【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及多并联变流器，具体涉及一种基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构。
技术介绍
1、低速大转矩直驱装置不间断连续运行能力，是工业生产对其大规模推广的基本要求和现实需求。例如，为保证煤炭生产的不间断，矿用刮板输送机必须具备较高的可靠性和较强的故障容错运行能力。低速大转矩直驱装置的可靠性由电气设备与机械设备共同决定。其中，在电气方面，多并联变流器是较为薄弱的一环。因此，多并联变流器的高可靠运行，是低速大转矩直驱装置成功推广的重要保证。工业现场统计表明，功率半导体开关器件是变流器中最为脆弱的部件，变流器大部分故障均与半导体器件故障相关。通常，变流器故障容错研究分为故障诊断、故障拓扑重构以及容错控制算法三个方面，这三个方面研究相互衔接，缺一不可。同时，后两个方面又互为补充。然而，现有文献仅关注故障诊断这一方面的研究，缺乏对故障拓扑重构以及容错控制的研究。对于故障后的多并联变流器，通常通过切除故障源所在的单台变流器进行降额运行。
2、然而，在一些重要生产工况中，降额运行将会引发设备的二次故障。例如，采煤机与矿用刮板输送机额定功率是相互匹配的，当刮板机降额运行后，负载的容量(原煤与矸石)将大于刮板机的输出功率，这将导致电机转速下降，造成原煤和矸石挤压，极易造成安全事故。同时，极端情况下将造成电机堵转，毁坏残余的功率半导体器件，引发传动装置的二次故障。相比于其他大功率拓扑中大量的故障容错研究，国内外学术界对于多并联变流器的故障拓扑重构以及容错控制方面的研究尚属空白。同时，由于拓扑和运行特性不同，其他大功率
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，将开路故障对多并联变流器系统的影响降低到最小，实现故障容错功能，提高多并联变流器系统的可靠性。
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：
3、一种基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，包括直流电源、三相交流电源或三相负载电阻、三相滤波电感和三相并联支路，每相并联支路包括n个并联桥臂和n个并联滤波电感，每相还包括基于冗余单元和冗余二极管的冗余模块，冗余模块基于igbt和二极管的组合，冗余模块通过冗余二极管连接对应相并联支路的交流输出侧，正常运行时，冗余模块始终处于关断状态未接入并联支路，在并联桥臂中的igbt(开关管)或二极管发生开路故障时，冗余模块通过冗余二极管自动接入并联支路，代替故障桥臂的故障元件，保证多并联变流器正常工作。
4、进一步地，每相冗余模块含有上管冗余模块和下管冗余模块，上管冗余模块包括上管冗余单元和上管冗余二极管，下管冗余模块包括下管冗余单元和下管冗余二极管，上管冗余模块用于实现并联桥臂中上管igbt故障和下管二极管故障的备用，下管冗余模块用于实现并联桥臂中下管igbt故障和上管二极管故障的备用。
5、进一步地，上管冗余单元和下管冗余单元均与所有并联桥臂并联，上管冗余单元的igbt发射极通过上管冗余二极管连接并联支路的交流输出侧，下管冗余单元的igbt集电极通过下管冗余二极管连接并联支路的交流输出侧。
6、进一步地，x相的上管冗余模块包括p个上管冗余单元以及pz(pz≥p)个上管冗余二极管，冗余接入方案为，第1个上管冗余单元的igbt发射极连接p1(p1≥1)个上管冗余二极管的阳极，其阴极接入x相p1个不同并联桥臂，第k(1＜k＜p)个上管冗余单元的igbt发射极连接pk(1≤pk≤n)个上管冗余二极管的阳极，其阴极接入x相pk个不同并联桥臂，以此类推，第p个上管冗余单元的igbt发射极连接pp(1≤pp≤n)个上管冗余二极管的阳极，其阴极接入x相pp个不同并联桥臂，该方案实现了单相1～max(p,n)个并联桥臂上管igbt故障或下管二极管故障的备用，参数满足由于并联桥臂为n个，基于排列组合，冗余组合方案数量为
