一種共母線雙端級聯式五電平逆變器的容錯調制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種逆變器容錯調制方法，特別涉及一種共母線雙端級聯式五電平逆 變器的容錯調制方法。
【背景技術】
[0002] 雙端三相開繞組電機具有輸出電壓等級高，輸出電平數較多，以及容錯能力強等 優點，是一種很有應用前景的拓撲，而容錯能力在提升機、鐵路牽引、船舶驅動等關鍵傳動 場合非常重要。目前，國內外對開繞組電機雙端級聯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，雙端級聯式變換器采用共母線結構時存在較大的零序電壓，零序電壓會造成很大的環 流，引起負載電流畸變。
[0003] 現有技術中，有提及對共母線雙端級聯式三電平逆變器處于開關器件觸發丟失故 障時的容錯控制進行了較深研究，文中提出"機會狀態"的概念，即由于電機電感儲能產生 的額外瞬時狀態，據此實現了系統最多6個開關器件觸發丟失時的容錯運行；也有采用基 于參考電壓分解的簡化SVPffM方法，對獨立母線結構的雙端級聯式五電平逆變器進行調 制，提出一種五電平SVPffM容錯調制方法，在故障時切除一側逆變器，使用單側逆變器驅動 開繞組電機，不能實現兩臺逆變器故障時的容錯運行，同時，開關切換復雜。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種設計合理，避免對 電機造成損壞，提高輸出電壓電壓電流波形質量的共母線雙端級聯式五電平逆變器的容錯 調制方法。
[0005] 本發明所要解決的技術問題是通過以下的技術方案來實現的，本發明是一種共母 線雙端級聯式五電平逆變器的容錯調制方法，其特點是，其步驟為，
[0006] (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式五電平拓撲；
[0007] (2)為了保證共母線雙端級聯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器件發生短路故障時，逆變器最大輸出電壓下降為原來的一半，使 用共母線雙端級聯式五電平拓撲的內六邊形可用開關狀態合成參考電壓矢量；
[0008] (3)根據零共模電壓矢量分布特點，將傳統坐標軸逆時針旋轉π/6得到新坐標 軸，傳統坐標系下逆變器的參考電壓矢量，經旋轉變換后，得到新坐標系下逆變器的參考電 壓矢量；
[0009] (4)對新坐標系下逆變器的參考電壓矢量標么化后，獲得標么化坐標，對標么化坐 標上下取整和比較，得到距離標么化坐標最近的3個電壓矢量，即為3個合成電壓矢量，根 據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；
[0010] (5)根據步驟⑷所選定的3個合成電壓矢量，加入平衡因子，調整步驟（4)得到 的3個合成電壓矢量的作用時間，實現中點電位平衡；
[0011] (6)根據步驟（4)得到的3個合成電壓矢量及步驟（5)調整得到的作用時間，兼顧 逆變器自身狀態控制要求，確定與合成電壓矢量相對應的輸出開關狀態及作用順序，實現 逆變器故障后的容錯運行。
[0012] 本發明所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現，其步驟 為，
[0013] (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式五電平拓撲；
[0014] (2)為了保證共母線雙端級聯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器件發生短路故障時，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式五電平拓撲的內六邊形可用開關狀態合成參考電壓矢量；
[0015] (3)根據零共模電壓矢量分布特點，在傳統60°坐標軸基礎上逆時針旋轉31/6， 所得新60°坐標軸為g'、h'，設參考電壓矢量V raf在α-β坐標系下的坐標為（Va，Ve)， 在g' -h'坐標系下的坐標為（Vg,，Vh,)，兩種坐標系的變換公式為
[0017] (4)設標幺化后的參考電壓矢量Vraf坐標，即標幺化坐標為（VlV，Viv )，對其上下 取整，獲得距離標么化坐標最近的4個電壓矢量，
[0020] 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， [0021] 最近的4個電壓矢量構成一個平行四邊形，且被Vul和V lu形成的對角線平分，V ul 和Vlu總是距離最近的兩個矢量，第3個矢量必然在V uu和V n之中，由于第3個矢量和參考 電壓矢量處于對角線同一側，該對角線在新60°坐標系下的方程為
[0022] ceil(vrg- )+floor (vrh- ) = g+h
[0023] 故可由如下方式判斷：
[0024] 當 Vrg，+Vrh，-ceil (vrg, )-floor (vrh, )< 0 時，V11 是第 3 個距離最近的電壓矢量； 當Vrg，+Viv -ceil (vrg, )-floor (Viv )彡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；
[0025] 當3個合成電壓矢量確定，根據占空比的定義，3個合成電壓矢量對應的占空比可 由如下方程求出：
[0026] Vref= ((I1Vufd2V1Jd3Vuuai))
[0027] 山+(12+(13= 1 (4-3)
[0028] 當第3個矢量為Vuu，可得：
[0029] (I1= ceil (V rh< )-Vrh-
[0030] d2= ceil (v rg- )-vrg- (4-4)
[0031] 當第3個矢量為Vn，可得：
[0032] (I1= v rh- -floor (vrh-)
[0033] d2= v rg- -floor (vrg- ) (4-5)
[0034] d3= I-d i~d2 (4-6)
[0035] 式中，Cl1、(12和d 3分別為V ul、Vlu和V uu (V11)的占空比；
[0036] (5)設三個合成電壓矢量為Z、E和F，根據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I nTjP T 3，令矢量E為首發矢量，各矢量按照五段 式放置，
[0038] 逆變器中各開關狀態對應的中點電流從左到右分別為iM1、iM2、i]?、i_M4和i 1?，引入 平衡控制因子f，令矢量E的兩個冗余開關狀態"000, 0+-"和"0-+，000"作用時間分別為
[0039] t_，0+ = (l+f)lV2
[0040] t〇 +,〇〇〇= (l_f) T i/2 (4-7)
[0041] 若一個開關周期內直流側電荷總電荷為零，可以實現中點電位平衡，即：
[0042] Q+ Δ Q = 〇 (4-8)
[0043] +
[0044] 可知，直流側中點電位平衡因子為
[0045] f = [-C (Uci-Uc2) _(iM2+iM4)T2-iM3T3]/I miT1 (4-9)
[0046] 將平衡因子f代入合成電壓矢量的作用時間后，實現直流側中點電位平衡；
[0047] (6)根據步驟（4)得到的3個合成電壓矢量及步驟（5)調整得到的作用時間，兼顧 逆變器自身狀態控制要求，確定與合成電壓矢量相對應的輸出開關狀態及作用順序，實現 逆變器故障后的容錯運行。
[0048] 與現有技術相比，本發明基于雙端級聯式五電平逆變器的高容錯特性，當逆變器 中的某個開關器件出現故障時，通過重新選擇電壓矢量實現逆變器的容錯運行；使用零共 模電壓矢量進行調制，完全消除系統零序電壓和共模電壓，使系統中的兩臺逆變器能夠在 一套直流母線下運行，降低設備成本和體積；本發明針對雙端級聯式系統提出一種優化的 60°調制方法，利用坐標系的旋轉和標幺化，有效簡化五電平調制方法，減少系統控制的硬 件需求；利用平衡因子f，在保證容錯控制的前提下，實現中點電位平衡。
【附圖說明