一种三相桥式PWM整流器开关管开路故障容错控制方法

摘要

本发明公开了一种三相桥式PWM整流器开关管开路故障容错控制方法，属于三相交直流变换领域。本发明为解决现有容错控制方案存在的多管故障容错控制不完善、硬件成本高等问题。所述方法利用三相桥式PWM整流器中任一开关管开路故障时局部的空间电压矢量出现变化这一特征，通过修正PWM开关模式，即重新选择基本电压矢量并调整其作用顺序和时间，重新合成以恢复或接近原旋转参考电压矢量，维持系统正常运行，实现容错控制运行。本发明公开的方法，对于三相桥式PWM整流器中单个和多个开关管同时开路故障情况，均能实现有效容错控制运行，仅需要软件算法，简单易于实现，无需增加额外的硬件成本。

说明书

技术领域

本发明公开了一种用于三相桥式PWM整流器的开关管开路故障容错控制方法，属于三相交直流变换 领域。

背景技术

相比于传统的不控整流或相控整流方案，三相桥式PWM整流器具有直流电压可控、可实现单位功率 因数、网侧电流谐波小以及能量可以双向流动等优点，在中、大功率场合得到了广泛应用。而PWM整流 器中，因功率开关器件耐压、耐流及耐冲击等能力的限制或控制不当导致的故障时有发生，严重影响着系 统的运行可靠性。调查显示，约38％的功率变换系统故障是由于功率开关器件失效引起，主要包括短路故 障和开路故障。前者会在瞬间造成大的危害，需借助硬件保护快速动作；后者不会导致系统关机，但会引 起网侧电流畸变、直流侧电压脉动等，变换器长期工作在异常状态，可能引起二次故障。因此在故障隔离 后，需实施适当的拓扑重构和容错控制算法，以保证系统不中断运行，并尽可能恢复故障前的性能，即实 现系统的容错运行。因此，解决好整流器的容错控制问题成为保证系统连续、稳定运行的关键。

近年来，对功率变换器的容错控制研究集中于三相电机驱动器(三相桥式逆变器)，并已形成较完整的 理论体系。“桥臂冗余拓扑”通过控制连接在故障桥臂和冗余桥臂间的双向晶闸管，可实现故障桥臂的隔 离和切换。此方法重构的拓扑与正常下相同，控制策略无需调整，但增加了系统成本。为了克服这一缺点， “开关冗余拓扑”用串联的两电容代替冗余桥臂，使故障后的拓扑变为三相四开关结构，此方法的缺点是 直流电压利用率降低一半。“三相四桥臂容错拓扑”通过控制连接在交流侧中点和冗余桥臂间的双向晶闸 管，使故障后系统工作在两相三桥臂模式，其缺点是故障相缺失功率。“两相四开关拓扑”用串联的两电 容代替三相四桥臂拓扑中的冗余桥臂，通过控制连接在交流侧中点和电容桥臂间的双向晶闸管，使故障后 系统工作在两相四开关模式，其缺点是直流电压利用率降低一半，且故障相缺失功率。以上4种方法均属 于硬件拓扑与软件容错结合型方案，需增加硬件成本。这一类方法同样适用于整流器情况，但三相整流器 由于续流二极管的存在，开关管开路故障所在相电流不会像逆变器一样出现半周期完全缺失现象，故可采 用较为经济的软件容错型方案进行控制。有方案提出了三相三电平整流器的容错控制方法，通过修正开关 模式，对参考电压矢量实现修正，实现整流器的容错运行，无需额外元件。上述方法均只考虑单个开关管 开路故障模式，当发生多管故障时容错控制无效。从可靠性角度考虑，只研究单管故障情况不够全面，有 必要对多管同时开路故障下的容错方法进行研究。

综上所述，现有文献对三相桥式PWM整流器开关管开路故障提出的容错控制方法，从实现多管开路 故障容错、无需硬件成本、实现算法简单等多方面评估还有许多不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提出一种用于三相桥式PWM整流器的开关 管开路故障容错控制方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于修正PWM开关模式的三相桥式PWM整流器开关管开路故障容错控制方法，包括如下步骤：

