具有容错功能的T型三电平逆变器及其容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种具有容错功能的T型三电平逆变器及其容错控制方法，其增设四个容错用功率开关器件和三个容错用双向晶闸管；将a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路中的共十二个功率开关器件分为半桥开关器件和中性点开关器件两大类；采用T型三电平逆变器故障诊断方法，对具有容错功能的T型三电平逆变器进行故障诊断，诊断出是否发生开路故障，在发生开路故障时并识别出开路故障的类型，如果诊断出有发生开路故障，根据开路故障的类型，控制关断发生开路故障的功率开关器件和开通对应的容错用功率开关器件和容错用双向晶闸管，重构电路拓扑；优点是其成本低，且在开路故障的情况下仍然能正常工作，提高了T型三电平逆变器的可靠性。器的可靠性。器的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
具有容错功能的T型三电平逆变器及其容错控制方法


[0001]本专利技术涉及一种逆变器，尤其是涉及一种具有容错功能的T型三电平逆变器及其容错控制方法。

技术介绍

[0002]T型三电平逆变器也称为T型中点钳位三电平逆变器(T
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type neutral
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point
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clamped inverter，TNPC)，其已广泛应用于许多工业场合，例如可再生能源系统、并网系统、牵引逆变器、感应电机控制系统等，其主电路的拓扑结构如图1所示，其包括a相的第1个功率开关器件S
a1
、a相的第2个功率开关器件S
a2
、a相的第3个功率开关器件S
a3
、a相的第4个功率开关器件S
a4
、b相的第1个功率开关器件S
b1
、b相的第2个功率开关器件S
b2
、b相的第3个功率开关器件S
b3
、b相的第4个功率开关器件S
b4
、c相的第1个功率开关器件S
c1
、c相的第2个功率开关器件S
c2
、c相的第3个功率开关器件S
c3
、c相的第4个功率开关器件S
c4
，上述12个功率开关器件均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。T型三电平逆变器由二极管中点钳位(Neutral
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Point Clamped，NPC)逆变器变换而来，相比于NPC逆变器具有更低的导通损耗和更高的效率等优点，相比于传统的两电平逆变器具有输出电压总谐波失真度低、功率密度高、功率开关器件电压应力低等优点。但是，与其他多电平逆变器一样，功率开关器件数量的增加，系统复杂性的提高，导致T型三电平逆变器在运行过程中因过载、温升、不规范操作等原因而出现各种故障的概率有所提高，其中功率开关器件的故障是最常见的一种，由于这些功率开关器件中只要其中一个出现故障，那么整个T型三电平逆变器就会失效甚至引起严重的后果，因此，故障诊断和容错控制对于确保T型三电平逆变器的可靠性变得更加重要。
[0003]目前，国内外针对T型三电平逆变器的容错控制问题已开展了一些研究。例如：Choi U、Blaabjerg F、Lee K等人在IEEE Transactions on Power Electronics(IEEE电力电子汇刊)中提出的Reliability improvement of a T
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type three
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level inverter with fault
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tolerant control strategy(采用容错控制策略的T型三电平逆变器可靠性改进)(2015，30(5)，2660
‑
2673)，其将T型三电平逆变器的故障类型分为半桥开关故障和中性点开关故障两种情况，提出了一种基于更换开关状态或改变开关状态持续时间的容错控制策略。这种容错控制方法的优点是不需要改变原来T型三电平逆变器的主电路的拓扑结构，只需要改变控制策略就可以让T型三电平逆变器在功率开关器件故障状态下继续工作。但是，这种容错控制方法的缺点也非常明显，T型三电平逆变器的主电路无法维持非故障情况下的最大功率输出，只能降低额定功率进行工作。
[0004]又如：Chen J、Chen A、Xing X、Zhang C等人在2017IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(2017年IEEE应用电力电子会议暨展览会)中提出的Fault
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tolerant control strategy for T
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type three
