全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关管开路故障时的容错控制方法

摘要

本发明公开了一种全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关管开路故障时的容错控制方法，其特征在于：当全双向开关型双级矩阵变换器的整流级的某个或多个开关管发生开路故障时，首先将发生局部故障的开关管所在双向开关单元的驱动信号封锁，保持关断状态；然后，根据故障类型，全双向开关型双级矩阵变换器调整驱动方式，维持整体的容错运行。通过本发明所提出的容错控制方法，可使全双向开关型双级矩阵变换器在部分开关管发生断路故障时，继续维持运行状态，并向负载提供高质量的电能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矩阵变换器的容错驱动控制技术，特别是涉及一种全双 向开关型双级矩阵变换器在整流级发生开关管开路故障时的容错控制技 术，属于电力电子技术和控制技术领域。

背景技术

近年来，基于矩阵变换器(matrixconverter，MC)的概念发展而来的双 级式矩阵变换器(twostagematrixconverter，TSMC)，获得了国内外学者广 泛而持续的关注和研究，具有结构紧凑、开关损耗低、功率密度高等显著 优点。TSMC具有分立的整流级和逆变级结构，与传统MC相比，还具有 换流简单，整流级可实现零电流换流等优势。

TSMC的两级式拓扑结构一共需要12个开关单元，这些开关器件可由 单向开关或双向开关构成。现有研究文献中，对开关管的单向和双向型式 有很多种选择方案：有全部采用单向开关的，这种结构在一定条件下能够 提供正弦的输出电压和正弦的输入电流，但当负载条件超过一定范围时， 该拓扑不能正常运行，且能量无法双向流动；有的逆变级采用单向开关管， 整流级采用双向开关管，这种拓扑结构能实现能量双向流动，输出电压和 输入电流都能保持正弦，实际所需开关管数量为18个，比较适中，是目前 研究最多的方案；若TSMC的整流级和逆变级均采用双向开关，可称之为 “全双向开关型”双级矩阵变换器，实际需要24个开关管，数量较多，而 且若维持直流母线电压正负方向不变，则逆变级采用双向开关就显得多余， 因此这种方案鲜少受到关注和研究。

随着技术的发展，电力电子设备的安全性能越来越受到关注，当电能 变换器中的部分开关管或其它元器件发生故障时，维持系统整体的继续带 故障运行，成为当前的研究热点。而全双向开关型双级矩阵变换器比传统 结构多出的6个开关管，可对整个系统形成热备份，在变换器整流级或逆 变级的单个或多个开关管发生故障时，起到代偿作用，维持系统的继续运 行。但由于该拓扑结构对正常运行需求来说，显得有些“冗余”，故尚未 获得应有的重视和研究。本发明基于这种拓扑结构，针对整流级开关管发 生开路故障的情况，提出了一种容错控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关 管开路故障时的容错控制方法，基于全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑 结构，针对整流级开关管发生故障的情况，以适当的方式调整变换器的控 制方式，使整体系统在容忍局部故障的情况下继续维持整体系统的运行。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

全双向开关型双级矩阵变换器的主功率电路由整流级、直流母线和逆变 级依次连接而成。其中，输入三相用a、b、c表示，输出三相用u、v、w 表示；直流母线的两极分别记为m极和n极，其正负方向可根据实际运行 需要进行调整；整流级是由6个双向开关单元所组成的三相桥式电路，每 个双向开关可采用共射极或共集电极反向串联的2个IGBT构成，整流级6 个双向开关单元可用符号S_ji(i＝a，b，c；j＝m，n)表示，意即联接输入i相 与直流j极的双向开关单元；逆变级也是由6个双向开关单元所组成的三相 桥式电路，每个双向开关亦可采用共射极或共集电极反向串联的2个IGBT 构成，逆变级12个单向开关管可用符号S_ljk(j＝m，n；l＝u，v，w；k＝1,2) 表示，意即联接直流j极与输出l相的双向开关单元中第k个单向IGBT开 关管，并将“集电极→射极”方向与“m极→n极”方向一致的IGBT的编 号设定为k＝1，相反的设定为k＝2。