步骤1，根据检测到的开路故障的信息，按表1确定受故障影响的扇区。

步骤2，采集三相网侧电流i_a、i_b、i_c，经坐标变换确定扇区，进行正常的SVPWM操作。

步骤3，对所述步骤1中确定的受故障影响扇区，重新选择基本电压矢量并调整其作用顺序和时间， 修正PWM开关模式。

步骤4，用修正后的空间电压矢量对应的开关信号驱动相应的开关管。

表1任一开关管开路故障对应的受影响扇区

根据权利要求1所述的三相桥式PWM整流器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤 3具体包括如下步骤：

步骤3-1，按表2确定开关管开路故障后故障零矢量和有效矢量的变化情况。

表2任一开关管开路故障前后基本电压矢量变化情况

步骤3-2，在单管故障情况下，对于矢量变化仅受零矢量影响的扇区(表1中灰色区域)，采用不连续 PWM技术，移除故障零矢量，用可用的零矢量代替以实现完全补偿；对于受零矢量和一个有效矢量共同 影响的扇区(表1中半阴影区域)，用可用的零矢量代替故障零矢量，并讲故障的有效矢量的作用时间的一 般加到有用的零矢量上，即采用矢量映射的方法，将原参考矢量正交映射到可用的有效矢量上，实现部分 补偿。故障电压矢量由(1)修正为(2)：

$V_f=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\alpha V}}_n+{\mathrm{\beta V}}_{n+1}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}^{\mathrm{fault}},n=F-1,F\\ (\alpha +\beta )V_{\mathrm{active}}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}^{\mathrm{fault}},n=F-2,F+1\end{array}\right)---\left(1\right)$

$V_c=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\alpha V}}_n+{\mathrm{\beta V}}_{n+1}+2{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}},n=F-1,F\\ (\alpha /2+\beta )V_{\mathrm{active}}+{(\alpha /2+2\gamma )V}_{\mathrm{zero}},n=F-2,F+1\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中：V_zero和分别为正常情况下和开路故障后错误的零矢量，V_active为故障后可以使用的有效矢量，V_n和V_n+1则为有效矢量。

当n＝7时，用n＝1代替；n＝-1时，用n＝5代替；n＝0时，用n＝6代替。

步骤3-3，对于多管(2个开关管)故障情况中受多管故障共同影响的区域，若同一桥臂的两个开关管同 时发生故障，可采用如步骤3-2的单管故障容错控制方法；若三个桥臂上管的两个或下管的两个同时发生故 障，采用如步骤3-2中的部分补偿的方法；若三个上管中的一个和三个下管中的一个同时发生故障，无需进 行补偿。

本发明采用上述技术方案，可以满足三相桥式PWM整流器单个开关管开路，或多个开关管同时开路故 障的情况下，进行容错控制运行的需要。该方案基于DSP编程，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成 本。能较好地改善故障情况下的三相电流平衡度，减小直流侧电压纹波，提升系统性能和可靠性。

附图说明

图1为本发明所述三相桥式PWM整流器主电路拓扑示意图；

图2为本发明所述三相桥式PWM整流器及其故障容错控制方法控制框图

图3为本发明所述三相桥式PWM整流器正常情况下的三相电流波形及αβ两相静止坐标系中的基本 空间电压矢量图；

图4为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障前后扇区III和扇区II电压矢量合成图；

图5为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁和S₃同时开路故障前后扇区V电压矢量合成图；

图6为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后电压矢量合成图；

图7为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后扇区III开关模式图；

图8为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后扇区II开关模式图；

图9为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后αβ坐标系下的电流矢量轨迹图。

图中标号说明：S₁～S₆为第一至第六开关管，D₁～D₆为第一至第六续流二极管，L为三相滤波电感，C_f为直流侧滤波电容，R_L为直流负载。i_d、i_d^*为有功电流给定和反馈，i_q和i_q^*为无功电流给定和反馈，e_d、 e_q为电网电压d轴和q轴分量。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明所述三相桥式PWM整流器主电路拓扑示意图。第一至第六开关管S₁～S₆为a、b、c三 相桥臂功率管，D₁～D₆为第一至第六续流二极管，L为三相滤波电感，C_f为直流侧滤波电容，R_L为直流负 载，e_a、e_b、e_c为三相电网电压，i_a、i_b、i_c为三相网侧电流，参考方向如图，U_dc为直流侧输出电压，O 为交流侧中点，N为直流侧负极。

