[發明專利]一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法

有效

• 申請號: 201210129793.8
• 申請日: 2012-04-19
• 公開（公告）號: CN103378759B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 馬文忠
• 申請（專利權）人: 馬文忠;李耀榮;張偉
• 主分類號: H02M7/487
• 分類號: H02M7/487
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法。

背景技術

大功率的變換可以通過多種途徑實現，多電平逆變器因其具有一系列的優點，成為大功率高壓變換領域的研究熱點。二極管中點箝位型(NPC)三電平逆變器由于其拓撲結構和控制方法都比較成熟，成為多電平高壓大功率逆變器研究的重點方向。與傳統的兩電平逆變器拓撲結構相比，二極管中點箝位式三電平逆變器的優點主要有：

(1)平均每個主開關管器件承受的正向阻斷電壓為直流側母線電壓一半；

(2)可以大大的減少諧波，降低開關頻率，減小系統損耗，如要達到相同的輸出性能指標并以開關頻率來衡量，三電平是兩電平開關頻率的1/5，其電壓上升率(dv/dt)是兩電平逆變器的1/2，電流上升率(di/dt)也伴隨著減少，可大大降低對電機的絕緣性能的損害，增長電機的工作壽命；

(3)由于增加了電平數，相對降低了每個電平的幅值，減少了電壓的變化，主電路含有的電流脈動成分減小，同時也降低了電磁噪聲和轉矩脈動；

(4)若三電平逆變器連接三相對稱的星形負載且中點懸空，負載中就不會產生3的倍數次的諧波電流。

盡管NPC三電平逆變器具有以上眾多優點，然而它也具有系統結構復雜、所需電力電子器件過多等缺點。結構的復雜和器件的增多相應地造成了多電平逆變器運行故障率的增大，不僅增加了逆變器的運行和維護成本，而且降低了其驅動的整個系統的工作可靠性，嚴重影響了生產的質量和安全。在電力、交通、航天、軍工、礦山等領域，對于設備連續可靠運行方面的要求極高，因此，對提高多電平逆變器可靠性的研究具有重要的實際意義和經濟價值。

目前，提高多電平逆變器的可靠性主要是通過以下方法：

1、逆變器的并聯運行

采用兩個或多個逆變器并聯運行，不僅可以有效增加系統的可靠性，并且可以增大逆變器的容量，減小輸出電流諧波。但這種方法造成系統的結構非常復雜，控制比較困難，并且存在環流和均流問題，實際應用范圍較小。

2、逆變器采用模塊化結構

逆變器的每個橋臂都采用模塊化設計，每個模塊都設計成方便拆卸和安裝的形式，當逆變器的某一器件發生故障時，直接更換故障器件所在的整個橋臂模塊，在最短的時間內恢復逆變系統的運行。此方法盡管有效地縮短了系統的故障時間，但一旦發生故障仍必須緊急停機，不能考慮所驅動設備的實際運行要求，并且要預留充足的備用模塊。

3、逆變器硬件拓撲采用冗余結構

借鑒目前電力電子領域正在研究的三相四橋臂逆變器拓撲結構，系統另外設計附加的一個橋臂。當逆變器的某一器件發生故障時，控制系統通過附加的橋臂繼續維持系統的運行，直到設備允許停機時維修損壞器件。此方法可以做到系統的連續穩定運行，但代價是系統的結構更加復雜，系統的硬件成本增大，控制方法也復雜。

以上方法都是從系統的硬件及拓撲結構方面出發提高逆變器的運行可靠性，沒有充分利用多電平逆變器本身具有的軟件控制方法上的冗余特性。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法，利用NPC三電平逆變器空間電壓矢量的冗余特性，通過軟件方法實現NPC三電平逆變器故障情況下的繼續運行，在不增加系統硬件成本的基礎上有效地提高系統的可靠性。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法，它包括以下步驟：

A、實時對NPC三電平逆變器進行器件故障檢測，確定故障的位置以及故障類型；

B、根據故障位置和故障類型確定故障狀態下損失的空間電壓矢量，繪出故障狀態的空間電壓矢量分布圖；

C、根據重新繪出的空間電壓矢量分布圖，分析該故障狀態下NPC三電平逆變器是否能夠繼續運行，即是否還能合成旋轉參考空間電壓矢量；

D、根據重新繪出的空間電壓矢量分布圖，分析該種故障狀態下NPC三電平逆變器是否能夠原級運行，即計算可合成的旋轉參考空間電壓矢量的范圍，是否依然能夠形成長電壓矢量構成的正六邊形內切圓；

E、對于能夠繼續運行的故障狀態(包括正常運行和降級運行)，根據重新繪出的空間電壓矢量分布圖，重新選擇合成矢量，并計算各矢量的作用時間，對各矢量切換順序進行優化，形成新的冗余控制脈沖序列。