全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器整流級降額容錯控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及矩陣變換器整流級降額容錯方法，尤其設(shè)及全雙向開關(guān)型雙級矩陣變 換器整流級降額容錯控制方法，屬于電力電子器件容錯控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為空中交通工具和作戰(zhàn)單元，飛機在國民經(jīng)濟和國防事業(yè)中發(fā)揮著越來越重要 的作用。自二十世紀80年代提出全電飛機概念W來，其W低重量、低成本、易維護等優(yōu)點受 到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛專注。近年來隨著多電及全電飛機的推廣，用電作動器取代傳 統(tǒng)氣壓、液壓作動器已成為一種必然趨勢，而其可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全運行。高 容錯電作動器通過及時診斷系統(tǒng)中的故障，并在故障后主動重構(gòu)系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)，從而保 證整個系統(tǒng)不損失性能或者損失部分性能指標的情況下安全運行，成為近年來的研究熱 點。
[0003] 電機驅(qū)動系統(tǒng)（電作動器)通常由電機、功率變換器、傳感器W及控制器組成，每一 部分故障都會影響系統(tǒng)的正常運行，直至系統(tǒng)擁痕。針對電機本體故障，國內(nèi)外學(xué)者已研究 多年，并形成了較為成熟的方法;而變換器中的功率器件及其驅(qū)動故障，學(xué)者們對其關(guān)注較 少，其可靠性問題仍有待解決。
[0004] 矩陣變換器作為一種全娃型交-交變換器，W其體積重量小、功率密度高、能量可 雙向流動等優(yōu)點受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為增加矩陣變換器-電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性，國 內(nèi)外學(xué)者在變換器容錯和電機容錯兩方面均有研究。變換器容錯方面，現(xiàn)有容錯策略大多 針對直接矩陣變換器，主要有修改調(diào)制策略和增加冗余器件兩種方法。但直接矩陣變換器 無法發(fā)揮間接矩陣變換器巧位電路簡單、換流策略簡單的優(yōu)點，且現(xiàn)有容錯方法大多針對 開關(guān)管的開路故障，與實際應(yīng)用中，變換器因過壓過流過熱等原因失效的大多為短路故障 的現(xiàn)象不符。此外，現(xiàn)有容錯拓撲所能容錯的故障較為單一。因此，找到一種既能發(fā)揮雙級 矩陣變換器的優(yōu)點又能實現(xiàn)開關(guān)管短路/開路等多種故障容錯的拓撲，并研究其容錯策略 具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器整流級降 額容錯控制方法，針對整流級一個雙向開關(guān)單元短路或兩個同側(cè)雙向開關(guān)單元開路故障， 通過適當調(diào)整變換器的調(diào)制方式，使得系統(tǒng)能夠降額維持運行，保證系統(tǒng)輸入輸出特性。 [0006 ]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用W下技術(shù)方案：
[0007] 全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器整流級降額容錯控制方法，所述全雙向開關(guān)型雙級 矩陣變換器中，整流級為由六個雙向開關(guān)單元組成的=相橋式電路，逆變級為由六個雙向 開關(guān)單元組成的=相橋式電路，每個雙向開關(guān)單元由兩個在發(fā)射極相連的單向開關(guān)管構(gòu) 成;所述容錯控制方法為：
[0008] 當整流級中的一個雙向開關(guān)單元短路故障時，斷開與發(fā)生故障的雙向開關(guān)單元連 接在同一直流母線端的其它兩個雙向開關(guān)單元，同時斷開與發(fā)生故障的雙向開關(guān)單元同相 的另一雙向開關(guān)單元，利用整流級剩余兩個雙向開關(guān)單元進行開關(guān)切換實現(xiàn)容錯;根據(jù)輸 入電流綜合矢量所處扇區(qū)的不同，容錯過程在一個調(diào)制周期內(nèi)有=種調(diào)制方式：
[0009] 方式一：當構(gòu)成上述扇區(qū)的兩個空間矢量所表示的開關(guān)狀態(tài)均為:發(fā)生故障的雙 向開關(guān)單元導(dǎo)通，保持整流級、逆變級各開關(guān)管驅(qū)動信號不變；
