技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种非对称级联多电平逆变器及其调制方法。
相关背景技术
[0002] 逆变器根据输出波形的形状进行分类，可以分为方波逆变器、两电平脉宽调制逆变器和多电平逆变器。其中多电平逆变器具有许多优点，比如更好的谐波特性、更高的效率、更低的开关电压应力等。多电平逆变器根据其结构可以分为三种类型，包括二极管箝位、级联H桥逆变器和飞跨电容多电平逆变器。多电平逆变器的可靠性是一个具有挑战性的问题，因为在所有的多电平逆变器中都使用了数量更多的功率半导体开关，这些开关中的任何一个出现故障都会使逆变器的输出电压和电流产生畸变。当多电平逆变器发生故障时，电路是否具有一定的容错能力变得非常重要。
[0003] 目前国内外针对多电平逆变器的容错问题已开展了不少研究。例如：朱琴跃、魏伟、谭喜堂、李爱华等人发表的《多电平逆变器开关管开路故障容错重构策略》(2023，57(2)：1‑6)，针对有源中点箝位三电平(ANPC)逆变器难以对多管复合开路故障进行有效容错的问题，提出了一种改进型三电平ANPC逆变器容错拓扑。所提出的容错拓扑能够对基础故障以及大部分复合故障进行容错，提高了三电平逆变器的可靠性。但是该方法提出的容错拓扑，开关数量是传统ANPC逆变器的两倍，系统硬件成本比较高。
[0004] 又如：汪玉凤、张影、李爽、高珊等人发表的《多电平级联H桥逆变器3N+1冗余容错策略的研究》(2018，54(2)：208‑212)，为减小IGBT故障对多电平级联H桥(CHB)逆变器运行稳定性的影响，提出了一种多电平CHB逆变器3N+1冗余容错拓扑。该拓扑能够在单相故障情况下保障逆变器的输出并且保持线电压和负载的对称。但是，这种容错拓扑是在传统级联H桥结构基础上，额外增加了1个H桥、3个快速熔断器和3个机电式继电器，增加了电路的复杂性和成本。
[0005] 又如：Chen J、ChenA、Xing X、Zhang C等人在2017IEEEApplied Power Electronics Conference and Exposition(2017年IEEE应用电力电子会议暨展览会)中提出的Fault‑tolerant control strategy for T‑type three‑level inverter with neutral‑point voltage balancing(中点电压平衡T型三电平逆变器容错控制策略)(2017，3420‑3425)，当检测到逆变器中开关器件的故障时，将还能获得的剩余电压矢量进行重新组合，使得电路能够维持工作，保证输出电压波形不再发生畸变。但是采用该方法进行容错后输出电压波形电平数下降，线电压由原来的五电平变成了三电平，导致输出电压的谐波有所增加。
具体实施方式
[0060] 首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本申请实施例的技术原理，并非旨在限制本申请实施例的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
[0061] 在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“电连接”、“电连接关系”应作广义理解，即指具备电气关系的连接方式，例如，可以是通过导线实现电路连接，也可以是通过无线电信号通道(信道)实现电连接，或二者结合。此外，“电连接”、“电连接关系”可以是建立在机械连接的基础之上(如导线设置在连接键内)；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
[0062] 在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“一侧”或“另一侧”可以是第一和第二特征直接接触或电连接，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征的所有部分在第二特征“左侧”、“右侧”、“上方”或“下方”等，而一侧”和“另一侧”是相对而言的，具体应结合电路形式进行理解。
[0063] 下面将采用两个申请实施例，且结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
[0064] 实施例一
