[0001] 本发明属于逆变器容错控制技术领域，尤其涉及兼顾电流纹波与开关损耗降低的T型逆变器容错控制方法。

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 逆变器作为发电机与电网或者负载之间的接口，对满足可再生能源发电系统高效率、高可靠、高功率密度等要求发挥着至关重要的作用。其中，T型三电平逆变器因具有结构简单、损耗小、输出波形谐波少等优点得到广泛应用。

[0004] 一方面，效率是衡量系统性能的重要指标，逆变器高效运行是节约能量的有效手段。其中，调制策略是影响逆变器工作效率的重要因素。目前，非连续脉宽调制(Discontinuous Pulse Width Modulation,DPWM)策略是降低逆变器系统开关损耗的重要手段。与传统的正弦脉宽调制(Sinusoidal PWM,SPWM)和空间矢量调制(SVPWM)相比，DPWM可以在一个周期内的一段时间将某相电压箝位，使该相开关管在电压箝位时不发生动作，从而减小开关损耗，提高逆变器系统效率。

[0005] 另一方面，由于T型三电平逆变器开关管数量增多，且其工作环境复杂，开关管发生故障的概率显著增加。当开关管发生故障时，系统输出电流严重畸变，甚至危害系统及人身安全，严重降低逆变器系统的可靠性。开关管的故障类型分为短路与开路两种情况：当发生短路故障时，功率回路产生的瞬时大电流通常会威胁整个变流器系统，因此一般采用辅助电路进行隔离，将短路故障转换为开路故障；当发生开路故障时，不会瞬间对功率器件乃至整个系统造成毁灭性损坏，其对应的故障可通过控制方法消除，减少因故障停机带来的损失，因此逆变器开关管故障下的容错控制尤为重要。

[0006] 然而，DPWM策略与容错控制均导致可使用的空间电压矢量数量减少，使输出电流产生较大纹波，因此需要同时兼顾电流纹波的抑制，以减小滤波器体积，进而提高系统功率密度。

[0059] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0060] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0061] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0062] 实施例一

[0063] 本实施例提供兼顾电流纹波与开关损耗降低的T型逆变器容错控制方法，包括如下步骤：

[0064] 步骤1：向三相初始调制波中注入零序分量，在任一时刻将三相中的一相进行箝位，并得到每个区域的候选箝位状态；

[0065] 步骤2：分析T型三电平逆变器开关管故障情况下的电流路径，得到开关管故障时不存在的开关状态，并根据故障相电流方向将一个基波周期分为健康半周期和故障半周期；

[0066] 步骤3：在故障半周期中，根据不同开关管故障情况对箝位状态进行选择或对载波进行重构来避免使用不存在的开关状态，实现容错控制；

[0067] 步骤4：按三相相电压的大小对所有矢量进行重新排序，并计算电流纹波斜率与矢量作用时间，进而计算电流纹波，选择电流纹波最小的箝位状态来实现电流纹波的抑制；

[0068] 步骤5：分别建立健康半周期和故障半周期的中点电流模型，当中点电压超出可接受范围时，根据中点电流的大小选择箝位状态，实现中点电压平衡控制。

[0069] 本发明在兼顾电流纹波与开关损耗降低的同时，实现了T型三电平逆变器的容错控制。在开关管故障时，消除了三相输出电流畸变，降低了电流总谐波畸变率，降低了开关管开关次数，并保持直流侧中点电压平衡。

[0070] 如图1所示为T型三电平逆变器系统的拓扑结构图，包括A相、B相和C相桥臂，每相桥臂包括四个功率开关管，由两个外开关管(Sx1,Sx4)和两个内开关管(Sx2,Sx3)构成。直流侧包括两个串联连接的电容C1和C2，两个电容的中间形成一个中性点。

[0071] 具体地，T型三电平逆变器系统的每相桥臂有三种工作状态[P]、[O]、[N]，以直流侧两个电容的中性点为参考点，[P]状态时桥臂输出电压等于上侧电容电压值，[O]状态时桥臂输出电压等于零，[N]状态时桥臂输出电压等于下侧电容电压的负值。