图2为本发明所述三相桥式PWM整流器系统及其故障容错控制方法的控制框图。所基于的系统包括 连接电网与直流侧负载间的三相PWM整流器拓扑单元以及与整流器拓扑单元相连接的控制单元。其中， 整流器控制单元包括实现直流侧输出稳压的电压环、网侧电流控制的电流环、与电流环连接的SVPWM单 元以及与SVPWM单元相连的容错控制单元。当有故障信息输入时，SVPWM单元的输出经过容错控制单 元，即修正PWM开关模式后输入驱动整流器的开关管。

图3为所述三相桥式PWM整流器正常情况下的三相电流波形及αβ两相静止坐标系中的基本空间电 压矢量图。整流器正常工作时，假设三相网侧电流波形谐波很小，电流波形如图3(a)所示，一个基波周期 内，电流可以分为12个区域(图3(a)中Z₁～Z₁₂)。假设功率因数为1，三相电流与三相电网电压相位相同。

整流器在αβ两相静止坐标系中的基本空间电压矢量如图3(b)所示，其中V₁～V₆是有效空间电压矢量， 幅值均为2U_dc/3，互差60°，V₀和V₇是零矢量。

正常时，参考电压矢量的表达式如下：

$\left(\begin{array}{c}{V}^{*}={\mathrm{\alpha V}}_n+{\mathrm{\beta V}}_{n+1}+{\mathrm{\gamma V}}_0+{\mathrm{\gamma V}}_7\\ (\alpha =\frac{T_1}{T_s},\beta =\frac{T_2}{T_s},\gamma =\frac{T_0/2}{T_s})\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：T_s是开关周期，T₁和T₂是有效矢量作用时间，T₀是零矢量作用时间，n是空间矢量所在扇区序 号。

V^*为PI电流调节器的输出电压，正常情况下，旋转方向是逆时针，其顶点轨迹为一个圆。

图4为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障前后扇区III和扇区II电压矢量合成图。以A相桥臂上 管S₁为例，分析单管开路故障后三相PWM整流器的SVPWM工作情况。S₁开路故障后整流器A相电流i_a负半 周畸变明显，只在特定区域有电流。当i_a＜0时，续流二极管D₁不可能导通，而S₁由于开路故障也不可能导 通，因此零矢量V₇(111)将变化为有效矢量V₄(011)，同时有效矢量V₂(110)将变为V₃(010)，而有效矢量V₆(101) 将变为V₅(001)。i_a＜0的扇区为扇区III、扇区IV，和扇区II、扇区V的部分(即图3(a)中的Z₄～Z₉)。在扇区III(Z₅、 Z₆)中，正常情况下电压矢量由有效矢量V₃、V₄和零矢量V₀、V₇合成。而开关管S₁开路故障导致零矢量V₇发 生变化，故障电压矢量可表示为

$V_{\mathrm{fault}1}^{S_1}={\mathrm{\alpha V}}_3+{\mathrm{\beta V}}_4+{\mathrm{\gamma V}}_0+{\mathrm{\gamma V}}_4---\left(2\right)$

该扇区矢量故障后的变化仅受零矢量的影响。图4(a)所示为故障前后扇区III电压矢量合成图(虚线表示 的矢量为故障后的电压矢量，下同)。扇区II中Z₄的情况与扇区III有所不同，此扇区内正常情况下电压矢量 由有效矢量V₂、V₃和零矢量V₀、V₇合成。S₁开路故障时，零矢量V₇和有效矢量V₂均发生变化，故障电压矢 量可表示为

$V_{\mathrm{fault}2}^{S_1}={\mathrm{\alpha V}}_3+{\mathrm{\beta V}}_4+{\mathrm{\gamma V}}_0+{\mathrm{\gamma V}}_4---\left(3\right)$

该扇区矢量故障后的变化受零矢量和一个有效矢量共同影响。图4(b)所示为故障前后扇区II电压矢量合 成图，电压矢量从扇区II偏移到了扇区III内。

定义F为故障序号，如S₁开路故障的错误零矢量为V₄，故S₁的F为4。考虑任意开关管的开路故障前后基 本电压矢量的变化情况如表1所示。式(2)和(3)可以表示成适用于S₁～S₆的通式：