[0065] 参见图1～图2所示，本申请实施例公开一种非对称级联多电平逆变器，该多电平逆变器内所设置的逆变电路为三相逆变电路，该三相逆变电路的每个单相电路均设有第一输出端1和第二输出端2，每个单相电路均包含非对称二极管中点钳位单相逆变电路3、第一H桥逆变电路4和第二H桥逆变电路5；
[0066] 参见图1和图2所示，在每个单相电路中，第一输出端1与非对称二极管中点钳位单相逆变电路3中电桥端A电连接，非对称二极管中点钳位单相逆变电路3中电桥端B与第一H桥逆变电路4中电桥端C电连接，第一H桥逆变电路4中电桥端D与第二H桥逆变电路5中电桥端E电连接，第二H桥逆变电路5中电桥端F与第二输出端2电连接。
[0067] 请继续参见图1或图2所示，非对称二极管中点钳位单相逆变电路3、第一H桥逆变电路4和第二H桥逆变电路5均为桥式逆变电路，分别为图中的单元1、单元2和单元3。如图2所示，图中的点A和B、C和D、E和F分别位于非对称二极管中点钳位单相逆变电路3、第一H桥逆变电路4和第二H桥逆变电路5的电桥桥端，分别代表电桥端A和电桥端B、电桥端C和电桥端D、电桥端E和电桥端F。
[0068] 请继续参见图1或图2所示，在本实施例中，非对称二极管中点钳位单相逆变电路3包含电源E1、电源E2、二极管D1、二极管D2、开关器件Sa1、开关器件Sa2、开关器件Sa3、开关器件Sa4、开关器件Sa5和开关器件Sa6；电源E1的正极与开关器件Sa1的一引脚电连接，开关器件Sa1的另一引脚与二极管D1的负极电连接，二极管D1的负极还与开关器件Sa2的一引脚电连接，二极管D1的正极与二极管D2的负极电连接，二极管D2的负极还与电源E1的负极电连接，开关器件Sa2的另一引脚与电桥端A电连接，电桥端A与开关器件Sa3的一引脚电连接，开关器件Sa3的另一引脚与开关器件Sa4的一引脚电连接，开关器件Sa4的一引脚还与二极管D2的正极电连接，开关器件Sa4的另一引脚与电源E2的负极电连接，电源E2的正极与电源E1的负极电连接，开关器件Sa4的另一引脚还与开关器件Sa6的一引脚电连接，开关器件Sa6的另一引脚与电桥端B电连接，电桥端B与开关器件Sa5的一引脚电连接，开关器件Sa5的另一引脚与电源E1的正极电连接。在本实施例中，电源E1和电源E2均为电解电容器。
[0069] 根据上述诸开关器件和连接方式可见，本实施例的非对称二极管中点钳位单相逆变电路3虽然所用开关器件不多，仅为6个，但具有多种电流支路，形成多种开关组合，因而能在电桥端A和电桥端B形成多种电平输出方式。
[0070] 请继续参见图1或图2所示，本实施例中，第一H桥逆变电路4包含电源E3、开关器件Sa7、开关器件Sa8、开关器件Sa9和开关器件Sa10，第一H桥逆变电路4中的电源E3为电解电容器。
[0071] 请继续参见图1或图2所示，本实施例中，第二H桥逆变电路5包含电源E4、开关器件Sa11、开关器件Sa12、开关器件Sa13和开关器件Sa14，第二H桥逆变电路5中的电源E4为电解电容器。
[0072] 本申请实施例公开一种非对称级联多电平逆变器具有优秀容错能力，为一种非对称级联多电平逆变器，凭借非对称二极管中点钳位单相逆变电路3的电路特性，能够在当该多电平逆变器中的开关器件发生故障时，实现对开关器件的开通和关断逻辑进行重新整合，以令该多电平逆变器重构电路拓扑，让该多电平逆变器在故障情况下仍然正常工作，从而提高级联多电平逆变器的可靠性。与此同时，该多电平逆变器采用了数量更少的额外器件，电路成本更低，实现简单，并且可以保障该多电平逆变器在容错运行期间输出和原来逆变器一致的电平和功率。
[0073] 在本申请实施例的描述中，需要说明的是，在本申请的描述中，术语“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
[0074] 实施例二
[0075] 参见图3～图11所示，基于本申请实施例一中的一种非对称级联多电平逆变器，本实施例进一步公开一种非对称级联多电平逆变器调制方法，该方法包括如下步骤：
[0076] S1：根据多电平逆变器运行状况判断三相逆变电路中第一H桥逆变电路4和第二H桥逆变电路5是否正常运行，若是，则执行步骤S2；若否，则执行步骤S3。
[0077] S2：通过控制模块以正常状态调制方式对三相逆变电路进行调制；
[0078] 参见图4所示，在本实施例中，步骤S2包括如下步骤：
[0079] S21：通过控制模块发出正弦波VM1以作为三相逆变电路的调制波；
