[发明专利]级联H桥变换器故障时拓扑重构及其功率因数角计算方法

说明书

本发明提供了一种级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，属于容错控制技术领域。若H桥模块单元的某一个或者两个开关管发生开路故障时，可切换到无桥模块单元运行模式，并与正常运行的H桥模块单元相配合，以混合级联多电平变换器模式运行，在提供有功功率的同时，仍然能够实现滞后、超前和单位功率因数运行。另外，本发明还给出了级联H桥多电平变换器切换到混合级联多电平变换器运行模式下可运行的最大功率因数角的计算方法，为能否切换提供依据。与现有方法相比，本发明充分利用了故障模块单元中正常运行的开关管，给出了能否切换的依据，减少了故障对系统的影响，提高了可靠性。

技术领域

本发明属于高电压大功率级联式电力电子变换器在电能变换中的容错控制技术领域,特别涉及级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法。

背景技术

级联H桥多电平变换器广泛运用在静止同步补偿器、光伏并网逆变器、电力电子变压器、中高压变频器、储能系统中，具有开关损耗较小、应力低、结构简单、易于模块化、可冗余操作运行等优点。近年来，基于新能源发电技术的分布式发电系统得到了越来越多的关注以及日益广泛的应用，将级联H桥多电平变换器融合无功补偿功能，使得其在实现其自身功能的同时，完成对电网的无功补偿是一种更经济合理的电能质量治理方案。然而，级联H桥多电平变换器的基础元件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)非常脆弱，故障率高，一旦发生故障将会影响整个系统的正常运行，甚至对电网造成严重的经济损失，特别是当级联H桥多电平变换器向电网注入无功功率以维持母线电压稳定的场合。此外，在高压的应用场合中，级联的H桥模块的数量很多，因此采用容错控制对于系统保持原有状态或在原有性能稍低的状态下运行是十分有必要的。

针对级联H桥多电平变换器，有不少学者对其容错控制进行了研究，主要分为两大类。一是通过旁路发生故障的模块，同时增加其它H桥模块输出电压的参考值，保持总的输出电压参考值不变，设计合适的控制器的方法来实现正常运行。二是通过增加冗余模块，发生故障时旁路发生故障的模块，同时接入冗余模块来实现正常运行。尽管上述方法均可行，但是均没有充分利用故障模块中的非故障器件的输出能力，并且冗余模块的投入，会增加级联H桥多电平变换器的体积和成本，降低系统的效率。因此，如何有效地利用故障单元中非故障器件的输出能力，并且计算出此时变换器可运行的最大功率因数角对级联H桥多电平变换器融合无功补偿功能的正常运行具有重要意义。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供的一种适用于级联H桥多电平变换器开路故障运行时的拓扑重构及其可运行的最大功率因数角的计算方法，其特征在于：

本发明在级联H桥多电平变换器的H桥模块单元的某一个或者两个开关管(除去对角线侧的两个开关管)发生开路故障时，可以将发生故障的H桥模块单元切换到无桥模块单元运行模式，包括Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式以及对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，此时以无桥模块单元模式运行的故障模块与剩余正常运行的H桥模块单元相配合，称为混合级联多电平变换器模式，此时发生故障的级联H桥多电平变换器在提供有功功率的同时，仍然能够实现滞后、超前和单位功率因数运行，为系统提供连续的无功功率。然而，当故障模块切换到无桥模块单元运行模式时，由于无桥模块单元的单向特性，会限制级联H桥多电平变换器以混合级联多电平变换器模式运行时所能提供的无功功率，因此，需要计算混合级联多电平变换器运行模式下可运行的最大功率因数角，在需要提供无功功率补偿的场合中，为故障的级联H桥多电平变换器能否切换到混合级联多电平变换器运行模式提供依据。

H桥模块单元的四个功率开关管自上而下编号为S1、S2、S3、S4，如图2所示，H桥模块单元的某一个或者两个开关管发生开路故障时，两个开关管不包含对角线侧的两个开关管同时发生开路故障的情况，共有8种故障状态,如表1所示，四种无桥模块单元运行模式，包括Boost无桥模块单元运行模式、对称的Boost无桥模块单元运行模式、图腾柱无桥模块单元运行模式和对称的图腾柱无桥模块单元运行模式，如图3～图6所示。