对矩阵变换器采用整流级无零矢量的双空间矢量法进行调制。当所有 开关管都能正常工作时，设定直流母线的m为正极，n为负极，令逆变级 编号k＝2的6个开关管保持导通状态；整流级6个开关单元和逆变级编号 为1的6个开关管根据双空间矢量法经典公式所计算得到的占空比进行调 制。由于采用整流级无零矢量的方式，因此，S_mi和S_ni(i＝a，b，c)中有且仅 有一个占空比为零。

一种全双向开关型双级矩阵变换器整流级开关管开路故障时的容错控 制方法，当整流级的某个或多个开关管发生开路故障时，首先将发生局部 故障的开关管所在双向开关单元的驱动信号封锁，保持关断状态；然后， 根据故障类型，全双向开关型双级矩阵变换器可调整驱动方式，维持整体 的容错运行。本发明主要针对整流级开关管的以下两种故障类型，提出相 应的容错控制方法：

1)单个双向开关单元故障

不失一般性，设S_ma发生开路故障并被从电路中隔离。在运行过程中的 某个调制周期内，若按照正常调制方式时S_ma的占空比为零，则继续按照正 常方式对全双向开关型双级矩阵变换器进行调制；若按照正常调制方式时 S_ma的占空比大于零，对应此时S_na的占空比一定为零，则在这整个调制周 期内将直流母线电压设定的正负方向对调，弥补S_ma的开路故障。调整后整 流级双向开关单元S_ma、S_mb和S_mc的占空比分别等于调整前S_na、S_nb和S_nc的占空比，而调整后的S_na、S_nb和S_nc的占空比等于调整前S_ma、S_mb和S_mc的占空比。特别地，调整后S_ma的占空比为零，将其切除对输出电压和输入 电流的调制无影响。同时令逆变级编号k＝1的6个开关管切换为全部开通 的状态，逆变级编号k＝2的6个开关管进行斩波调制，调整后S_un2、S_vn2、 S_wn2、S_um2、S_vm2和S_wm2的占空比分别等于调整前S_um1、S_vm1、S_wm1、S_un1、 S_vn1和S_wn1的占空比。

2)同时有两个双向开关单元故障，且位于不同输入相连接直流母线不同极 的位置

不失一般性，设S_ma和S_nb发生开路故障并被从电路中隔离。在运行过程 中的每个调制周期开始时刻之前，需提前判断：若按照正常调制方式，该 周期内调制过程所需的两个整流级空间矢量是否需要开通S_ma或S_nb，根据 判断结果，可分为三种情形：

2.1)两个整流级空间矢量中，S_ma和S_nb都不需要开通

在该调制周期内继续采用正常调制方式，即设定m为正极，n为负极， 逆变级编号k＝2的6个开关管保持导通状态；整流级6个开关单元和逆变 级编号为1的6个开关管根据双空间矢量法经典公式所计算得到的占空比 进行调制。

2.2)两个整流级空间矢量均需要S_ma或S_nb的其中之一或全部开通

显然，在该调制周期内S_ma或S_nb的占空比大于零，相应的S_na或S_mb的 占空比为零。在整个调制周期内对调直流母线m和n的极性，即设定m为 负极，n为正极。调整后整流级双向开关单元S_ma、S_mb和S_mc的占空比分别 等于调整前S_na、S_nb和S_nc的占空比，而调整后的S_na、S_nb和S_nc的占空比等 于调整前S_ma、S_mb和S_mc的占空比，特别地，调整后S_ma和S_nb的占空比均 为零，将它们切除对输出电压和输入电流的调制无影响；逆变级编号编号 k＝1的6个开关管切换为全部开通的状态，逆变级编号k＝2的6个开关管进 行斩波调制，调整后S_un2、S_vn2、S_wn2、S_um2、S_vm2和S_wm2的占空比分别等于 调整前S_um1、S_vm1、S_wm1、S_un1、S_vn1和S_wn1的占空比。