[0080] S22：将开关器件Sa1和开关器件Sa4调整为常闭状态；
[0081] S23：通过控制模块分别执行以三角波VC1控制第二H桥逆变电路5中所有与电桥端E相连桥臂上的开关器件、以三角波VC2控制第一H桥逆变电路4中所有与电桥端C相连桥臂上的开关器件、以三角波VC3控制开关器件Sa2和开关器件Sa3、以三角波VC4控制开关器件Sa5和开关器件Sa6、以三角波VC5控制第一H桥逆变电路4中所有与电桥端D相连桥臂上的开关器件、以三角波VC6控制第二H桥逆变电路5中所有与电桥端F相连桥臂上的开关器件。
[0082] 具体实施时，在步骤S23中，三角波VC1、三角波VC2、三角波VC3、三角波VC4、三角波VC5、三角波VC6形成自上而下的波层叠结构，且峰峰值相同。
[0083] 作为一个具体示例，以本申请实施例一种的多电平逆变器为例，通过调节控制模块对多电平逆变器的三相逆变电路调制波和载波如图5所示。图5中，正弦波VM1为50Hz调制波；VC1～VC6为层叠结构的6个三角载波(下文简称三角波)，频率为1.5kHz，所有的载波均为峰峰值为1的三角波。通过调制波和三角载波进行比较，控制多电平逆变器正常工作。具体的控制逻辑如下：
[0084] 非对称二极管中点钳位单相逆变电路3(图2中的单元1)：开关器件Sa1和开关器件Sa4常闭、三角波VC3控制开关器件Sa2和开关器件Sa3、三角波VC4控制开关器件Sa5和开关器件Sa6；
[0085] 第一H桥逆变电路4(图2中的单元2)：三角波VC2控制开关器件Sa7和开关器件Sa8、三角波VC5控制开关器件Sa9和开关器件Sa10；
[0086] 第一H桥逆变电路5(图2中的单元3)：三角波VC1控制开关器件Sa11和开关器件Sa12、三角波VC6控制开关器件Sa13和开关器件Sa4。
[0087] 经本具体示例的调制，其输出电压波形VAN如图6所示(设置图2中的各电源电压均为Vdc，数值为100V)，可以看出，输出电压共有7个电平。
[0088] S3：通过控制模块以故障状态调制方式对三相逆变电路进行调制，以令其正常工作；
[0089] 参见图7所示，在本实施例中，步骤S3包括如下步骤：
[0090] S31：基于三相逆变电路运行情况判断是第一H桥逆变电路4出现故障还是第二H桥逆变电路5出现故障，若为第一H桥逆变电路4出现故障，则依次执行步骤S32—S34；若为第二H桥逆变电路5出现故障，则依次执行步骤S35—S37；
[0091] S32：基于第一H桥逆变电路4的运行事实寻到其中出现故障的开关器件；
[0092] 若为第一H桥逆变电路4中电桥一侧桥臂的单个或多个开关器件出现短路故障，或为第一H桥逆变电路4中电桥另一侧桥臂的单个或多个开关器件出现开路故障，则将第一H桥逆变电路4中电桥一侧桥臂的所有开关器件设置为常闭状态，将第一H桥逆变电路4中电桥另一侧桥臂的所有开关器件设置为常开状态，而后执行下一步；
[0093] 若为第一H桥逆变电路4中电桥一侧桥臂的单个或多个开关器件出现开路故障，或为第一H桥逆变电路4中电桥另一侧桥臂的单个或多个开关器件出现短路故障，则将第一H桥逆变电路4中电桥一侧桥臂的所有开关器件设置为常开状态，将第一H桥逆变电路4中电桥另一侧桥臂的所有开关器件设置为常闭状态，而后执行下一步；
[0094] S33：通过控制模块发出正弦波VM2以作为三相逆变电路的调制波，正弦波VM2的幅值小于正弦波VM1的幅值；
[0095] S34：通过控制模块分别执行以三角波VD1控制开关器件Sa5和开关器件Sa6、以三角波VD2控制第二H桥逆变电路5中所有与电桥端E相连桥臂上的开关器件、以三角波VD3控制开关器件Sa1和开关器件Sa3、以三角波VD4控制开关器件Sa2和开关器件Sa4、以三角波VD5控制第二H桥逆变电路5中所有与电桥端F相连桥臂上的开关器件；
[0096] S35：基于第:二H桥逆变电路5的运行事实寻到其中出现故障的开关器件；
[0097] 若为第二H桥逆变电路5中电桥一侧桥臂的单个或多个开关器件出现短路故障，或为第二H桥逆变电路5中电桥另一侧桥臂的单个或多个开关器件出现开路故障，则将第二H桥逆变电路5中电桥一侧桥臂的所有开关器件设置为常闭状态，将第二H桥逆变电路5中电桥另一侧桥臂的所有开关器件设置为常开状态，而后执行下一步；
[0098] 若为述第二H桥逆变电路5中电桥一侧桥臂的单个或多个开关器件出现开路故障，或为第二H桥逆变电路5中电桥另一侧桥臂的单个或多个开关器件出现短路故障，则将第二H桥逆变电路5中电桥一侧桥臂的所有开关器件设置为常开状态，将第二H桥逆变电路5中电桥另一侧桥臂的所有开关器件设置为常闭状态，而后执行下一步；
