一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法及系统，属于电力电子应用技术领域；多电平变换器包括：左桥臂、右桥臂、系统负载Z以及滤波电感L

【技术实现步骤摘要】
一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法及系统


[0001]本专利技术属于电力电子应用
，具体涉及一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法及系统。

技术介绍

[0002]分布式发电技术采用传统的输、配、储能技术不能很好地解决因其间歇性、分散性以及工作的不稳定性等特征而带来的问题。面对这一困难，多电平变换器凭借效率高、工作效能优良而成为电力电子技术在这一实际应用场景中的优质方案。
[0003]多电平电力电子变换器因为其优良的工作性能，包括控制方式灵活、能够适应不同的工作场景、输出电压具有较高的等效开关频率以及较低的波形畸变等，在众多领域中得到广泛的应用，尤其是光伏以及风电等新能源领域中具有极大的发展前景。多电平电力电子变换器具有众多拓扑结构，主要有飞跨电容型多电平变换器、二极管钳位型多电平变换器、级联H桥型多电平变换器和模块化多电平变换器；模块化多电平变换器因此模块的可延展性以及灵活的工作特性而受到广泛关注，并基于此技术衍生出众多改进结构，微型模块化储能变换器就是其中一种改进的多电平变换器结构，相较于传统的模块化多电平变换器在对直流电源的要求、经济成本以及故障检测难易度等方面存在显著优势。在系统储能容量、输出功率和输出电压等级保持一致的情况下，微型模块化储能变换器拓扑中所需的开关管数量仅为传统多电平变换器中所需数量的一半，同时将高压直流电流用多个较低电压的储能电池替代，降低对直流电源电压、容量的需求，可以显著提高系统的运行安全性。此外，由于每个子模块均有电池，可以很方便地根据子模块的输出状态判断故障发生的类型，更快定位故障发生的具体位置。同时，由于改进拓扑不再具有高压直流侧，可以实现更为灵活的控制及故障诊断、容错运行策略。
[0004]但是在多电平变换器的实际应用场景中，大多数情况下很难在短时间内实现故障子模块的更换，但是当系统持续运行在开路或短路故障状态下，系统输出波形发生畸变，影响输出端负载的电能质量。如何通过控制在尽可能不增加冗余设备的情况下恢复系统输出以应对系统不中断的运行，是当前仍然存在的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法及系统。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法，其中多电平变换器包括：左桥臂、右桥臂、系统负载Z以及滤波电感L
f
，左桥臂和右桥臂的两端分别通过系统负载Z和滤波电感L
f
串联连接；左桥臂和右桥臂均由多个半桥子模块串联连接，所述方法包括以下步骤：
[0008]确定故障发生位置以及故障类型；
[0009]根据故障类型锁定故障子模块输出信号，实时判断系统输出状态是否正常，当系
统输出异常时，搜索故障侧桥臂空闲子模块替代输出，若无空闲子模块，搜索对称桥臂子模块进行补偿输出；
[0010]通过修改搜索得到的可用于校正的空闲子模块和对称桥臂子模块的控制信号，实现容错控制。
[0011]进一步地，所述半桥子模块包括：开关管S1、开关管S2、储能电池E以及滤波电容C；开关管S1和开关管S2串联组成的结构与储能电池E和滤波电容C并联连接，将开关管S2两端电压作为子模块输出电压。
[0012]进一步地，所述开关管S1和开关管S2控制信号互补导通；当开关管S1导通，开关管S2关断时，子模块输出电压为高电平；当开关管S1关断，开关管S2导通时，子模块输出电压为低电平。
[0013]进一步地，所述故障类型包括开路故障和短路故障。
[0014]进一步地，当检测到左桥臂中半桥子模块的开关管S1处出现开路故障时；此时将故障子模块的驱动信号锁定，给开关管S2始终保持为1的驱动信号，使其一直处于导通状态，此时故障子模块输出锁定为低电平；同时，当故障子模块的开关管S2正常驱动信号应为0时，在左桥臂中搜索正常驱动信号应为1的健康子模块替代输出，或在右桥臂中搜索正常驱动信号应为1的健康子模块补偿输出。
[0015]进一步地，当检测到左桥臂中半桥子模块的开关管S1处出现短路故障时，此时将故障子模块的驱动信号锁定，给S2开关管始终保持为0的驱动信号，使其一直处于关断状态，此时故障子模块输出锁定为高电平；同时，当故障子模块的S2正常驱动信号应为1时，在左桥臂中搜索正常驱动信号应为0的健康子模块，替代其输出，或在右桥臂中搜索正常驱动信号应为0的健康子模块补偿输出。