2.3)有且仅有一个整流级空间矢量需要S_ma或S_nb的其中之一或全部开通

在无需故障开关单元开通的空间矢量作用区间，仍按照正常方式对整流 级和逆变级进行调制；在调制周期内整流级空间矢量切换的同时对调直流 母线m和n的极性，从而在需要故障开关单元开通的空间矢量作用区间内， 按照m为负极、n为正极的方式对整流级和逆变级进行调制。

全双向开关型双级矩阵变换器在容错运行模式下，需要在正常调制方式 和容错调制方式之间来回切换，安全可靠的切换过程是容错运行成功的关 键。为此，本发明提出了下述调制方式的切换步骤：

为保证调制方式切换的安全性，只在逆变级为零矢量的状态下进行切 换。以如下情形为例：切换前m为正极，n为负极，整流级S_mb和S_nc开通， 其他开关单元关断，逆变级编号k＝2的开关管开通，编号k＝1的部分中S_um1、 S_vm1、S_wm1开通，S_un1、S_vn1、S_wn1关断；切换后m为负极，n为正极，整流 级S_na和S_mc开通，其他开关单元关断，逆变级编号k＝1的开关管开通，编 号k＝2的部分中S_un2、S_vn2、S_wn2开通，S_um2、S_vm2、S_wm2关断。切换过程分 为如下几个步骤：

1)获取切换指令的瞬时，关断S_mb和S_nc；

2)延迟Δt，待S_mb和S_nc完全关断后，开通S_un1、S_vn1、S_wn1。此时逆变 级开关管全部开通。

3)再延迟Δt，关断S_un2、S_vn2、S_wn2。此时逆变级构造成一个新的零矢量， 与直流母线正负极对调前的零矢量等效。

4)再延迟Δt，等待S_un2、S_vn2、S_wn2完全关断后，开通S_na和S_mc。获得 期望的整流级矢量。

其中，Δt与开关管的开关特性有关，可与变换器系统设定的开关死区相 同。其他情形可以此类推。

本发明的有益效果是：

1)通过容错调制方式使全双向开关型双级矩阵变换器在整流级发生单 管故障或部分双管故障时，能够将发生故障的双向开关单元从电路中隔离 而继续运行，而且整体系统无需降额运行，输出电压和输入电流的波形不 受影响，最大电压传输比也不降低。

2)通过合理安排切换步骤，保证了正常调制方式和容错调制方式之间 相互切换的安全性和可靠性。

3)采用本发明的容错控制方法，提高了双级矩阵变换器的容错运行能 力，具有重要的实际应用意义。

附图说明

图1是全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构示意图，其中，(a)共射 极，(b)共集电极；

图2是正常调制方式下整流级双向开关单元和逆变级开关管的驱动波形 示意图；

图3是正常调制方式下输出电压电流、输入电压电流和直流母线电压波 形；

图4是Sma发生开路故障后，整流级双向开关单元和逆变级开关管驱动 波形示意图；

图5是Sma和Snb发生开路故障后，整流级双向开关单元和逆变级开关 管驱动波形示意图；

图6是Sma发生开路故障后，容错运行方式下直流母线电压波形；

图7是Sma和Snb发生开路故障后，容错运行方式下直流母线电压波形；

图8是正常调制方式和容错调制方式之间切换时，驱动波形的变化示意 图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似 功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释 本发明，而不能解释为对本发明的限制。

(一)全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构介绍

全双向开关型双级矩阵变换器的主功率电路由整流级、直流母线和逆 变级依次连接而成，如图1所示。其中，输入三相用a、b、c表示，输出三 相用u、v、w表示；直流母线的两极分别记为m极和n极，其正负方向可 根据实际运行需要进行调整；整流级是由6个双向开关单元所组成的三相 桥式电路，每个双向开关可采用共射极或共集电极反向串联的2个IGBT 构成，整流级6个双向开关单元可用符号S_ji(i＝a，b，c；j＝m，n)表示，意 即联接输入i相与直流j极的双向开关单元；逆变级也是由6个双向开关单 元所组成的三相桥式电路，每个双向开关亦可采用共射极或共集电极反向 串联的2个IGBT构成，逆变级6个双向开关单元可用符号S_ljk(j＝m，n；l＝u， v，w；k＝1,2)表示，意即联接直流j极与输出l相的双向开关单元中第k 个单向IGBT开关管，并将集电极-射极方向与m极-n极方向一致的IGBT 的编号设定为k＝1，相反的设定为k＝2。

