專利名稱：鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鞴收蠁卧臒o(wú)縫切除控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電網(wǎng)電能質(zhì)量治理研究領(lǐng)域，特別涉及鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鰿MI故障單元無(wú)縫切除的正確操作步驟及具體方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步以及綠色低碳理念的深入人心，工業(yè)生產(chǎn)甚至居民用電時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也在隨之提高，以APF、STATC0M等為代表的電能質(zhì)量控制器，以及以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電并網(wǎng)裝置都正在朝著高壓大功率的方向快速發(fā)展。上述裝置的核心電路使用最廣泛的就是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器。
采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的高壓大容量電力電子裝置是一個(gè)十分龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，包含眾多的子系統(tǒng)，所有的子系統(tǒng)必須各自正常工作并且相互協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)裝置的整體功能，其中任何一個(gè)部件的失效都必將影響整個(gè)裝置的正常工作，甚至導(dǎo)致全局性故障。因此當(dāng)某一個(gè)功率單元發(fā)生故障之后，就啟動(dòng)專門的旁路機(jī)構(gòu)將故障功率單元切除，使之不影響正常功率單元的運(yùn)行。然而，直接切除故障功率單元會(huì)對(duì)CMI構(gòu)成系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)致命的影響，例如CMI輸出電壓波形嚴(yán)重不對(duì)稱，THD迅速增大；CMI輸出的基波電壓幅值顯著降低，從而導(dǎo)致CMI系統(tǒng)過(guò)流；甚至可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障公共連接點(diǎn)電壓跌落，無(wú)功、諧波大量注入，三相不平衡等。被切除故障功率單元數(shù)量占總體數(shù)量的比重越大，上述影響就越嚴(yán)重。因此，為了保證故障功率單元切除后不影響系統(tǒng)的正常工作以及各項(xiàng)性能指標(biāo)基本不變化，就必須采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕员苊獍l(fā)生上述的更為嚴(yán)重的故障，從而確保系統(tǒng)安全、可靠、準(zhǔn)確運(yùn)行。為了避免直接切除故障功率單元后發(fā)生上述致命的后果，工業(yè)上常使用的方法是將正常相對(duì)應(yīng)的功率單元也一并切除。該方法簡(jiǎn)單有效，避免了三相電壓不平衡現(xiàn)象，以及由此帶來(lái)的系統(tǒng)過(guò)壓、過(guò)流等更為嚴(yán)重的故障。然而該方法犧牲了功率單元的部分輸出容量，不能充分發(fā)揮CMI的最大輸出電壓能力。為了治理旁路故障功率單元帶來(lái)的三相電壓不平衡問(wèn)題，同時(shí)最大限度利用功率單元的輸出電壓能力，著名學(xué)者Hammond于2002年提出了中性點(diǎn)移位(Neutral Shift)方法。該方法可以在故障功率單元切除后，獲得最大的三相對(duì)稱線電壓，因而廣泛應(yīng)用于星形連接的三相電力電子裝置中。中性點(diǎn)移位原理利用了逆變器的星形連接點(diǎn)為浮動(dòng)電位點(diǎn)，且不連接到負(fù)載中性點(diǎn)這一特性，通過(guò)算法調(diào)整三相逆變器的輸出電壓相位，實(shí)現(xiàn)輸出三相線電壓平衡。該方法的本質(zhì)原理是在各相不對(duì)稱的相電壓上疊加零序分量，構(gòu)造出對(duì)稱的線電壓，從而保證負(fù)載安全穩(wěn)定運(yùn)行。但該法仍然有很多的缺點(diǎn)和問(wèn)題1、只能使輸出的線電壓幅值保持相等，而輸出諧波會(huì)顯著增加。2、基波電壓幅值并不完全相等，諧波含量越大，基波電壓幅值越低。3、計(jì)算量龐大，邏輯復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分麻煩。4、雖然輸出的線電壓幅值相等了，且盡可能輸出了最大電壓幅值，但是相對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)的輸出電壓，幅值還是降低了，5、更為關(guān)鍵的是該方法只適用于星形連接的結(jié)構(gòu)，而對(duì)于目前廣泛使用的三角形連接結(jié)構(gòu)則不適用。其中很多缺點(diǎn)屬于中性點(diǎn)移位方法的固有缺陷，無(wú)法通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)措施得到徹底解決。為此需要更新思路，提出新的故障功率單元切除的方法。