$V_f=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\alpha V}}_n+{\mathrm{\beta V}}_{n+1}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}^{\mathrm{fault}},n=F-1,F\\ (\alpha +\beta )V_{\mathrm{active}}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}+{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}}^{\mathrm{fault}},n=F-2,F+1\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中：V_zero和分别为正常情况下和开路故障后错误的零矢量，V_active为故障后可以使用的有效矢量， V_n和V_n+1则为有效矢量。

当n＝7时，用n＝1代替；n＝-1时，用n＝5代替；n＝0时，用n＝6代替。如果三相PWM整流器任意 一个开关管发生开路故障，可根据式(4)和表1得出单管开路故障电压矢量的所有表达式。

图5为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁和S₃同时开路故障前后扇区V电压矢量合成图。两个开关 管故障有三种情况：同一桥臂的两个开关管，如S₁和S₂；三个桥臂上管的两个或三个桥臂下管的两个， 如S₁和S₃；三个上管中的一个和三个下管中的一个，如S₁和S₄。

如果S₁和S₂同时发生故障，由于S₁和S₂处于同一桥臂，整流器受S₁开路故障影响的条件为i_a＜0，而受S₂开路故障影响的条件为i_a＞0，故Z₁～Z₁₂这12个区域虽然都受开关管开路故障影响，但每个区域都只受一个 开关管故障影响。因此，此种故障情况和单管开路故障情况类似。

如果S₁和S₃同时发生故障，整流器受S₁开路故障影响的条件为i_a＜0，而受S₃开路故障影响的条件为i_b＜0， 故12个区域中共有10个区域(Z₁和Z₄～Z₁₂)受故障影响，其中2个区域(Z₈、Z₉)同时受两个开关管故障影响， 包括扇区IV和V的部分。在这两个区域中，正常情况下S₁、S₃和S₆参与工作；而S₁和S₃故障时，仅有有效矢 量V₅(001)和零矢量V₀(000)可以参与合成电压矢量，其它有效矢量和零矢量均变为V₅，故V₅作用时间为 α+β+γ，其故障矢量通式为：

V_fault3＝(α+β+γ)V_active+γV_zero    (5)

其余8个区域(Z₁、Z₄～Z₇、Z₁₀～Z₁₂)仅受单管故障影响，故障情况仍和单管开路故障情况类似。

如果S₁和S₄同时发生故障，整流器受S₁开路故障影响的条件为i_a＜0，而受S₄开路故障影响的条件为i_b＞0， 故12个区域中共有8个区域(Z₂～Z₉)受故障影响，而其中4个区域(Z₄～Z₇)同时受两个开关管故障影响。两个故 障管分别属于不同相桥臂的上下管，故在这4个区域中，无法产生零矢量V₀和V₇，其分别转换为其它有效矢 量，这些有效矢量的作用时间被增加，其故障矢量通式为：

V_fault4＝(α+γ)V_n+(β+γ)V_n+1    (6)

图6为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后电压矢量合成图。采用不连续 PWM(Discontinuous PWM，DPWM)技术，即使用另一个可用的零矢量，可实现对错误零矢量的补偿。对于 电压矢量仅受故障零矢量影响的情况，如S₁故障时的扇区III、扇区IV(Z₅～Z₈)，采用DPWM式(2)被修正为

$V_{\mathrm{comp}1}^{S_1}={\mathrm{\alpha V}}_3+{\mathrm{\beta V}}_4+{2\mathrm{\gamma V}}_0---\left(7\right)$

其中故障零矢量γV₄被移除，而γV₀被增加以实现补偿。S₁故障容错前后扇区III电压矢量合成图如图 6(a)所示，补偿后的电压矢量与原参考矢量V^*一致，故通过修正开关模式，可完全修复参考电压矢量， 即在这些区域恢复实现正常的控制。

对于电压矢量受故障零矢量和一个故障有效矢量共同影响的情况，如S₁故障的扇区II、扇区V部分区 域(Z₄、Z₉)。由于故障导致只有一个可用的有效矢量V_active，故完全的矢量补偿是不可能实现的。但可以采 用矢量映射的方法，实现对矢量的部分补偿，补偿后的电压矢量将最大程度地接近原参考矢量。扇区II中 如图6(b)所示，V₃是临近的可用有效矢量，故将原参考矢量正交映射到V₃上，得到补偿后的电压矢量并采用DPWM技术，式(3)被修正为

