全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器整流級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種矩陣變換器的容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，特別是涉及一種全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器在整流級(jí)發(fā)生開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障時(shí)的容錯(cuò)控制技術(shù)，屬于電力電子技術(shù)和控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，基于矩陣變換器(matrix converter，MC)的概念發(fā)展而來(lái)的雙級(jí)式矩陣變換器(two stage matrix converter，TSMC)，獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛而持續(xù)的關(guān)注和研究，具有結(jié)構(gòu)緊湊、開(kāi)關(guān)損耗低、功率密度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。TSMC具有分立的整流級(jí)和逆變級(jí)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)MC相比，還具有換流簡(jiǎn)單，整流級(jí)可實(shí)現(xiàn)零電流換流等優(yōu)勢(shì)。
[0003]TSMC的兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一共需要12個(gè)開(kāi)關(guān)單元，這些開(kāi)關(guān)器件可由單向開(kāi)關(guān)或雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成。現(xiàn)有研究文獻(xiàn)中，對(duì)開(kāi)關(guān)管的單向和雙向型式有很多種選擇方案:有全部采用單向開(kāi)關(guān)的，這種結(jié)構(gòu)在一定條件下能夠提供正弦的輸出電壓和正弦的輸入電流，但當(dāng)負(fù)載條件超過(guò)一定范圍時(shí)，該拓?fù)洳荒苷＿\(yùn)行，且能量無(wú)法雙向流動(dòng)；有的逆變級(jí)采用單向開(kāi)關(guān)管，整流級(jí)采用雙向開(kāi)關(guān)管，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，輸出電壓和輸入電流都能保持正弦，實(shí)際所需開(kāi)關(guān)管數(shù)量為18個(gè)，比較適中，是目前研究最多的方案；若TSMC的整流級(jí)和逆變級(jí)均采用雙向開(kāi)關(guān)，可稱(chēng)之為“全雙向開(kāi)關(guān)型”雙級(jí)矩陣變換器，實(shí)際需要24個(gè)開(kāi)關(guān)管，數(shù)量較多，而且若維持直流母線電壓正負(fù)方向不變，則逆變級(jí)采用雙向開(kāi)關(guān)就顯得多余，因此這種方案鮮少受到關(guān)注和研究。
[0004]隨著技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備的安全性能越來(lái)越受到關(guān)注，當(dāng)電能變換器中的部分開(kāi)關(guān)管或其它元器件發(fā)生故障時(shí)，維持系統(tǒng)整體的繼續(xù)帶故障運(yùn)行，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。而全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)多出的6個(gè)開(kāi)關(guān)管，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)形成熱備份，在變換器整流級(jí)或逆變級(jí)的單個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)管發(fā)生故障時(shí)，起到代償作用，維持系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行。但由于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)正常運(yùn)行需求來(lái)說(shuō)，顯得有些“冗余”，故尚未獲得應(yīng)有的重視和研究。本發(fā)明基于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)整流級(jí)開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障的情況，提出了一種容錯(cuò)控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器整流級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法，基于全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)整流級(jí)開(kāi)關(guān)管發(fā)生故障的情況，以適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)整變換器的控制方式，使整體系統(tǒng)在容忍局部故障的情況下繼續(xù)維持整體系統(tǒng)的運(yùn)行。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的主功率電路由整流級(jí)、直流母線和逆變級(jí)依次連接而成。其中，輸入三相用a、b、c表示，輸出三相用u、v、w表示；直流母線的兩極分別記為m極和η極，其正負(fù)方向可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要進(jìn)行調(diào)整；整流級(jí)是由6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)單元所組成的三相橋式電路，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)可采用共射極或共集電極反向串聯(lián)的2個(gè)IGBT構(gòu)成，整流級(jí)6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)單元可用符號(hào)SyQ = a，b，c ； j = m，n)表示，意即聯(lián)接輸入i相與直流j極的雙向開(kāi)關(guān)單元；逆變級(jí)也是由6個(gè)雙向開(kāi)關(guān)單元所組成的三相橋式電路，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)亦可采用共射極或共集電極反向串聯(lián)的2個(gè)IGBT構(gòu)成，逆變級(jí)12個(gè)單向開(kāi)關(guān)管可用符號(hào)=m，η ;1 = u，V，w ;k = 1，2)表示，意即聯(lián)接直流j極與輸出1相的雙向開(kāi)關(guān)單元中第k個(gè)單向IGBT開(kāi)關(guān)管，并將“集電極一射極”方向與“m極一η極”方向一致的IGBT的編號(hào)設(shè)定為k = 1，相反的設(shè)定為k = 2。