以下給出檢索的相關(guān)文獻(xiàn)[I]王旭，臧義，徐彬，林家泉.基于開關(guān)管的級(jí)聯(lián)H橋逆變器故障處理方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2007，27 (7) :76-81.[2]臧義，孫紅鴿，徐彬.級(jí)聯(lián)逆變器單元故障處理方法研究[J].電氣傳動(dòng) 2009,39 (7) :29-31.[3]Rodriguez J, Hammond P W，Pontt J, et al. Operation of a medium-voltagedrive under faulty conditions[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics,2005，52 ( 4):1080-1085.[4]ffei Sanmin, Li Fahai, Sun Xudong, et al. Control method for cascadedH-bridge multilevel inverter with faulty power cells[C]. IEEE APEC Conf.Rec. , Miami, USA, 2003.Zang Sanmin, Wang Xu, Xu Bin, et al. Faulty-tolerant design for multilevelcascaded H-bridge inverter[C]. ICEMI2005, Beijing, China, 8:259-263.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利公開了一種CMI系統(tǒng)故障功率單元無(wú)縫切除的控制方法，使用該方法將CMI的故障功率單元旁路之后，能使得CMI系統(tǒng)工作狀態(tài)基本不受影響，電壓、電流、功率因素、畸變率THD等各項(xiàng)主要的性能指標(biāo)基本不發(fā)生變化，能夠完美地實(shí)現(xiàn)故障無(wú)縫穿越。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明使用了 CMI故障功率單元無(wú)縫切除控制方法得以實(shí)現(xiàn)。下面從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制實(shí)現(xiàn)兩方面進(jìn)行闡述I)考慮冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法CMI由N個(gè)功率單元串聯(lián)組成，當(dāng)某個(gè)功率單元發(fā)生故障后，為了不影響整個(gè)裝置的正常運(yùn)行，最直接、簡(jiǎn)單、有效的方法是使用旁路機(jī)構(gòu)將故障功率單元切除，使之不影響正常功率單元和正常相的工作。旁路之后故障相就變成了(N-I)個(gè)功率單元運(yùn)行了，這(N-I)個(gè)功率單元就承擔(dān)起了原來(lái)N個(gè)單元的任務(wù)。如果在做設(shè)計(jì)的時(shí)候，每個(gè)功率單元都按照功率的極限來(lái)做設(shè)計(jì)，那么故障功率單元切除之后，(N-I)個(gè)功率單元就不能可靠地承受起原來(lái)N個(gè)單元的輸出容量。因此，設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮一定的裕量。正常工作時(shí)N個(gè)單元能夠承受的輸出容量，考慮冗余后由N個(gè)以上的單元來(lái)完成。這就是考慮冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。如果考慮n個(gè)功率單元同時(shí)發(fā)生故障且同時(shí)需要進(jìn)行切除時(shí)，則需要設(shè)計(jì)(N+n)個(gè)功率單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的可靠性要求和成本因素等綜合考慮。2)從控制算法上進(jìn)行說(shuō)明對(duì)于采用CPS-SPWM調(diào)制方法的鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鱽?lái)說(shuō)，為達(dá)到故障單元無(wú)縫切除的目的，應(yīng)該滿足以下三個(gè)原則等效開關(guān)頻率不變、采樣頻率不變以及輸出基波電壓的幅值不變。為了滿足上述三項(xiàng)原則，故障無(wú)縫切除算法就必須調(diào)整逆變器移相三角載波的載波周期，同時(shí)調(diào)整逆變器直流側(cè)電壓或者調(diào)制比。在闡述上述命題之前，有必要首先說(shuō)明CMI的PWM波的生成方法，如圖I所示，在三角載波的最小值點(diǎn)的時(shí)候采樣指令信號(hào)值并進(jìn)行鎖存，一個(gè)載波周期內(nèi)只采樣一次，開關(guān)管動(dòng)作兩次。假設(shè)CMI由5個(gè)功率單元組成，其PWM波的采樣周期是Ts，發(fā)生故障后在未經(jīng)無(wú)縫切除控制之前的調(diào)制波周期為T。，調(diào)整之后載波周期為T'。。則相鄰功率單元之間的采樣間隔為Ts，每個(gè)功率單元兩次采樣的時(shí)間間隔為5TS，如圖2所示，對(duì)應(yīng)的脈沖時(shí)間序列如圖3所示。假設(shè)在某一時(shí)刻，將故障功率單元切除后，而無(wú)縫切除的控制算法沒(méi)有實(shí)施前，原5個(gè)功率單元中有一個(gè)退出了運(yùn)行，兩個(gè)功率單元之間的采樣時(shí)間間隔將不再一樣，有的時(shí)候是Ts，有的時(shí)候是2TS，如圖4所示。為保障采樣頻率不變且每?jī)蓚€(gè)功率單元之間的采樣時(shí)間間隔不變，即Ts，則應(yīng)改變脈沖生成的時(shí)序，增大三角載波的載波頻率，如圖5所示。顯然Jj= ^ 7；推廣到n個(gè)功率單元串聯(lián)，三角載波周期為T。，且采用CPS-PWM控制方法，則當(dāng)有