(二)正常运行方式

对矩阵变换器采用整流级无零矢量的双空间矢量法进行调制。当所有开 关管都能正常工作时，设定直流母线的m为正极，n为负极，令逆变级编 号k＝2的6个开关管保持导通状态；整流级6个开关单元和逆变级编号为1 的6个开关管根据双空间矢量法经典公式所计算得到的占空比进行调制。 由于采用整流级无零矢量的方式，因此每个调制周期内，S_mi和S_ni(i＝a，b， c)中有且仅有一个占空比为零。

设输入频率和输出频率分别为50Hz和60Hz，则在正常调制方式下，双 级矩阵变换器的整流级双向开关单元和逆变级单向开关管的驱动波形如图 2所示。从图中可以看出，整流级每个双向开关单元都按照“常闭→PWM斩 波→常开→PWM斩波”的规律变化，各相驱动波形互差120°，逆变级编号 k＝2的开关管始终开通，编号k＝1的开关管进行PWM斩波调制。此时，输 出电压电流、输入电压电流和直流母线电压波形如图3所示。其中，负载 电流正弦，直流母线电压始终为正，且呈现经典的6脉波扇形波形。

(三)单管故障时的容错运行方式

不失一般性，设S_ma发生开路故障并被从电路中隔离。在运行过程中的 某个调制周期内，若按照正常调制方式时S_ma的占空比为零，则继续按照正 常方式对全双向开关型双级矩阵变换器进行调制；若按照正常调制方式时 S_ma的占空比大于零，对应此时S_na的占空比一定为零，则在这整个调制周 期内将直流母线电压设定的正负方向对调，弥补S_ma的开路故障。调整后整 流级双向开关单元S_ma、S_mb和S_mc的占空比分别等于调整前S_na、S_nb和S_nc的占空比，而调整后的S_na、S_nb和S_nc的占空比等于调整前S_ma、S_mb和S_mc的占空比，特别地，调整后S_ma的占空比为零，将其切除对输出电压和输入 电流的调制无影响；同时令逆变级编号k＝1的6个开关管切换为全部开通 的状态，逆变级编号k＝2的6个开关管进行斩波调制，调整后S_un2、S_vn2、 S_wn2、S_um2、S_vm2和S_wm2的占空比分别等于调整前S_um1、S_vm1、S_wm1、S_un1、 S_vn1和S_wn1的占空比。

图4给出了S_ma发生开路故障后，整流级双向开关单元和逆变级开关管 驱动波形。从图中可以看出，S_ma的驱动信号始终保持关断状态，其他相的 开关管驱动信号相应调整以补偿S_ma的开路故障。逆变级编号k＝1和编号 k＝2的两组开关管的调制方式与发生故障的开关管所在输入相的输入电压 即u_a的极性有关：当u_a>0时，编号k＝1的开关管常通，编号k＝2的开关管 进行PWM调制；当u_a<0时，编号k＝2的开关管常通，编号k＝1的开关管 进行PWM调制。两种调制方式随着交流电压的极性变化而交替进行，其持 续时间相同。此时，输出电压电流、输入电压电流与正常运行方式下是一 致的，直流母线电压波形如图6所示。从图中可见，直流母线一半时间为 负向电压，包络线仍呈扇形。

(四)双管故障时的容错运行方式

不失一般性，设S_ma和S_nb发生开路故障并被从电路中隔离。在运行过程 中的每个调制周期开始时刻之前，需提前判断：若按照正常调制方式，该 周期内调制过程所需的两个整流级空间矢量是否需要开通S_ma或S_nb，根据 判断结果，可分为三种情形：