[0008]對(duì)矩陣變換器采用整流級(jí)無(wú)零矢量的雙空間矢量法進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)所有開(kāi)關(guān)管都能正常工作時(shí)，設(shè)定直流母線的m為正極，η為負(fù)極，令逆變級(jí)編號(hào)k = 2的6個(gè)開(kāi)關(guān)管保持導(dǎo)通狀態(tài)；整流級(jí)6個(gè)開(kāi)關(guān)單元和逆變級(jí)編號(hào)為1的6個(gè)開(kāi)關(guān)管根據(jù)雙空間矢量法經(jīng)典公式所計(jì)算得到的占空比進(jìn)行調(diào)制。由于采用整流級(jí)無(wú)零矢量的方式，因此，和Sni(i = a，b，c)中有且僅有一個(gè)占空比為零。
[0009]—種全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器整流級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法，當(dāng)整流級(jí)的某個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，首先將發(fā)生局部故障的開(kāi)關(guān)管所在雙向開(kāi)關(guān)單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖，保持關(guān)斷狀態(tài)；然后，根據(jù)故障類(lèi)型，全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器可調(diào)整驅(qū)動(dòng)方式，維持整體的容錯(cuò)運(yùn)行。本發(fā)明主要針對(duì)整流級(jí)開(kāi)關(guān)管的以下兩種故障類(lèi)型，提出相應(yīng)的容錯(cuò)控制方法:
[0010]1)單個(gè)雙向開(kāi)關(guān)單元故障
[0011]不失一般性，設(shè)發(fā)生開(kāi)路故障并被從電路中隔離。在運(yùn)行過(guò)程中的某個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，若按照正常調(diào)制方式時(shí)sm的占空比為零，則繼續(xù)按照正常方式對(duì)全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器進(jìn)行調(diào)制；若按照正常調(diào)制方式時(shí)SmJ]占空比大于零，對(duì)應(yīng)此時(shí)SJ勺占空比一定為零，則在這整個(gè)調(diào)制周期內(nèi)將直流母線電壓設(shè)定的正負(fù)方向?qū)φ{(diào)，彌補(bǔ)SmJ]開(kāi)路故障。調(diào)整后整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)單元S?b和S ?。的占空比分別等于調(diào)整前s na、snb和s n。的占空比，而調(diào)整后的sna、Snb和S n。的占空比等于調(diào)整前Sm、S?^P S?J勺占空比。特別地，調(diào)整后的占空比為零，將其切除對(duì)輸出電壓和輸入電流的調(diào)制無(wú)影響。同時(shí)令逆變級(jí)編號(hào)k=1的6個(gè)開(kāi)關(guān)管切換為全部開(kāi)通的狀態(tài)，逆變級(jí)編號(hào)k = 2的6個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行斬波調(diào)制，調(diào)整后sun2、Svn2、Swn2、Sm2、S-和s _2的占空比分別等于調(diào)整前S _、sMl、s^、sunl、svnl和s wnl的占空比。
[0012]2)同時(shí)有兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)單元故障，且位于不同輸入相連接直流母線不同極的位置
[0013]不失一般性，設(shè)Sm和Snb發(fā)生開(kāi)路故障并被從電路中隔離。在運(yùn)行過(guò)程中的每個(gè)調(diào)制周期開(kāi)始時(shí)刻之前，需提前判斷:若按照正常調(diào)制方式，該周期內(nèi)調(diào)制過(guò)程所需的兩個(gè)整流級(jí)空間矢量是否需要開(kāi)通或S nb，根據(jù)判斷結(jié)果，可分為三種情形:
[0014]2.1)兩個(gè)整流級(jí)空間矢量中，Sm和S nb都不需要開(kāi)通
[0015]在該調(diào)制周期內(nèi)繼續(xù)采用正常調(diào)制方式，即設(shè)定m為正極，η為負(fù)極，逆變級(jí)編號(hào)k=2的6個(gè)開(kāi)關(guān)管保持導(dǎo)通狀態(tài)；整流級(jí)6個(gè)開(kāi)關(guān)單元和逆變級(jí)編號(hào)為1的6個(gè)開(kāi)關(guān)管根據(jù)雙空間矢量法經(jīng)典公式所計(jì)算得到的占空比進(jìn)行調(diào)制。
[0016]2.2)兩個(gè)整流級(jí)空間矢量均需要Sm或S &的其中之一或全部開(kāi)通
[0017]顯然，在該調(diào)制周期內(nèi)Sm或Snb的占空比大于零，相應(yīng)的Sna或的占空比為零。在整個(gè)調(diào)制周期內(nèi)對(duì)調(diào)直流母線m和η的極性，即設(shè)定m為負(fù)極，η為正極。調(diào)整后整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)單元Sm、S^PSj勺占空比分別等于調(diào)整前Sna、SnjPSn。的占空比，而調(diào)整后的Sna、Snb和S n。的占空比等于調(diào)整前S Μ、和S ?。的占空比，特別地，調(diào)整后S m和S &的占空比均為零，將它們切除對(duì)輸出電壓和輸入電流的調(diào)制無(wú)影響；逆變級(jí)編號(hào)編號(hào)k= 1的6個(gè)開(kāi)關(guān)管切換為全部開(kāi)通的狀態(tài)，逆變級(jí)編號(hào)k = 2的6個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行斬波調(diào)制，調(diào)整后Sun2、Svn2、Swn2、Sm2、S-和S _2的占空比分別等于調(diào)整前S unil、SMl、S^、Sunl、Svnl和S wnl的占空比。
[0018]2.3)有且僅有一個(gè)整流級(jí)空間矢量需要Sm或S &的其中之一或全部開(kāi)通
[0019]在無(wú)需故障開(kāi)關(guān)單元開(kāi)通的空間矢量作用區(qū)間，仍按照正常方式對(duì)整流級(jí)和逆變級(jí)進(jìn)行調(diào)制；在調(diào)制周期內(nèi)整流級(jí)空間矢量切換的同時(shí)對(duì)調(diào)直流母線m和η的極性，從而在需要故障開(kāi)關(guān)單元開(kāi)通的空間矢量作用區(qū)間內(nèi)，按照m為負(fù)極、η為正極的方式對(duì)整流級(jí)和逆變級(jí)進(jìn)行調(diào)制。
[0020]全雙向開(kāi)關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器在容錯(cuò)運(yùn)行模式下，需要在正常調(diào)制方式和容錯(cuò)調(diào)制方式之間來(lái)回切換，安全可靠的切換過(guò)程是容錯(cuò)運(yùn)行成功的關(guān)鍵。為此，本發(fā)明提出了下述調(diào)制方式的切換步驟:
[0021]為保證調(diào)制方式切換的安全性，只在逆變級(jí)為零矢量的狀態(tài)下進(jìn)行切換。以如下情形為例:切換前