整流級電路為由6個雙向開關(guān)管Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn構(gòu)成的三相整流電路;其中，Sal^PSan、Sbp和Sbn、Scp和Scn分別串聯(lián)形成三個橋臂，Sap、Sbp、Scp分別為對應(yīng)橋臂的上管，San、Sbn、Scn分別為對應(yīng)橋臂的下管，三個橋臂的上、下管分別與整流級電路直流母線側(cè)的正端(P)和負(fù)端(N)相連;Sap和San、SbjPSbn、Scp和Scn的連接點分別與三相交流輸入電源的三個輸出端相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器，其特征在于，所述雙向開關(guān)S1、S2均由兩個帶反并聯(lián)二極管的IGBT器件共發(fā)射極連接組成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器，其特征在于，所述逆變電路為由6個帶反并聯(lián)二極管的IGBT器件構(gòu)成的三相橋式電路。4.一種具有容錯功能的雙級式矩陣變換器的容錯控制方法，其特征在于，包括步驟: (1)構(gòu)建如權(quán)利要求1至3任意一項所述的具有容錯功能的雙級式矩陣變換器； (2)通過對容錯電路中的兩個雙向開關(guān)S^S2分別進行控制，實現(xiàn)雙級式矩陣在故障狀態(tài)下的容錯運行，具體步驟為: 當(dāng)整流級電路中的各雙向開關(guān)管正常工作時，采取基于輸入電流的空間矢量調(diào)制策略； 當(dāng)跟整流級電路直流母線側(cè)的正端(P)連接的某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發(fā)生故障的雙向開關(guān)管的驅(qū)動信號切換給S1;當(dāng)故障的雙向開關(guān)管所接的輸入相電壓是整個空間矢量扇區(qū)正向最大時，對該扇區(qū)調(diào)制信號做如下處理-S1恒開通，整流級電路中未發(fā)生故障的兩個下管按照以下方式開通:在該空間矢量扇區(qū)前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關(guān)先開通，另一個雙向開關(guān)管則在該空間矢量扇區(qū)的后半段時間開通;對整流級電路其他扇區(qū)的調(diào)制信號以及逆變級的調(diào)制信號不做處理； 當(dāng)跟整流級電路直流母線側(cè)的負(fù)端(N)連接的某個雙向開關(guān)管出現(xiàn)驅(qū)動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發(fā)生故障的雙向開關(guān)管的驅(qū)動信號切換給S2;當(dāng)故障的開關(guān)管所連的輸入相電壓是整個空間矢量扇區(qū)負(fù)向最大時，對該扇區(qū)調(diào)制信號做如下處理:S2恒開通，整流級電路中未發(fā)生故障的兩個上管按照以下方式開通:在該空間矢量扇區(qū)前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關(guān)先開通，另一個雙向開關(guān)管則在該空間矢量扇區(qū)的后半段時間開通;對整流級電路其他扇區(qū)的調(diào)制信號以及逆變級的調(diào)制信號不做處理。
【文檔編號】H02M5/458GK105897005SQ201610356428
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】石寶平, 周波, 秦顯慧, 韓娜, 李業(yè)
【申請人】南京航空航天大學(xué)