本發(fā)明屬于電路故障控制領(lǐng)域，具體涉及了諧振型雙有源橋變換器功率半導(dǎo)體開路故障容錯(cuò)控制方法。

背景技術(shù)：

1、諧振型雙有源橋變換器無需閉環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)所有功率半導(dǎo)體器件軟開關(guān)，具有運(yùn)行效率高、功率密度高等突出優(yōu)勢(shì)，是電力電子變壓器等智能化電氣設(shè)備的核心元件，在交直流混合配電網(wǎng)、可再生能源并網(wǎng)發(fā)電以及電氣化軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，國(guó)家電網(wǎng)公司、株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司分別主持實(shí)施了應(yīng)用于交直流混合配電網(wǎng)、高速列車牽引供電系統(tǒng)的電力電子變壓器研發(fā)與示范項(xiàng)目，均采用雙有源橋變換器作為高頻隔離和電能變換的核心元件。

2、現(xiàn)有絕大多數(shù)諧振型雙有源橋變換器直流側(cè)電容較大，運(yùn)行過程中直流電容電壓基本維持不變，其開關(guān)頻率由高頻變壓器漏感和諧振電容組成的高頻回路的諧振頻率所決定。此外，諧振型雙有源橋變換器功率半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率高，電流應(yīng)力大，易出現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件開路故障。任一功率半導(dǎo)體器件開路故障不影響高頻環(huán)節(jié)諧振頻率，僅通過拓?fù)渲貥?gòu)方式即可實(shí)現(xiàn)開路故障容錯(cuò)運(yùn)行。刊登在《ieee?transactions?on?powerelectronics》第32卷2期的《a?fault-tolerant?series-resonant?dc–dc?converter》提出通過拓?fù)渲貥?gòu)方式實(shí)現(xiàn)開路故障下諧振型雙有源橋變換器容錯(cuò)運(yùn)行。刊登在《ieeetransactions?on?power?electronics》第27卷5期的《open-circuit?fault?diagnosisand?fault-tolerant?strategies?for?full-bridge?dc–dc?converters》提出通過改變高頻變壓器變比方式實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件開路故障容錯(cuò)運(yùn)行，但該方法需要增加硬件，成本較高?？窃凇峨娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化》第42卷20期的《直流配電系統(tǒng)sr-dab接口變換器的復(fù)合容錯(cuò)控制方法》提出采用拓?fù)渲貥?gòu)+非對(duì)稱占空比方式實(shí)現(xiàn)諧振型雙有源橋變換器容錯(cuò)運(yùn)行，但該方法需要部分功率半導(dǎo)體器件承擔(dān)硬開關(guān)，損耗較高。

3、但是，直流側(cè)電容較大的雙有源橋變換器儲(chǔ)能元件體積大，嚴(yán)重制約其功率密度提高。然而，隨著諧振型雙有源橋變換器直流側(cè)電容減小，尤其是直流側(cè)電容與諧振電容基本相當(dāng)時(shí)，其開關(guān)頻率不僅與高頻環(huán)節(jié)諧振頻率有關(guān)，也與直流側(cè)電容有關(guān)，開關(guān)頻率與諧振頻率關(guān)系較復(fù)雜。此種情況下諧振型雙有源橋變換器功率半導(dǎo)體器件出現(xiàn)開路故障時(shí)，其正負(fù)半波電流將出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱，傳統(tǒng)的拓?fù)渲貥?gòu)方法難以實(shí)現(xiàn)開路故障容錯(cuò)運(yùn)行，現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有涉及小直流電容的諧振型雙有源橋變換器功率半導(dǎo)體開路故障容錯(cuò)運(yùn)行控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，即小直流電容的dab變換器中，功率半導(dǎo)體開路故障致電流不對(duì)稱，傳統(tǒng)拓?fù)渲貥?gòu)法難以實(shí)現(xiàn)有效容錯(cuò)運(yùn)行的問題，本發(fā)明提供了一種諧振型雙有源橋變換器功率半導(dǎo)體開路故障容錯(cuò)控制方法，應(yīng)用于一種諧振型雙有源橋變換器，所述諧振型雙有源橋變換器由高壓側(cè)直流電容c1、低壓側(cè)直流電容c2、高壓側(cè)諧振電容crp、低壓側(cè)諧振電容crs、高頻變壓器漏感l(wèi)r、第一功率半導(dǎo)體器件s1、第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3、第四功率半導(dǎo)體器件s4、第五功率半導(dǎo)體器件s5、第六功率半導(dǎo)體器件s6、第七功率半導(dǎo)體器件s7、第八功率半導(dǎo)體器件s8組成，該方法包括：