[0072] 表1为T型三电平逆变器系统的开关状态、输出电压及每相桥臂各个功率开关管的工作情况。

[0073] 表1 T型三电平逆变器开关状态、输出电压及开关管工作情况

[0074]

[0075] 不同的开关状态构成了27个矢量，包括3个零矢量、12个小矢量、6个中矢量和6个大矢量，空间矢量图如图2所示。6个大矢量将整个矢量图分为6个大扇区，每个大扇区又被分为4个子扇区：A，B，C，D。

[0076] 三相初始调制波 表示为：

[0077]

[0078] 其中，ωt为A相的相角，M为调制度。

[0079] 将初始调制波按大小进行排序得：

[0080]

[0081] imax、imid、imin分别为对应相电流。在一个开关周期内，可以将x相箝位至[P]、[O]、[N]，分别表示为X_P、X_O、X_N，注入的零序分量表示为：

[0082]

[0083] 最终调制波mx表示为：

[0084]

[0085] 本发明通过零序分量注入，在任一时刻将三相中的一相进行箝位，减小开关管开关次数并降低开关损耗，实现逆变器效率提升。

[0086] 所有的箝位状态被总结在表2中。

[0087] 表2所有箝位状态与分布子扇区

[0088]

[0089] T型三电平逆变器开关管故障分为外开关管故障和内开关管故障，分别以Sa1故障和Sa2故障为例进行分析，电流路径如图3所示。

[0090] 当ia>0时，A相的[P]状态在Sa1故障时无法产生，A相的[O]状态在Sa2故障时无法产生，此时如果用不存在的开关状态去合成参考矢量，输出电流将发生畸变；当ia<0时，电流路径与正常情况一致。因此，根据故障相电流方向，将一个基波周期分为一个故障半周期(ia>0)和一个健康半周期(ia<0)。

[0091] Sa1故障时，首先将调制度降低至0.58以下，此时参考矢量始终位于A子扇区，同时仅选择使用部分箝位状态，如ma＝mmax时，MAX_P1，MID_O和MIN_O不能使用，只有MAX_O和MIN_N3可以被选择，避免A相[P]状态的使用来实现容错控制。Sa2故障时，无需降低调制度，在健康半周期仍然使用两个幅值为1的载波，而在故障半周期改为使用一个幅值为2的载波，如图4所示，避免了不存在[O]状态的使用，实现容错控制。

[0092] 本发明通过在不同开关管故障情况下选择箝位状态或进行载波重构，避免不存在开关状态的使用，实现逆变器容错控制，进而提高了系统的可靠性。

[0093] 由于容错控制与DPWM均导致了可使用的空间矢量数量减少，导致输出电流纹波增大，因此需要选择最优的开关状态来降低电流纹波。

[0094] 根据基尔霍夫电压定律得：

[0095]

[0096] 其中，L为电感值，VxO为相电压，Vdc为直流侧电压，VnO为n点与O点之间电压，表示为：

[0097]

[0098] 根据空间矢量图的对称性，所有的矢量可以根据三相相电压的大小被重构为[Vmax,Vmid,Vmin]，分别表示每个矢量开关状态的电压最大值、中间值、最小值。例如在第II扇区中，始终满足mb>ma>mc，那么此时[Vmax,Vmid,Vmin]对应为[VbO,VaO,VcO]；定义归一化的三相相电压为：

[0099]

[0100] 三相电流纹波斜率的初始常数项被计算为：

[0101]

[0102] 由于在Sa2故障时进行了载波重构来实现容错控制，会出现一些错误序列矢量，如箝位状态为MAX_P3且ma＝mmin时，容错控制后的开关序列变为[P,N,N]‑[P,O,N]‑[P,O,P]‑[P,O,N]‑[P,N,N]，[P,O,P]即为错误序列矢量，因此需要对纹波斜率常数项进行修改，最终表示为：

[0103]

[0104] 最终的电流纹波斜率表示为：

[0105]

[0106] x相的纹波电流表示为：

[0107] ix_rip＝ix‑ix_ref (11)

[0108] 其中，ix_ref表示理想的电流。由于一个开关周期内电流纹波的对称性，因此只需计算电流纹波均方根的一半，表示为：

[0109]

