一種三電平四橋臂t型容錯變流器及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多電平變流器和容錯技術領域，具體涉及一種三電平四橋臂T型容錯 變流器及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 變流器是用于實現直流到交流或者交流到直流電能轉換的電子電子裝置，按照直 流側電源性質的不同，變流器可以分為電壓源型變流器和電流源型變流器。傳統的兩電平 變流器通常應用于低壓小功率的用電領域。未來電力電子技術研宄的目標為高功率密度、 高效率、高性能。在實現大功率變換的解決方案中，多電平電壓源型變流器因其控制方式多 樣、輸出波形諧波畸變率低、功率器件電壓應力低、逆變效率高等良好的特性已成為高壓大 功率應用的熱點，例如高壓電機變頻調速、柔性交流輸電、高壓直流輸電、統一電能質量調 節器等領域。實際場合中應用較多的是三電平變流器技術，國內外學者對三電平變流器已 經有了一些研宄成果，也發現了其中存在的一些問題。目前，廣泛應用的多電平變流器類型 有二極管中點箝位型、飛跨電容箝位型和級聯型等。三電平T型變流器是三電平二極管箝 位型變流器的改進拓撲，其控制方法和三電平二極管箝位型變流器類似。三電平T型變流 器融合了兩電平和三電平變流器的優勢，既有兩電平變流器導通損耗低，器件數目少的優 點，又有三電平變流器輸出波形好，效率高的優點，是很有發展前景的一種三電平變流器拓 撲。
[0003] 采用容錯技術是提高變流器系統可靠性的主要途徑之一。但受當前電力電子技術 水平整體限制，變流器系統的可靠性要遠低于機電裝置的其他部分。因此，在航空航天、電 力系統和軍事裝備等對設備連續運行要求比較高的場合，提高變流器系統的可靠性顯得尤 為重要。多電平變流器的功率器件數量隨著變流器電平數的增加而增加，這一方面大大增 加了多電平變流器發生故障的概率。
【發明內容】
[0004] 發明目的：為了克服現有技術的不足，本發明提供三電平四橋臂T型容錯變流器 及其控制方法，通過采用冗余設計的變流器，提高了系統性能，解決三電平T型變流器中功 率開關管發生開路或短路故障導致系統故障或停機；同時解決了電網電壓畸變、負載突變、 三相電流畸變等引起變流器直流母線中點電壓大幅波動現象。
[0005] 技術方案：一種三電平四橋臂T型容錯變流器，其特征在于，包括直流輸入電路、 三電平T型變流器、故障隔離電路、冗余橋臂、容錯橋、直流母線中點電壓控制電路和交流 輸出電路；
[0006] 冗余橋臂與三電平T型變流器并聯后接至直流輸入電路的兩端；冗余橋臂中點通 過容錯橋接至交流輸出電路的一端；直流母線中點電壓控制電路一端接至冗余橋臂，另一 端接至直流輸入電路的中點；故障隔離電路接至三電平T型變流器；交流輸出電路一端接 至三電平T型變流器，另一端與負載或電網連接；
[0007] 三電平T型變流器包括中點箝位型橋臂和兩電平橋臂沖點箝位型橋臂一端連接 至兩電平橋臂的中點，另一端連接至直流輸入電路的中點；
[0008] 冗余橋臂包括兩個快速熔斷器、冗余橋臂功率開關管；
[0009] 直流母線中點電壓控制電路包括儲能電感和繼電器開關；
[0010] 交流輸出電路包括三相LC濾波回路，用于濾除變流器功率開關管導通和關斷過 程的高頻開關毛刺和高次諧波電流分量。
[0011] 進一步的，故障隔離電路包括下橋臂功率開關管、上橋臂功率開關管、上輔助電 容、下輔助電容、上晶閘管、下晶閘管、上橋臂快速熔斷器和下橋臂快速熔斷器；其中電源正 極接入上輔助電容和上橋臂快速熔斷器，經過上輔助電容的一路接入上晶閘管陽極，并由 上晶閘管陰極接入下橋臂快速熔斷器進口端；經過上橋臂快速熔斷器的一路分為兩個支 路，該兩個支路一路通過上橋臂功率開關管后接入下橋臂功率開關管，另一路接入下晶閘 管陽極；下橋臂功率開關管接入下橋臂快速熔斷器的進口端；而下晶閘管陰極通過下輔助 電容接入電源負極；下橋臂快速熔斷器的出口端接入電源負極。