2、步驟a1，判斷發(fā)生開路故障的功率半導(dǎo)體的位置，若發(fā)生開路故障的功率半導(dǎo)體為第五功率半導(dǎo)體器件s5、第六功率半導(dǎo)體器件s6、第七功率半導(dǎo)體器件s7、第八功率半導(dǎo)體器件s8中任意一個(gè)時(shí)，跳轉(zhuǎn)至步驟a2；

3、若發(fā)生開路故障的功率半導(dǎo)體為第一功率半導(dǎo)體器件s1或第三功率半導(dǎo)體器件s3時(shí)，跳轉(zhuǎn)至步驟a3；若發(fā)生開路故障的功率半導(dǎo)體為第二功率半導(dǎo)體器件s2或第四功率半導(dǎo)體器件s4時(shí)，跳轉(zhuǎn)至步驟a4；

4、步驟a2，閉鎖第五功率半導(dǎo)體器件s5、第六功率半導(dǎo)體器件s6、第七功率半導(dǎo)體器件s7、第八功率半導(dǎo)體器件s8，根據(jù)高頻電流初始相位計(jì)算開關(guān)頻率，基于開關(guān)頻率分配功率半導(dǎo)體器件開關(guān)時(shí)序；

5、步驟a3，若第一功率半導(dǎo)體器件s1發(fā)生開路故障，則使第七功率半導(dǎo)體器件s7始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，第八功率半導(dǎo)體器件s8始終處于關(guān)斷狀態(tài)，

6、若第三功率半導(dǎo)體器件s3發(fā)生開路故障，則使第五功率半導(dǎo)體器件s5始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，第六功率半導(dǎo)體器件s6始終處于關(guān)斷狀態(tài)；

7、根據(jù)高頻電流負(fù)半波幅值與初始相位計(jì)算得到開關(guān)周期，基于開關(guān)周期分配功率半導(dǎo)體器件開關(guān)時(shí)序；

8、步驟a4，若第二功率半導(dǎo)體器件s2發(fā)生開路故障，則使第八功率半導(dǎo)體器件s8始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，第七功率半導(dǎo)體器件s7始終處于關(guān)斷狀態(tài)；若第四功率半導(dǎo)體器件s4發(fā)生開路故障，則使第六功率半導(dǎo)體器件s6始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，第五功率半導(dǎo)體器件s5始終處于關(guān)斷狀態(tài)；

9、根據(jù)高頻電流正半波幅值與初始相位計(jì)算得到開關(guān)周期，基于開關(guān)周期分配功率半導(dǎo)體器件開關(guān)時(shí)序。

10、優(yōu)選的，步驟a2中，所述高頻電流初始相位其計(jì)算方法為：

11、

12、其中，λf為諧振型雙有源橋變換器諧振電容與直流側(cè)電容之比，n為高頻變壓器的變比；

13、λf的計(jì)算方法為：

14、

15、優(yōu)選的，步驟a2中，所述開關(guān)頻率，其計(jì)算方法為：

16、

17、其中，frf1為諧振型雙有源橋變換器諧振頻率。

18、優(yōu)選的，步驟a2中，基于開關(guān)頻率分配功率半導(dǎo)體器件開關(guān)時(shí)序，其方法為：

19、當(dāng)k/2fs≤t＜(k+1)/2fs時(shí)，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第四功率半導(dǎo)體器件s4導(dǎo)通，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3關(guān)斷；

20、當(dāng)(k+1)/2fs≤t＜(k+2)/2fs時(shí)，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3導(dǎo)通，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第四功率半導(dǎo)體器件s4關(guān)斷；

21、其中，k為整數(shù)，t為時(shí)間變量。

22、優(yōu)選的，步驟a3中，所述高頻電流負(fù)半波幅值和高頻電流負(fù)半波初始相位，其計(jì)算方法為：

23、

24、其中，irn為高頻電流負(fù)半波幅值，θn為高頻電流負(fù)半波初始相位，i1為諧振型雙有源橋變換器高壓側(cè)輸入電流，kn為負(fù)半周電容比值系數(shù)，ωrn為負(fù)半周諧振角頻率；

25、kn和ωrn，其計(jì)算方法為：

26、

27、優(yōu)選的，步驟a3中，所述開關(guān)周期包括正半波開關(guān)周期和負(fù)半波開關(guān)周期，其計(jì)算方法為：

28、

29、其中，tp為正半波開關(guān)周期，tn為負(fù)半波開關(guān)周期，tz1和tz2是負(fù)半周電流相鄰的過零時(shí)刻，其計(jì)算方法為：

30、

31、優(yōu)選的，步驟a3中，基于開關(guān)周期分配功率半導(dǎo)體器件開關(guān)時(shí)序，其方法為：

32、當(dāng)?shù)谝还β拾雽?dǎo)體器件s1開路時(shí)，ktp+ktn≤t＜(k+1)tp+ktn，第四功率半導(dǎo)體器件s4、第五功率半導(dǎo)體器件s5導(dǎo)通，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3、第六功率半導(dǎo)體器件s6關(guān)斷；