[0099] S36：通过控制模块发出正弦波VM2以作为三相逆变电路的调制波；
[0100] S37：通过控制模块分别执行以三角波VD1控制开关器件Sa5和开关器件Sa6、以三角波VD2控制第一H桥逆变电路4中所有与电桥端E相连桥臂上的开关器件、以三角波VD3控制开关器件Sa1和开关器件Sa3、以三角波VD4控制开关器件Sa2和开关器件Sa4、以三角波VD5控制第一H桥逆变电路4中所有与电桥端F相连桥臂上的开关器件。
[0101] 与此同时，三角波VD1、三角波VD2、三角波VD3、三角波VD4、三角波VD5形成自上而下的波层叠结构，三角波VD2、三角波VD3、三角波VD4、三角波VD5的峰峰值相同，且小于三角波VD1的峰峰值。
[0102] 作为一个实施例，仍以本申请实施例一种的多电平逆变器为例，由于第一、第二H桥逆变电路为同样结构，不妨以第二H桥逆变电路5中的开关器件出现故障为例。
[0103] 当第二H桥逆变电路5中开关器件发生故障时，可以通过控制第二H桥逆变电路5中的四个开关器件Sa11～Sa14，把整个第二H桥逆变电路5进行旁路，此时，整个逆变器只剩下非对称二极管中点钳位单相逆变电路3和第一H桥逆变电路4进行工作。
[0104] 结合图2，开关器件Sa11、开关器件Sa13位于第二H桥逆变电路5中电桥的一侧，开关器件Sa12、开关器件Sa14则位于第二H桥逆变电路5中电桥的另一侧，当开关器件Sa11、开关器件Sa13单个器件或者两个器件短路故障，或开关器件Sa12、开关器件Sa14单个器件或者两个器件开路故障时，可令开关器件Sa11和开关器件Sa13常闭，开关器件Sa12和开关器件Sa14常开，此时，三相逆变电路通过开关器件Sa11和开关器件Sa13把第二H桥逆变电路5旁路。参见图8所示。
[0105] 当开关器件Sa12、开关器件Sa14单个器件或者两个器件短路故障，或开关器件Sa11、开关器件Sa13单个器件或者两个器件开路故障时，令开关器件Sa12和开关器件Sa14常闭，开关器件Sa11和开关器件Sa13常开，此时，三相逆变电路通过开关器件Sa12和开关器件Sa14把第二H桥逆变电路5旁路。参见图9所示,。
[0106] 当第二H桥逆变电路5旁路后，整个三相逆变器电路的调制方式需要进行更改，这时候的调制波和载波如图10所示。图10中，VM2为50Hz正弦调制波，幅值降为VM1的2/3；VD1为峰峰值为2的三角载波，幅值从‑1到+1，VD2～VD5均为峰峰值为1的层叠结构三角载波，载波的频率均为1.5kHz。通过调制波和三角载波进行比较，控制多电平逆变器在第二H桥逆变电路5旁路的情况下工作。具体的控制逻辑如下：
[0107] 非对称二极管中点钳位单相逆变电路3：三角波VD1控制开关器件Sa5和开关器件Sa6、三角波VD3控制开关器件Sa1和开关器件Sa3、三角波VD4控制开关器件Sa2和开关器件Sa4；
[0108] 第一H桥逆变电路4：三角波VD2控制开关器件Sa7和开关器件Sa8、三角波VD5控制开关器件Sa9和开关器件Sa10。
[0109] 图11为三相逆变电路在故障前后输出电压波形。图中40ms为故障发生时刻。可以看出，输出相电压VAN在故障前后电压波形几乎没有变化，保持为7电平。V1、V2和V3分别为非对称二极管中点钳位单相逆变电路3、第一H桥逆变电路4和第二H桥逆变电路5的输出电压。可以看出，第二H桥逆变电路5在故障后被旁路，输出一直为零；非对称二极管中点钳位单相逆变电路3由故障前的3电平变为5电平，以补充第二H桥逆变电路5被旁路的空缺；第一H桥逆变电路4仍然为3电平输出。
[0110] 在本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“在本实施例中”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、机构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、机构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0111] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