$V_{\mathrm{comp}2}^{S_1}=(\alpha /2+\beta )V_3+(\alpha /2+2\gamma )V_0---\left(8\right)$

其中故障零矢量γV₄被移除，γV₀被增加以实现补偿，而为了尽可能接近原矢量，αV₃/2也被移除，其 作用时间加在V₀上。在此区域内，通过使用临近的有效矢量参与补偿，能最大程度恢复系统性能。

式(7)和(8)可以表示为适用于S₁～S₆的通式：

$V_c=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\alpha V}}_n+{\mathrm{\beta V}}_{n+1}+2{\mathrm{\gamma V}}_{\mathrm{zero}},n=F-1,F\\ (\alpha /2+\beta )V_{\mathrm{active}}+{(\alpha /2+2\gamma )V}_{\mathrm{zero}},n=F-2,F+1\end{array}\right)---\left(9\right)$

即式(4)可被修正为(9)。

如之前分析，多个开关管同时开路故障可认为是单管故障情况的组合。从容错控制角度考虑，对于仅 受单管故障影响的区域，可使用单管故障容错控制方法；而对于受多个开关管故障共同影响的区域，应采 用特殊的容错控制方法，下面具体讨论：

如果同一桥臂的两个开关管(如S₁和S₂)同时发生故障，Z₁～Z₁₂中每个区域中都只受一个开关管故障影 响，可采用单管故障容错控制方法，实现容错运行目的。

如果三个桥臂上管的两个或下管的两个(如S₁和S₃)同时发生故障，Z₁～Z₁₂中的Z₈、Z₉同时受两个开关管 故障影响。此时故障矢量由一个剩余可用的有效矢量V₅和零矢量V₀合成。由于V₅是最临近的可用矢量，故 可采用部分补偿的方法。

如果三个上管中的一个和三个下管中的一个(如S₁和S₄)同时发生故障，Z₁～Z₁₂中的Z₄～Z₇同时受两个开 关管故障影响。此时没有可用的零矢量，因此畸变矢量无法实现补偿。

图7为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后扇区III开关模式图。图7(a)为开关管S₁开路 故障后的扇区III内的开关模式，图中用阴影标出对比正常情况下减少的部分，空间电压矢量中增加了故障 零矢量γV₄，原零矢量γV₇被移除，即S₁导通时间减少2γ。图7(b)为开关管S₁开路故障容错控制措施采取后的 扇区III内的开关模式，图中用阴影标出对比故障情况下减少的部分，故障零矢量γV₄被移除，而γV₀被增加 以实现补偿，即S₃与S₅导通时间均减少2γ。

图8为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后扇区II开关模式图。图8(a)为开关管S₁开路 故障后的扇区II内的开关模式，图中用阴影标出对比正常情况下减少的部分，空间电压矢量中增加了故障 零矢量γV₄，原零矢量γV₇被移除；增加了故障矢量αV₃，原有效矢量αV₂被移除，即S₁导通时间共减少2(α+γ)。 图8(b)为开关管S₁开路故障容错控制措施采取后的扇区II内的开关模式，图中用阴影标出对比故障情况下减 少的部分，故障零矢量γV₄被移除，γV₀被增加以实现补偿，而为了尽可能接近原矢量，αV₃/2也被移除，其 作用时间加在V₀上，即S₃与S₅导通时间分别减少α+2γ和2γ。

图9为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障容错前后αβ坐标系下的电流矢量轨迹图。图9(a)所 示为正常状态下，电流轨迹为一个完整的圆；图9(b)所示为S₁开路故障后，电流轨迹左半部分严重缺失； 图9(c)所示为实施PWM开关模式修正算法后，电流轨迹被补偿为近似一个圆，但在扇区II有缺口，因为该 区域只能实现部分补偿。

综上所述：本发明采用上述技术方案，可以对三相桥式PWM整流器实现单个开关管开路或多个开关管 同时开路故障的容错控制运行。该方案基于DSP编程，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成本。能较 好地改善故障情况下的三相电流平衡度，减小直流侧电压纹波，提升系统性能和可靠性。