7、进一步地，x相的下管冗余模块包括q个下管冗余单元以及qz(qz≥q)个下管冗余二极管，冗余接入方案为，第1个下管冗余单元的igbt集电极连接q1(n≥q1≥1)个下管冗余二极管的阴极，其阳极接入x相q1个不同并联桥臂，第k(1＜k＜q)个下管冗余单元的igbt集电极连接qk(1≤qk≤n)个下管冗余二极管的阴极，其阳极接入x相qk个不同并联桥臂，以此类推，第q个下管冗余单元的igbt集电极连接qq(1≤qq≤n)个下管冗余二极管的阴极，其阳极接入x相qq个不同并联桥臂，该方案实现了单相1～max(q,n)个并联桥臂下管igbt故障或上管二极管故障的备用，参数满足由于并联桥臂为n个，基于排列组合，冗余组合方案数量为
8、所提硬件冗余方案，无需额外控制电路，同时，针对种类繁多的故障类型，所提硬件冗余方案可通过冗余模块和冗余二极管自适应重构硬件资源。
9、进一步地，上管冗余单元包括4种基本拓扑结构：
10、拓扑结构1只含1个igbt，拓扑结构2包括1个igbt和1个二极管，igbt的发射极和二极管的阳极连接，igbt的集电极和二极管的阴极连接，拓扑结构3包括1个igbt和1个二极管串联，igbt的发射极与二极管的阴极连接，拓扑结构4包括1个igbt和两个二极管，在拓扑结构2的基础上串联1个二极管，igbt的发射极与串联二极管的阴极连接。
11、拓扑结构1和拓扑结构2中igbt的集电极直接或通过小阻抗元件间接连接直流母线正极，igbt的发射极连接上管冗余二极管的阳极，上管冗余二极管的阴极连接正常并联桥臂交流输出侧，拓扑结构1和拓扑结构2可以实现上管igbt开路故障后的拓扑自适应重构；拓扑结构3和拓扑结构4中igbt的集电极直接或通过小阻抗元件间接连接直流母线正极，igbt的发射极连接上管冗余二极管的阳极，上管冗余二极管的阴极连接正常并联桥臂交流输出侧，串联二极管的阳极连接直流母线负极，拓扑结构3和拓扑结构4可以实现上管igbt和下管二极管开路故障后的拓扑自适应重构。
12、进一步地，下管冗余单元包括4种基本拓扑结构：
13、拓扑结构5只含1个igbt，拓扑结构6包括1个igbt和1个二极管，igbt的发射极和二极管的阳极连接，igbt的集电极和二极管的阴极连接，拓扑结构7包括1个igbt和1个二极管，igbt的集电极与二极管的阳极连接，拓扑结构8包括1个igbt和两个二极管，在拓扑结构6的基础上串联1个二极管，igbt的集电极与串联二极管的阳极连接。
14、拓扑结构5和拓扑结构6的igbt发射极直接或通过小阻抗元件间接连接直流母线负极，igbt的集电极连接下管冗余二极管的阴极，下管冗余二极管的阳极连接正常并联桥臂交流输出侧，可以实现下管igbt开路故障后的拓扑自适应重构；拓扑结构7和拓本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，包括直流电源、三相交流电源或三相负载电阻、三相滤波电感和三相并联支路，每相并联支路包括n个并联桥臂和n个并联滤波电感，其特征在于：每相还包括基于冗余单元和冗余二极管的冗余模块，所述冗余单元基于IGBT和二极管的组合，冗余单元通过冗余二极管连接同相并联桥臂的交流输出侧，正常运行时，冗余模块始终处于关断状态未接入并联支路，当并联桥臂中的IGBT或二极管发生开路故障时，冗余单元通过冗余二极管自动接入故障支路，代替故障支路的故障元件，使多并联变流器正常工作。
2.根据权利要求1所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述冗余模块的控制具体为：
3.根据权利要求1或2任一所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述冗余模块包括上管冗余模块和下管冗余模块，上管冗余模块用于实现并联桥臂上管IGBT故障和下管二极管故障的备用，所述下管冗余模块用于实现并联桥臂下管IGBT故障和上管二极管故障的备用。
4.根据权利要求3所述的基于冗余单元的
5.根据权利要求4所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，对于p个上管冗余单元，第k个上管冗余单元的IGBT发射极连接pk个上管冗余二极管的阳极，其阴极接入pk个不同并联桥臂的交流输出侧，实现单相1～max(p,n)个并联桥臂上管IGBT故障或下管二极管故障的备用，其中，1≤k≤p，1≤pk≤n，由于并联桥臂为n个，基于排列组合，得到冗余组合方案数量为