[0010] 方式二：當構(gòu)成上述扇區(qū)的兩個空間矢量所表示的開關(guān)狀態(tài)均為：與發(fā)生故障的 雙向開關(guān)單元同相的另一雙向開關(guān)單元導(dǎo)通，交換整流級各橋臂上下兩個雙向開關(guān)單元的 驅(qū)動信號，同時，交換逆變級各橋臂四個開關(guān)管的驅(qū)動信號，具體為將各橋臂四個開關(guān)管自 上而下編號為1-4,其中編號1和4的開關(guān)管交換驅(qū)動信號，編號2和3的開關(guān)管交換驅(qū)動信 號；
[0011] 方式當構(gòu)成上述扇區(qū)的兩個空間矢量所表示的開關(guān)狀態(tài)為：其中一個空間矢 量需要故障相兩個雙向開關(guān)單元均斷開，用除構(gòu)成上述扇區(qū)的兩個空間矢量之外的四個空 間矢量中距無法實現(xiàn)的空間矢量最近的空間矢量替換無法實現(xiàn)的空間矢量，另一空間矢量 保持不變；
[0012] 替換后的空間矢量和保持不變的空間矢量中，其中一個所表示的開關(guān)狀態(tài)為:發(fā) 生故障的雙向開關(guān)單元導(dǎo)通，則在該空間矢量作用時，保持整流級、逆變級各開關(guān)管驅(qū)動信 號不變;另一個所表示的開關(guān)狀態(tài)為：與發(fā)生故障的雙向開關(guān)單元同相的另一雙向開關(guān)單 元導(dǎo)通，則在該空間矢量作用時，交換整流級各橋臂上下兩個雙向開關(guān)單元的驅(qū)動信號，同 時，交換逆變級各橋臂四個開關(guān)管的驅(qū)動信號，具體為將各橋臂四個開關(guān)管自上而下編號 為1-4,其中編號1和4的開關(guān)管交換驅(qū)動信號，編號2和3的開關(guān)管交換驅(qū)動信號。
[0013] 作為所述全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器整流級降額容錯控制方法的進一步優(yōu)化 方案，方式=中，容錯前構(gòu)成輸入電流綜合矢量所處扇區(qū)的兩個空間矢量，其中一個需要故 障相兩個雙向開關(guān)單元均斷開，設(shè)其占空比為Ox,該空間矢量容錯后被替換，另一空間矢量 的占空比為Oy,該空間矢量容錯后保持不變;容錯后，用于替換需要故障相兩個雙向開關(guān)單 元均斷開的空間矢量的新空間矢量，其占空比為Ox;保持不變的空間矢量，其占空比為
[0014] 再進一步的，容錯后，整流級兩個空間矢量占空比均小于0.577。
[0015] 再進一步的，所述整流級采用無零矢量調(diào)制策略，該無零矢量調(diào)制策略中有效矢 量將平面劃分為6個扇區(qū)，需要故障相兩個雙向開關(guān)單元均斷開的兩個有效矢量將平面劃 分為兩塊，每塊有3個扇區(qū)；容錯后，其中一塊中3個扇區(qū)空間矢量作用順序保持不變，交換 另一塊3個扇區(qū)每個扇區(qū)的兩個空間矢量作用順序。
[0016] 全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器整流級降額容錯控制方法，所述全雙向開關(guān)型雙級 矩陣變換器中，整流級為由六個雙向開關(guān)單元組成的=相橋式電路，逆變級為由六個雙向 開關(guān)單元組成的=相橋式電路，每個雙向開關(guān)單元由兩個在發(fā)射極相連的單向開關(guān)管構(gòu) 成;所述容錯控制方法為：
[0017] 整流級兩個同側(cè)雙向開關(guān)單元開路故障等效為整流級非故障相橋臂上與運兩個 雙向開關(guān)單元同側(cè)的雙向開關(guān)單元短路故障，針對整流級非故障相橋臂上與運兩個雙向開 關(guān)單元同側(cè)的雙向開關(guān)單元短路故障采用權(quán)利要求1所述容錯控制方法。
[0018] 本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0019] 1、本發(fā)明控制方法使整流級一個雙向開關(guān)單元發(fā)生短路故障時，無需隔離故障 相、增加冗余橋臂，利用開關(guān)管故障特性通過調(diào)整開關(guān)切換方式使系統(tǒng)繼續(xù)運行，簡化了雙 級矩陣變換器的容錯策略，降額運行后可保證系統(tǒng)輸入輸出特性。
[0020] 2、本發(fā)明控制方法使整流級兩個同側(cè)雙向開關(guān)單元發(fā)生開路故障時，因其可等效 為與運兩個雙向開關(guān)單元同側(cè)的另一相的雙向開關(guān)單元短路故障，采用整流級一個雙向開 關(guān)單元短路故障的容錯控制方法即可實現(xiàn)兩個同側(cè)雙向開關(guān)單元開路故障的容錯控制。