m(n ^ m)個(gè)功率單元因?yàn)楣收隙慌月分?，調(diào)整后的三角載波周期T'。應(yīng)為
,n-mIc =-L
n可以證明當(dāng)故障功率單元無(wú)縫切除控制算法滿足上述條件之后，CMI系統(tǒng)的等效開關(guān)頻率和采樣頻率能夠保持不變；CMI輸出電壓的諧波成分以及含量幾乎不會(huì)發(fā)生變化。要實(shí)現(xiàn)故障功率單元的無(wú)縫切除，還得要滿足第三個(gè)原則。理論分析表明影響CMI輸出電壓基波幅值的主要因素有功率單元的數(shù)量n、調(diào)制比M以及功率單元的直流側(cè)電壓幅值Ud。。為了確保故障功率單元切除前后的輸出電壓基波幅值保持不變，可以通過(guò)控制M和直流側(cè)電壓Ud。來(lái)實(shí)現(xiàn)。I、僅調(diào)整直流側(cè)電壓時(shí)，調(diào)整后的直流側(cè)電壓U' dc應(yīng)滿足Udc=^-Udc
n-m2、僅調(diào)整調(diào)制比時(shí)，調(diào)整后的調(diào)制比M'應(yīng)滿足M' = —~ M
n-m3、同時(shí)改變直流側(cè)電壓U' d。和調(diào)制比M'時(shí)，調(diào)整后的直流側(cè)電壓U' d。和調(diào)制比M'應(yīng)滿足MVdc=-^-Mlldc
n-m本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明公開了一種實(shí)用的鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鞴收蠁卧臒o(wú)縫切除控制方法。并利用MATLAB中的simulink對(duì)該控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可以看到，該方案能夠很好的解決旁路故障功率單元后引起的三相電壓不平衡問(wèn)題以及電能質(zhì)量變差等問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的無(wú)縫切除。相比于其他方案，新方法能夠保證在故障切除之后，系統(tǒng)各關(guān)鍵的物理參數(shù)(基波電壓、電流、功率因數(shù)、THD等)基本不發(fā)生變化，滿足“無(wú)縫切換”的控制要求。該方法簡(jiǎn)單易行，無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算和判斷，充分利用了冗余設(shè)計(jì)這一特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和工作壽命，從而推動(dòng)了鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤骺煽康貞?yīng)用于高壓大容量電力電子裝置。


圖IPWM波生成方法示意圖。圖2某相I號(hào)功率單元的PWM波生成示意圖。圖3故障發(fā)生之前5個(gè)功率單元的脈沖時(shí)序圖。圖4故障單元旁路后、控制算法實(shí)施前5個(gè)功率單元的脈沖時(shí)序圖。圖5控制算法實(shí)施后5個(gè)功率單元的脈沖時(shí)序圖。圖6帶旁路機(jī)構(gòu)的功率單元2H橋單相逆變器。
圖7 (a)直接切除故障功率單元時(shí)故障相CMI的輸出電壓的波形。圖7(b)直接切除故障功率單元時(shí)故障相CMI輸出電壓的頻譜。圖8 Ca)直接切除故障功率單元時(shí)鏈?zhǔn)絊TATC0M的輸出電流即線電流。圖8 (b)直接切除故障功率單元時(shí)CMI的輸出電流即相電流。圖9直接切除故障單元后對(duì)鏈?zhǔn)絊TATC0M補(bǔ)償性能的影響。圖10旁路故障功率單元，并且采用故障無(wú)縫切除控制方法之后，故障相的調(diào)制信號(hào)波變化示意圖。圖11 (a)旁路故障功率單元，并且采用故障無(wú)縫切除控制方法之后，故障相的CMI輸出電壓的波形。圖11(b)旁路故障功率單元，并且采用故障無(wú)縫切除控制方法之后，故障相的CMI輸出電壓頻譜。圖12旁路故障功率單元，并且采用故障無(wú)縫切除控制方法之后，鏈?zhǔn)絊TATC0M的補(bǔ)償效果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。在編寫控制器程序時(shí)，需要額外存入5個(gè)變量runuUdd。，分別表示逆變器正常運(yùn)行時(shí)串聯(lián)的功率單元個(gè)數(shù)和出現(xiàn)故障需要旁路的功率單元數(shù)、移相載波的周期、調(diào)制比以及功率單元的直流側(cè)電壓。