6.根据权利要求4所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，对于q个下管冗余单元，第k个下管冗余单元的IGBT集电极连接qk个下管冗余二极管的阴极，其阳极接入qk个不同并联桥臂的交流输出侧，实现单相1～max(q,n)个并联桥臂中下管IGBT故障或上管二极管故障的备用，其中，1≤k≤q，1≤qk≤n，由于并联桥臂为n个，基于排列组合，得到冗余组合方案数量为
7.根据权利要求4所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，n个并联桥臂的所有上管IGBT同时故障时，上管冗余单元数取p≥n，上管冗余二极管数pz可取范围为[p,pn]；n个并联桥臂的所有下管IGBT同时故障时，下管冗余单元数取q≥n，下管冗余二极管数qz可取范围为[q,qn]。
8.根据权利要求4所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述上管冗余单元包括四种结构，第一种结构仅包括1个IGBT，第二种结构包括1个IGBT和1个二极管，IGBT的发射极和二极管的阳极连接，IGBT的集电极和二极管的阴极连接，第三种结构包括串联的1个IGBT和1个二极管，IGBT的发射极与二极管的阴极连接，第四种结构包括1个IGBT和两个二极管，在第二种结构的基础上串联1个二极管，IGBT的发射极与串联二极管的阴极连接；
9.根据权利要求4所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述下管冗余单元包括四种结构，第一种结构为1个IGBT，第二种结构包括1个IGBT和1个二极管，IGBT的发射极和二极管的阳极连接，IGBT的集电极和二极管的阴极连接；第三种结构包括串联的1个IGBT和1个二极管，IGBT的集电极与二极管的阳极连接，第四种结构包括1个IGBT和两个二极管，即在第二种结构的基础上串联1个二极管，IGBT的集电极与串联二极管的阳极连接；
10.根据权利要求9所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述冗余模块的控制具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，包括直流电源、三相交流电源或三相负载电阻、三相滤波电感和三相并联支路，每相并联支路包括n个并联桥臂和n个并联滤波电感，其特征在于：每相还包括基于冗余单元和冗余二极管的冗余模块，所述冗余单元基于igbt和二极管的组合，冗余单元通过冗余二极管连接同相并联桥臂的交流输出侧，正常运行时，冗余模块始终处于关断状态未接入并联支路，当并联桥臂中的igbt或二极管发生开路故障时，冗余单元通过冗余二极管自动接入故障支路，代替故障支路的故障元件，使多并联变流器正常工作。
2.根据权利要求1所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述冗余模块的控制具体为：
3.根据权利要求1或2任一所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述冗余模块包括上管冗余模块和下管冗余模块，上管冗余模块用于实现并联桥臂上管igbt故障和下管二极管故障的备用，所述下管冗余模块用于实现并联桥臂下管igbt故障和上管二极管故障的备用。
4.根据权利要求3所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，所述上管冗余模块包括p个上管冗余单元和pz个上管冗余二极管，下管冗余模块包括q个下管冗余单元以及qz个下管冗余二极管，上管冗余单元和下管冗余单元均与并联桥臂并联，上管冗余单元的igbt发射极通过上管冗余二极管连接并联桥臂的交流输出侧，下管冗余单元的igbt集电极通过下管冗余二极管连接并联桥臂的交流输出侧。
5.根据权利要求4所述的基于冗余单元的三相多并联变流器自适应故障容错拓扑结构，其特征在于，对于p个上管冗余单元，第k个上管冗余单元的igbt发射极连接pk个上管冗余二极管的阳极，其阴极接入pk个不同并联桥臂的交流输出侧，实现单相1～max(p,n)个并联桥臂上管igbt故障或下管二极管故障的备用，其中，1≤k≤p，1≤pk≤n，由于并联桥臂为n个，基于排列组合，得到冗余组合方案数量为
6.根据权利...
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