[0110] 其中，Ts表示开关周期，t1,t2,t3分别表示一个开关周期中各矢量作用时间的一半，k1,k2,k3分别表示矢量序列中各矢量的对应电流纹波斜率。

[0111] 三相电流纹波的平均值表示为：

[0112]

[0113] 如矢量序列为[P,N,N]‑[P,O,N]‑[P,O,O]‑[P,O,N]‑[P,N,N]时，作用时间计算为：

[0114]

[0115] 本发明通过得到电流纹波与作用矢量的关系，由电流纹波斜率与矢量作用时间计算得到每个箝位状态的电流纹波值，并选择电流纹波最小的箝位状态实现电流纹波的抑制，减小了滤波器体积，从而提高系统功率密度。

[0116] 同时，直流侧中点电压平衡是保障T型三电平逆变器安全稳定运行的关键。中点电压受中点电流影响，健康半周期中的中点电流可以表示为：

[0117] iNPh＝(1‑|ma|)·ia+(1‑|mb|)·ib+(1‑|mc|)·ic  (15)

[0118] 由于平衡的三相电流有如下关系：

[0119] ia+ib+ic＝0  (16)

[0120] 则(15)式可改写为：

[0121] iNPh＝‑|ma|·ia‑|mb|·ib‑|mc|·ic  (17)

[0122] 在Sa2故障时的故障半周期中，由于A相在进行容错控制后不存在[O]状态，对中点电流没有影响，此时的中点电流模型表示为：

[0123] iNPf＝‑ia‑|mb|·ib‑|mc|·ic  (18)

[0124] 设定中点电压阈值VTH，当中点电压ΔVPN在可接受范围内，即‑VTH<ΔVPNVTH时，选择对应中点电流最大的箝位状态；当ΔVPN<‑VTH时，选择对应中点电流最小的箝位状态。通过这种方法，实现了直流中点电压的平衡控制。

[0125] 本发明通过建立中点电流模型，在中点电压超出可接受范围时根据中点电流进行箝位状态的选择，实现了直流侧中点电压的平衡控制，保障系统安全稳定运行。

[0126] 上述方法实现了兼顾电流纹波与开关损耗降低的T型三电平逆变器的容错控制，图5所示为系统的控制框图。

[0127] 图6和图7分别为Sa1和Sa2故障时T型三电平逆变器系统的输出波形图，包括三相输出电流、A相的相电压、A相与B相之间的线电压和两个直流侧电容两端电压。可以看出，本发明所提出的容错控制方法可以消除因故障引起的三相电流畸变，相电压在一段时间内被箝位，中点电压保持平衡，且THDi较传统容错控制方法显著降低。证明本发明所提方法同时实现了容错控制、电流纹波降低、开关损耗降低与中点电压平衡。

[0128] 实施例二

[0129] 本实施例提供了兼顾电流纹波与开关损耗降低的T型逆变器容错控制系统，包括：

[0130] 零序注入模块，被配置为向三相初始调制波中注入零序分量，在任一时刻将三相中的一相进行箝位，得到所有的候选箝位状态；

[0131] 电流路径分析模块，被配置为分析T型三电平逆变器开关管故障时的电流路径，得到相应故障不存在的开关状态，根据故障相电流方向将基波周期分为健康半周期和故障半周期；

[0132] 容错控制模块，被配置为在故障半周期中，根据开关管的故障类型，对箝位状态选择或对载波进行重构以避免不存在的开关状态的使用；

[0133] 电流纹波抑制模块，被配置为容错控制后，按三相相电压的大小对空间矢量图中所有矢量重新排序，基于排序后的矢量计算电流纹波斜率与矢量作用时间，根据电流纹波斜率与矢量作用时间计算每个候选箝位状态的电流纹波值，得到电流纹波值最小的箝位状态；

[0134] 中点电压控制模块，被配置为分别建立健康半周期和故障半周期的中点电流模型，当中点电压处于设定的电压阈值范围内，选择电流纹波值最小的开关状态，当中点电压超出设定的电压阈值范围，根据中点电流模型选择开关状态。

[0135] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。