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通常需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制部分會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信息來(lái)判斷系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，且不能排除時(shí)，相應(yīng)的功率單元控制器立即發(fā)出旁路指令一切除故障功率單元，并向主控制系統(tǒng)發(fā)送故障報(bào)告，使系統(tǒng)主控制器根據(jù)故障無(wú)縫切除方法進(jìn)行操作。這個(gè)過(guò)程按照以下步驟進(jìn)行步驟I :傳感器對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，評(píng)估系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。步驟2 :—旦發(fā)現(xiàn)功率單元故障，且故障不能排除，需要立即切除。此時(shí)功率單元的控制器立即發(fā)送閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證開關(guān)器件可靠關(guān)斷，以免引起功率單元的直流側(cè)短路，從而導(dǎo)致過(guò)電流，甚至燒毀功率單元。步驟3 :控制器發(fā)送旁路信號(hào)，旁路機(jī)構(gòu)動(dòng)作，切除故障功率單元，在圖6所示的功率單元中，旁路機(jī)構(gòu)即為雙向晶閘管，當(dāng)然也可以是其它操作機(jī)構(gòu)；此時(shí)n的值保持不變，m的值更新，且為本次操作需要切除的功率單元的數(shù)量。
步驟4:根據(jù)實(shí)際情況的需要，考慮是否開啟電容電能泄放通路，如果功率單元長(zhǎng)期閑置不用或者需要進(jìn)行檢修、替換等操作時(shí)，需要將直流側(cè)能量進(jìn)行充分地釋放，以確保人員和環(huán)境的安全。步驟5 :計(jì)算切除故障單元后的三角載波周期并更新變量T。，
權(quán)利要求
1.鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鞴收蠁卧臒o(wú)縫切除控制方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I:傳感器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，評(píng)估系統(tǒng)是否正常運(yùn)行； 步驟2 :—旦發(fā)現(xiàn)功率單元故障，且故障不能排除，則功率單元的控制器立即發(fā)送閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證開關(guān)器件關(guān)斷； 步驟3 :控制器發(fā)送旁路信號(hào)，旁路機(jī)構(gòu)動(dòng)作，切除故障功率單元；逆變器正常運(yùn)行時(shí)串聯(lián)的功率單元個(gè)數(shù)n的值保持不變，出現(xiàn)故障需要旁路的功率單元數(shù)m的值更新，且為本次操作需要切除的功率單元的數(shù)量； 步驟4 :計(jì)算切除故障單元后的控制逆變器的移相載波的周期T。，
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述旁路機(jī)構(gòu)為雙向晶閘管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟3和步驟4之間還包括如下步驟開啟電容電能泄放通路。
全文摘要
鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鞴收蠁卧臒o(wú)縫切除控制方法，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制部分根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信息來(lái)判斷系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，且不能排除時(shí)，相應(yīng)的功率單元控制器切除故障功率單元/旁路機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并實(shí)時(shí)更新三角載波周期和調(diào)制比和/或直流側(cè)電壓。該方案能夠很好的解決旁路故障功率單元后引起的三相電壓不平衡問(wèn)題以及電能質(zhì)量變差等問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的無(wú)縫切除。該方法簡(jiǎn)單易行，無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算和判斷，充分利用了冗余設(shè)計(jì)這一特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和工作壽命，從而推動(dòng)了鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤骺煽康貞?yīng)用于高壓大容量電力電子裝置。
文檔編號(hào)H02J3/14GK102780224SQ20121028059
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者卓放, 熊連松 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)