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level inverter with neutral
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point voltage balancing(中点电压平衡T型三电平逆变器容错控制策略)(2017，3420
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3425)，其在检测到T型三电平逆变器中的功率开关器件发生故障时，由于某些
电压矢量因为故障原因不能获得，该策略利用能获得的电压矢量进行重新组合，使得输出波形不再发生畸变，而且其在重新组合电压矢量时还考虑了电容中点电压平衡的问题。这种容错控制方法的缺点是容错后输出的电压波形电平数下降了，线电压由原来的五电平变成了三电平，导致输出电压的谐波有所增加。
[0005]再如：Xu S、Zhang J、Hang J等人在IEEE Transactions on Industry Applications(IEEE工业应用汇刊)提出的Investigation of a fault
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tolerant three
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level T
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type inverter system(T型三电平逆变器系统故障容错研究)(2017，53(5)，4613
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4623)，其在原来T型三电平逆变器的三个半桥桥臂的基础上，增加一个额外的半桥，当检测到有半桥桥臂发生功率开关器件故障时，额外增加的半桥用来代替故障的半桥桥臂，同时在主电路中也增加了一些快速熔断器用来阻断发生故障的半桥桥臂。这种容错控制方法的优点是可以在容错情况下满额输出原来的额定功率，但是这种容错控制方法使用了数量较多的额外器件，包括6个晶闸管、2个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及8个快速熔断器。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有容错功能的T型三电平逆变器及其容错控制方法，其成本低，且在开路故障的情况下仍然能正常工作，提高了T型三电平逆变器的可靠性。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有容错功能的T型三电平逆变器，包括a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路和两个分压电容，每相所述的桥臂电路由四个功率开关器件、一个电阻和一个电感组成，十二个所述的功率开关器件均为自带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：还包括容错单元，所述的容错单元由四个容错用功率开关器件和三个容错用双向晶闸管组成，所述的容错用功率开关器件为自带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，第1个所述的容错用功率开关器件的集电极与第1个所述的分压电容的正端连接，第1个所述的容错用功率开关器件的发射极分别与第1个所述的容错用双向晶闸管的第二阳极、第2个所述的容错用双向晶闸管的第二阳极、第3个所述的容错用双向晶闸管的第二阳极、第3个所述的容错用功率开关器件的集电极、第4个所述的容错用功率开关器件的集电极连接，第1个所述的容错用双向晶闸管的第一阳极与a相的桥臂中点连接，第2个所述的容错用双向晶闸管的第一阳极与b相的桥臂中点连接，第3个所述的容错用双向晶闸管的第一阳极与c相的桥臂中点连接，第2个所述的容错用功率开关器件的集电极与两个所述的分压电容的直流电压中点连接，第2个所述的容错用功率开关器件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有容错功能的T型三电平逆变器，包括a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路和两个分压电容，每相所述的桥臂电路由四个功率开关器件、一个电阻和一个电感组成，十二个所述的功率开关器件均为自带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：还包括容错单元，所述的容错单元由四个容错用功率开关器件和三个容错用双向晶闸管组成，所述的容错用功率开关器件为自带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，第1个所述的容错用功率开关器件的集电极与第1个所述的分压电容的正端连接，第1个所述的容错用功率开关器件的发射极分别与第1个所述的容错用双向晶闸管的第二阳极、第2个所述的容错用双向晶闸管的第二阳极、第3个所述的容错用双向晶闸管的第二阳极、第3个所述的容错用功率开关器件的集电极、第4个所述的容错用功率开关器件的集电极连接，第1个所述的容错用双向晶闸管的第一阳极与a相的桥臂中点连接，第2个所述的容错用双向晶闸管的第一阳极与b相的桥臂中点连接，第3个所述的容错用双向晶闸管的第一阳极与c相的桥臂中点连接，第2个所述的容错用功率开关器件的集电极与两个所述的分压电容的直流电压中点连接，第2个所述的容错用功率开关器件的发射极与第3个所述的容错用功率开关器件的发射极连接，第4个所述的容错用功率开关器件的发射极与第2个所述的分压电容的负端连接，四个所述的容错用功率开关器件各自的门极和三个所述的容错用双向晶闸管各自的门极用于接入驱动信号。