[0012] 進一步的，容錯橋包括兩組雙向可控常開晶閘管，具體為冗余-故障晶閘管和中 點-輸出晶閘管；所述冗余-輸出晶閘管將冗余橋臂連接入交流輸出電路；所述中點-輸出 晶閘管將中點箝位型橋臂連接入交流輸出電路；
[0013] 進一步的，冗余橋臂電路中，快速熔斷器包括上快速熔斷器和下快速熔斷器；冗余 橋臂功率開關管包括上冗余橋臂功率開關管和下冗余橋臂功率開關管；
[0014] 電源正極通過上快速熔斷器接入上冗余橋臂功率開關管；通過該開關管的電路分 為兩路，一路接入容錯橋和直流母線中點電壓控制電路，另一路依次通過下冗余橋臂功率 開關管和下快速熔斷器后接入電源負極。
[0015] -種三電平四橋臂T型容錯變流器的控制方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟：
[0016] 步驟1正常運行步驟：容錯橋的兩組雙向可控晶閘管均處于關斷狀態，冗余橋臂 處于隔離狀態，繼電器開關處于打開狀態，此時直流母線中點電壓控制電路不工作；
[0017] 步驟2容錯運行步驟：當檢測到其中一相兩電平橋臂的功率開關管發生開路或短 路故障時，首先利用該相的故障隔離電路將故障橋臂隔離，同時觸發雙向可控晶閘管Txl和 Tx2導通，從而使冗余橋臂代替故障橋臂運行于三電平狀態；x=a，b，c，當故障相為A相時， 導通Tal和Ta2;當故障相為B相時，導通Tbl和Tb2;當故障相為C相時，導通T。:和T。2;
[0018] 步驟3直流母線中點電壓不平衡控制步驟：當直流母線中點電壓大幅波動時，閉 合繼電器開關，同時控制冗余橋臂中的上冗余橋臂功率開關管或下冗余橋臂功率開關管導 通，通過儲能電感注入電流來快速調節中點電壓。
[0019] 進一步的，步驟3具體為：當上電解電容的電位高于下電解電容的電位，且其電位 差達到設定的閥值時，控制冗余橋臂的上冗余橋臂功率開關管導通，經儲能電感形成Boost 電路，使直流源向下電解電容充電；電感電流上升到給定值時，閉合上冗余橋臂功率開關 管，儲能電感通過下冗余橋臂功率開關管的反并聯二極管續流，將儲存的電能傳遞給下電 解電容，使得下電解電容電位升高，因為直流母線電壓保持不變，從而上電解電容的電位下 降。
[0020] 有益效果：
[0021] 本發明針對電能轉換系統中變流器部分可靠性較低的問題，公開的三電平四橋臂 T型容錯變流器及控制方法，采用冗余設計，有效解決了三電平T型變流器存在的兩個關鍵 性問題：
[0022] (1)電網電壓畸變、負載突變、三相電流畸變等引起變流器直流母線中點電壓大幅 波動現象；
[0023] (2)變流器中功率開關管發生開路或短路故障導致系統故障或停機。
[0024] 正常運行狀態下，當檢測到直流母線中點電位發生波動并達到設定的閥值時，利 用冗余橋臂向直流母線中點注入電感電流，可以控制中點電壓的平衡，而不需要復雜的調 制算法。
[0025] 故障運行狀態下，該容錯變流器不僅可以容錯開關管的開路、短路故障，還可以容 錯橋臂的開路和短路故障，故障重構后變流器仍可運行于三電平狀態，而且輸出功率和直 流電壓利用率不會降低。該三電平四橋臂T型容錯變流器可以應用于交流電機驅動系統或 者并網發電系統，使系統具有較好的容錯運行功能。
【附圖說明】
[0026] 圖1為容錯變流器框圖；
[0027] 圖2為容錯變流器結構示意圖；
[0028] 圖3為基本三電平T型變流器拓撲結構示意圖；
[0029] 圖4為中點電壓平衡控制流程圖；
[0030] 圖5為系統工作控制流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0032] 如圖1所示，一種三電平四橋臂T型容錯變流器，其特征在于，包括直流輸入電路 1、三電平T型變流器2、故障隔離電路3、冗余橋臂4、容錯橋5