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一种混合多电平逆变器在开路故障下的容错调制方案
A Fault Tolerant Modulation Scheme for a Hybrid Multilevel Inverter in the Event of Open-Switch Fault
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 多电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 可再生能源并网逆变器 故障检测 故障定位 容错调制 七电平逆变器 |
语言:
中文摘要
随着可再生能源发电渗透率的不断提高,并网逆变器的可靠运行是一项重要指标。并网多电平逆变器的可用性取决于在运行过程中能否正确识别故障开关(如果存在),以及能否实施容错调制技术,使逆变器即使在故障条件下也能继续运行而不跳闸。尽管多电平逆变器中大量的开关给故障检测和定位带来了挑战,但这也是一个优势,因为功率仍可通过其他路径流动。为实现这一目标,本文采用了基于 T 型的混合多电平拓扑结构,并设置了某些故障条件。所提出的故障检测方案首先通过监测由归一化相电流得出的绝对相位误差变量,快速识别故障相。随后,通过对多个电流和电压测量值进行精细分析来确定故障开关的位置。值得注意的是,所提出的方案无需额外的传感器即可完成所有这些操作,最后,设计了一种基于载波的容错方案来应对开关开路故障。通过仿真研究以及在七电平逆变器样机上进行的实验,评估了所提出方案的有效性和可行性。
English Abstract
With ever-increasing renewable power penetration, the reliable operation of grid interfaced inverter is an important criterion. The availability of a grid-connected multilevel inverter is relied upon the correctness of identifying faulty switch, if any, during operation and implementation of a fault-tolerant modulation technique to run the inverter without tripping off even under faulty conditions. Although having a large number of switches in a multilevel inverter throws challenges for the detection and localization of faults, it is a boon because power can still flow through alternative paths. In pursuit of this objective, this paper utilizes a T-type based hybrid multilevel topology where certain faulty conditions are created. The proposed fault detection scheme begins with the fast identification of faulty phase, achieved by monitoring the absolute phase error variable derived from normalized phase currents. Subsequently, the localization of faulty switch is fulfilled by intricate analysis of several current and voltage measurements. Notably, the proposed scheme does not need additional sensors to carry out all of these, where finally, a carrier-based fault tolerant scheme is devised to encounter open switch faults. The effectiveness and feasibility of the proposed scheme are evaluated by simulation studies followed by experiments on a seven-level inverter prototype.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于T型混合多电平逆变器的开关故障容错调制技术具有重要的应用价值。随着我们在大型光伏电站、储能系统及风电并网领域的业务拓展,系统可靠性已成为客户选择产品的核心指标,该技术恰好契合了我们提升设备可用性和降低运维成本的战略需求。
该技术的核心优势在于无需增加额外传感器即可实现故障快速检测与定位。通过监测归一化相电流的绝对相位误差变量识别故障相,结合电压电流测量完成故障开关定位,这种方案在成本控制和系统集成度方面具有明显优势。对于阳光电源的MW级以上大功率逆变器产品线,多电平拓扑本身的冗余路径特性使得故障容错成为可能,该技术提供的载波调制容错方案能够在开关故障情况下维持系统不脱网运行,这对提升电站整体发电效率和电网友好性至关重要。
从技术成熟度评估,论文已完成七电平逆变器原型的仿真和实验验证,但距离工程化应用仍需关注几个关键问题:一是不同功率等级下故障检测算法的实时性和鲁棒性;二是容错模式下的长期运行对器件热应力和系统效率的影响;三是与现有SCADA系统的集成及远程诊断能力。
建议我们的中央研究院可将此技术纳入下一代高可靠性逆变器平台的预研方向,特别是针对海上风电、高海拔光伏电站等运维困难场景,结合我们在功率器件和控制算法方面的积累,有望形成差异化的竞争优势,进一步巩固在新能源变流器领域的技术领先地位。