33、(k+1)tp+ktn≤t＜(k+1)tp+(k+1)tn，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3、第六功率半導(dǎo)體器件s6導(dǎo)通；第四功率半導(dǎo)體器件s4、第五功率半導(dǎo)體器件s5關(guān)斷；

34、當(dāng)?shù)谌β拾雽?dǎo)體器件s3開路時(shí)，ktp+ktn≤t＜(k+1)tp+ktn，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第四功率半導(dǎo)體器件s4、第八功率半導(dǎo)體器件s8導(dǎo)通，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第七功率半導(dǎo)體器件s7關(guān)斷；

35、(k+1)tp+ktn≤t＜(k+1)tp+(k+1)tn，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第七功率半導(dǎo)體器件s7導(dǎo)通；第一功率半導(dǎo)體器件s1、第四功率半導(dǎo)體器件s4、第八功率半導(dǎo)體器件s8關(guān)斷；

36、其中，k為整數(shù)，t為時(shí)間變量。

37、優(yōu)選的，步驟a4中，高頻電流正半波幅值與初始相位，其計(jì)算方法為：

38、

39、其中，irp為高頻電流正半波幅值，θp為高頻電流正半波初始相位，i1為諧振型雙有源橋變換器高壓側(cè)輸入電流，kp為正半周電容比值系數(shù)，ωrp為正半周諧振角頻率；

40、kp和ωrp，計(jì)算方法為：

41、

42、優(yōu)選的，步驟a4中，所述開關(guān)周期包括正半波開關(guān)周期和負(fù)半波開關(guān)周期，其計(jì)算方法為：

43、

44、其中，tp為正半波開關(guān)周期，tn為負(fù)半波開關(guān)周期，tz1和tz2為負(fù)半周電流相鄰的過零時(shí)刻，其計(jì)算方法為：

45、

46、優(yōu)選的，步驟a4中，基于開關(guān)周期分配功率半導(dǎo)體器件開關(guān)時(shí)序，其方法為：

47、當(dāng)?shù)诙β拾雽?dǎo)體器件s2開路時(shí)，ktp+ktn≤t＜(k+1)tp+ktn，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第四功率半導(dǎo)體器件s4、第五功率半導(dǎo)體器件s5導(dǎo)通，第三功率半導(dǎo)體器件s3、第六功率半導(dǎo)體器件s6關(guān)斷；

48、(k+1)tp+ktn≤t＜(k+1)tp+(k+1)tn，第三功率半導(dǎo)體器件s3、第六功率半導(dǎo)體器件s6導(dǎo)通，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第四功率半導(dǎo)體器件s4、第五功率半導(dǎo)體器件s5關(guān)斷；

49、當(dāng)?shù)谒墓β拾雽?dǎo)體器件s4開路時(shí)，ktp+ktn≤t＜(k+1)tp+ktn，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第八功率半導(dǎo)體器件s8導(dǎo)通，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3、第七功率半導(dǎo)體器件s7關(guān)斷；

50、(k+1)tp+ktn≤t＜(k+1)tp+(k+1)tn，第二功率半導(dǎo)體器件s2、第三功率半導(dǎo)體器件s3、第七功率半導(dǎo)體器件s7導(dǎo)通，第一功率半導(dǎo)體器件s1、第八功率半導(dǎo)體器件s8關(guān)斷；

51、其中，k為整數(shù)，t為時(shí)間變量。

52、本發(fā)明的有益效果：

53、提高系統(tǒng)可靠性：通過特定的開關(guān)頻率和時(shí)序控制策略，可以在功率半導(dǎo)體器件發(fā)生開路故障的情況下維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免了因?yàn)閱我黄骷收蠈?dǎo)致整個(gè)電力電子變壓器失效的風(fēng)險(xiǎn)。

54、無需額外硬件增加：與一些需要添加額外硬件來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行的方法相比，本發(fā)明僅依靠軟件算法調(diào)整，不需要額外的硬件投入，降低了成本并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

55、適應(yīng)小直流側(cè)電容應(yīng)用：特別適用于直流側(cè)電容較小的情況，這有助于減小儲(chǔ)能元件體積，進(jìn)一步提升變換器的功率密度，使得變換器更適合應(yīng)用于空間有限但對(duì)效率和功率密度要求較高的場(chǎng)合。

56、增強(qiáng)靈活性：根據(jù)不同位置的開路故障采取不同的控制策略，提高了控制系統(tǒng)對(duì)不同類型故障的響應(yīng)能力和適應(yīng)性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體靈活性。

57、改善效率：通過精確計(jì)算和分配開關(guān)周期，可以最小化不必要的能量損耗，保證變換器即便是在容錯(cuò)模式下也能夠高效工作。