1)两个整流级空间矢量中，S_ma和S_nb都不需要开通

在该调制周期内继续采用正常调制方式，即设定m为正极，n为负极， 逆变级编号k＝2的6个开关管保持导通状态；整流级6个开关单元和逆变 级编号为1的6个开关管根据双空间矢量法经典公式所计算得到的占空比 进行调制。

2)两个整流级空间矢量均需要S_ma或S_nb(其中之一或全部)开通

显然，在该调制周期内S_ma和S_nb的占空比大于零，相应的S_na或S_mb的 占空为零。在整个调制周期内对调直流母线m和n的极性，即设定m为负 极，n为正极。调整后整流级双向开关单元S_ma、S_mb和S_mc的占空比分别等 于调整前S_na、S_nb和S_nc的占空比，而调整后的S_na、S_nb和S_nc的占空比等于 调整前S_ma、S_mb和S_mc的占空比，特别地，调整后S_ma和S_nb的占空比均为 零，将它们切除对输出电压和输入电流的调制无影响；逆变级编号编号k＝1 的6个开关管切换为全部开通的状态，逆变级编号k＝2的6个开关管进行 斩波调制，调整后S_un2、S_vn2、S_wn2、S_um2、S_vm2和S_wm2的占空比分别等于调 整前S_um1、S_vm1、S_wm1、S_un1、S_vn1和S_wn1的占空比。

3)有且仅有一个整流级空间矢量需要S_ma或S_nb(其中之一或全部)开通

在无需故障开关单元开通的空间矢量作用区间，仍按照正常方式对整流 级和逆变级进行调制；在调制周期内整流级空间矢量切换的同时对调直流 母线m和n的极性，从而在需要故障开关单元开通的空间矢量作用区间内， 按照m为负极、n为正极的方式对整流级和逆变级进行调制。

图5给出了S_ma和S_nb同时发生开路故障后，采用容错运行方式，整流级 双向开关单元和逆变级开关管的驱动波形。从图中可以看出，S_ma和S_nb的 驱动信号始终保持关断状态，其他相的开关管驱动信号相应调整以补偿S_ma的开路故障。逆变级编号k＝1和编号k＝2的两组开关管有三种运行状态： 一种为前者PWM调制，后者全部开通，对应情形1)；一种为前者全部开 通，后者PWM调制，对应情形2)；还有一种为两者同时PWM调制，对应 情形3)。此时，输出电压电流、输入电压电流与正常运行方式下仍然是一 致的，直流母线电压波形则如图7所示。

(五)切换过程

全双向开关型双级矩阵变换器在容错运行模式下，需要在正常调制方式 和容错调制方式之间来回切换，安全可靠的切换过程是容错运行成功的关 键。为此，本发明提出了一种调制方式的切换步骤。

为保证调制方式切换的安全性，只在逆变级为零矢量的状态下进行切 换。以如下情形为例：切换前m为正极，n为负极，整流级S_mb和S_nc开通， 其他开关单元关断，逆变级编号k＝2的开关管开通，编号k＝1的部分中S_um1、 S_vm1、S_wm1开通，S_un1、S_vn1、S_wn1关断；切换后m为负极，n为正极，整流 级S_na和S_mc开通，其他开关单元关断，逆变级编号k＝1的开关管开通，编 号k＝2的部分中S_un2、S_vn2、S_wn2开通，S_um2、S_vm2、S_wm2关断。切换过程如 图8所示，分为如下几个步骤：

1)获取切换指令的瞬时，关断S_mb和S_nc；

2)延迟Δt，待S_mb和S_nc完全关断后，开通S_un1、S_vn1、S_wn1。此时逆变 级开关管全部开通。

3)再延迟Δt，关断S_un2、S_vn2、S_wn2。此时逆变级构造成一个新的零矢量， 与直流母线正负极对调前的零矢量等效。

4)再延迟Δt，等待S_un2、S_vn2、S_wn2完全关断后，开通S_na和S_mc。获得 期望的整流级矢量。

其中，Δt与开关管的开关特性有关，可与变换器系统设定的开关死区相 同。其他情形可以此类推。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。