[0016]进一步地，修改搜索得到的可用于校正的空闲子模块和对称桥臂子模块的控制信号的步骤包括：
[0017]S31，监测故障子模块控制，若故障子模块输出与正常状态下一致，无需动作；
[0018]S32，若故障子模块输出状态与正常状态下不一致，根据故障类型、位置以及搜索得到的子模块的位置的不同，对相应子模块的控制信号进行修改；
[0019]S33，将修改的控制信号分发给对应子模块实现容错控制。
[0020]一种多电平变换器子模块开关管的容错运行系统，包括：
[0021]故障确定模块：确定故障发生位置以及故障类型；
[0022]补偿模块：根据故障类型锁定故障子模块输出信号，实时判断系统输出状态是否正常，当系统输出异常时，搜索故障侧桥臂空闲子模块替代输出，若无空闲子模块，搜索对称桥臂子模块进行补偿输出；
[0023]以及，容错控制模块：通过修改搜索得到的可用于校正的空闲子模块和对称桥臂子模块的控制信号，实现容错控制。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]1、基于故障诊断得到的故障位置和状态信息，针对故障类型锁定故障子模块输出，同时对健康子模块开关管的控制信号进行修正实现替代或补偿输出，使得系统能够在故障状态下正常输出；
[0026]2、本专利技术所提出的故障容错控制方法，在储能子模块故障诊断完成后短时间即可
实现对系统输出的校正，对于单个或少量故障子模块均可实现容错运行，且对于发生开路故障和短路故障的子模块均可实现补偿输出，应用范围广泛。同时在无故障状态下无需冗余模块，极大提高了多电平变换器运行的经济性和安全性。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1是本专利技术的多电平变换器电路拓扑结构图；
[0029]图2是本专利技术的容错运行方法流程图；
[0030]图3是包含开路故障及容错运行状态下多电平变换器输出电压波形图；
[0031]图4是包含短路故障及容错运行状态下多电平变换器输出电压波形图；
[0032]图5为系统按图3中各阶段运行下输出电压的频谱；
[0033]图6为系统按图4中各阶段运行下输出电压的频谱；
[0034]图中：1.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法，其中多电平变换器包括：左桥臂、右桥臂、系统负载Z以及滤波电感L
f
，左桥臂和右桥臂的两端分别通过系统负载Z和滤波电感L
f
串联连接；左桥臂和右桥臂均由多个半桥子模块串联连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤：确定故障发生位置以及故障类型；根据故障类型锁定故障子模块输出信号，实时判断系统输出状态是否正常，当系统输出异常时，搜索故障侧桥臂空闲子模块替代输出，若无空闲子模块，搜索对称桥臂子模块进行补偿输出；通过修改搜索得到的可用于校正的空闲子模块和对称桥臂子模块的控制信号，实现容错控制。2.根据权利要求1所述的一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法，其特征在于，所述半桥子模块包括：开关管S1、开关管S2、储能电池E以及滤波电容C；开关管S1和开关管S2串联组成的结构与储能电池E和滤波电容C并联连接，将开关管S2两端电压作为子模块输出电压。3.根据权利要求2所述的一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法，其特征在于，所述开关管S1和开关管S2控制信号互补导通；当开关管S1导通，开关管S2关断时，子模块输出电压为高电平；当开关管S1关断，开关管S2导通时，子模块输出电压为低电平。4.根据权利要求2所述的一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法，其特征在于，所述故障类型包括开路故障和短路故障。5.根据权利要求4所述的一种多电平变换器子模块开关管的容错运行方法，其特征在于，当检测到左桥臂中半桥子模块的开关管S1处出现开路故障时；此时将故障子模块的驱动信号锁定，给开关管S2始终保持为1的驱动信号，使其一直处于导通状态，此时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青松，薛宏伟，邓富金，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：