[0021] 3、本發(fā)明控制方法提高了雙級矩陣變換器的容錯運行能力，具有重要的實際應(yīng)用 意義。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器的主功率拓撲圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明矩陣變換器整流級輸入電流空間矢量圖。
[0024] 圖3是正常工作狀態(tài)下系統(tǒng)直流母線電壓、輸出電壓和輸入電流波形圖。
[0025] 圖4是整流級一個雙向開關(guān)單元短路故障容錯時，模態(tài)3時整流級逆變級各開關(guān)管 驅(qū)動波形圖。
[0026] 圖5是整流級一個雙向開關(guān)單元短路故障容錯時，整流級各開關(guān)管驅(qū)動波形圖。
[0027] 圖6是整流級一個雙向開關(guān)單元短路故障容錯時，系統(tǒng)直流母線電壓波形及逆變 級輸入等效直流母線電壓波形圖。
[0028] 圖7是整流級一個雙向開關(guān)單元短路故障容錯時，系統(tǒng)輸出電壓和輸入電流波形 圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性 的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0030] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W理解，除非另外定義，運里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語 和科學(xué)術(shù)語)具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該 理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意 義一致的意義，并且除非像運里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0031] ( - )全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)介紹
[0032] 如圖1所示，為全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖，主功率拓撲由整流級、 直流母線和逆變級=部分組成。其中，輸入=相用A，B，C表示，輸出=相用U，V，W表示，直流 母線的兩級分別記為P和n。整流級為由六個雙向開關(guān)單元組合而成的=相橋式電路，六個 雙向開關(guān)單元可用SYM(Y=A，B，C;M = p，n)表示，意指連接輸入Y相與直流母線M端;逆變級從 原來的六個單向開關(guān)管改為六個雙向開關(guān)單元，運一改變使其具有承受反向電壓的能力， 直流母線電壓極性能在某些情況下反向，六個雙向開關(guān)單元用SxM(X = U，V，W;M=p，n)表示， 意指連接輸出側(cè)X相與直流母線M端。
[0033] (二）正常運行狀態(tài)
[0034] -般雙級矩陣變換器整流級開關(guān)管的通斷狀態(tài)可用元素全為喊1的2 X 3矩陣表示，共9 種開關(guān)狀態(tài)祖合，分別為//I。。-心「。I。―，/34。L。1，命「。。1]平[。。I]， W yi nA 心、'U O , yj 刀^ 八 ' L日 O 1 , 2 L〇 O '1」'3 Li O :日」4 '0 〇」'，'[_0 .1 O 噸：4;三3,沖;3, 4書。，其中，0表示雙向開關(guān)單元斷開，1 表不雙向開關(guān)單兀接通。9個開關(guān)狀態(tài)組合中，Il~Is為有效矢量，I?~19為零矢量。六個有 效矢量將平面劃分為6個扇區(qū)，扇區(qū)號用Sr(Sr= I，II~VI)表示，如圖2所示。
[0035] 對于全雙向開關(guān)型雙級矩陣變換器，用SxM^j = I, 2)分別表示逆變級雙向開關(guān)單 元中的兩個開關(guān)管，對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。正常運行時，整流級采用無零矢量的空間矢量調(diào) 審IJ，直流電壓Upn為正，Sxmi根據(jù)輸出參考電壓大小及所處扇區(qū)位置確定開關(guān)切換次序和導(dǎo)通 時間長短。
[0036] 如圖3所示，給出了正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)直流母線電壓、=相輸出電壓和=相輸 入電流波形圖。從圖中可W發(fā)現(xiàn)，正常工作時，直流母線電壓Upn為正，呈經(jīng)典的扇形波，輸入 電流和輸出電壓均為=相正弦波。
[0037] (=)整流級一個雙向開關(guān)單元短路故障容錯策略
[0038] 不失一般性的，WSep發(fā)生短路故障為例，C相始終與直流母線P