2.根据权利要求1所述的具有容错功能的T型三电平逆变器，其特征在于每相所述的桥臂电路中的第1个所述的功率开关器件的集电极与第1个所述的分压电容的正端连接，每相所述的桥臂电路中的第1个所述的功率开关器件的发射极分别与对应一相所述的桥臂电路中的第3个所述的功率开关器件的集电极、第4个所述的功率开关器件的集电极和所述的电阻的一端连接，且公共连接端为对应一相的桥臂中点，每相所述的桥臂电路中的第2个所述的功率开关器件的集电极分别与第1个所述的分压电容的负端和第2个所述的分压电容的正端连接，第1个所述的分压电容的负端和第2个所述的分压电容的正端连接的公共连接端为两个所述的分压电容的直流电压中点，每相所述的桥臂电路中的第2个所述的功率开关器件的发射极与对应一相所述的桥臂电路中的第3个所述的功率开关器件的发射极连接，每相所述的桥臂电路中的第4个所述的功率开关器件的发射极与第2个所述的分压电容的负端连接，每相所述的桥臂电路中的所述的电阻的另一端与对应一相所述的桥臂电路中的所述的电感的一端连接，三相所述的桥臂电路各自中的所述的电感的另一端连接在一起，每相所述的桥臂电路中的四个所述的功率开关器件各自的门极用于接入驱动信号。3.一种具有容错功能的T型三电平逆变器的容错控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：搭建具有容错功能的T型三电平逆变器，其包括a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路、两个分压电容及容错单元，每相桥臂电路由四个功率开关器件、一个电阻和一个电感组成，四个功率开关器件均为自带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，每相桥臂电路中的第1个功率开关器件的集电极与第1个分压电容的正端连接，每相桥臂电路中的第1个功率开关器件的发射极分别与对应一相桥臂电路中的第3个功率开关器件的集电极、第4个功率开关器件的集电极和电阻的一端连接，且公共连接端为对应一相的桥臂中点，每相桥臂电路中的第2个功率开关器件的集电极分别与第1个分压电容的负端和第2个分压电容的正端连接，第1个分压电容的负端和第2个分压电容的正端连接的公共连接端为两个分压电容的直流电压中点，每相桥臂电路中的第2个功率开关器件的发射极与对应一相桥臂电
路中的第3个功率开关器件的发射极连接，每相桥臂电路中的第4个功率开关器件的发射极与第2个分压电容的负端连接，每相桥臂电路中的电阻的另一端与对应一相桥臂电路中的电感的一端连接，三相桥臂电路各自中的电感的另一端连接在一起，每相桥臂电路中的四个功率开关器件各自的门极用于接入驱动信号，容错单元由四个容错用功率开关器件和三个容错用双向晶闸管组成，容错用功率开关器件为自带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，第1个容错用功率开关器件的集电极与第1个分压电容的正端连接，第1个容错用功率开关器件的发射极分别与第1个容错用双向晶闸管的第二阳极、第2个容错用双向晶闸管的第二阳极、第3个容错用双向晶闸管的第二阳极、第3个容错用功率开关器件的集电极、第4个容错用功率开关器件的集电极连接，第1个容错用双向晶闸管的第一阳极与a相的桥臂中点连接，第2个容错用双向晶闸管的第一阳极与b相的桥臂中点连接，第3个容错用双向晶闸管的第一阳极与c相的桥臂中点连接，第2个容错用功率开关器件的集电极与两个分压电容的直流电压中点连接，第2个容错用功率开关器件的发射极与第3个容错用功率开关器件的发射极连接，第4个容错用功率开关器件的发射极与第2个分压电容的负端连接，四个容错用功率开关器件各自的门极和三个容错用双向晶闸管各自的门极用于接入驱动信号；步骤2：在具有容错功能的T型三电平逆变器中，将a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路中的共十二个功率开关器件分为半桥开关器件和中性点开关器件两大类，半桥开关器件包含有a相桥臂电路中的第1个功率开关器件和第4个功率开关器件、b相桥臂电路中的第1个功率开关器件和第4个功率开关器件、c相桥臂电路中的第1个功率开关器件和第4个功率开关器件，中性点开关器件包含有a相桥臂电路中的第2个功率开关器件和第3个功率开关器件、b相桥臂电路中的第2个功率开关器件和第3个功率开关器件、c相桥臂电路中的第2个功率开关器件和第3个功率开关器件；并设定该具有容错功能的T型三电平逆变器能正常工作或已加入单个半桥开关器件开路故障或单个中性点开关器件开路故障或a相桥臂电路中的四个功率开关器件全部开路故障或b相桥臂电路中的四个功率开关器件全部开路故障或c相桥臂电路中的四个功率开关器件全部开路故障；步骤3：控制a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路中的共十二个功率开关器件按照a相桥臂电路、b相桥臂电路、c相桥臂电路原先的控制策略进行开通和关断运行，而容错单元中的四个容错用功率开关器件和三个容错用双向晶闸管全部关断；然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丹江，郑李园，柳玉甜，陈军敢，
申请(专利权)人：浙江万里学院，
类型：发明
国别省市：