CN112671253B - 级联h桥变换器、开路故障冗余处理方法、介质和设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种级联H桥变换器、开路故障冗余处理方法、介质和设备，级联H桥变换器包括多级H桥电路单元、监测模块、电流采集单元和控制器。级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法包括步骤：监测各级H桥电路单元的工作状态；采集各级H桥电路单元的输入电流；根据各级H桥电路单元的工作状态和输入电流，封锁发生故障的级联H桥电路单元或发生故障的开关器件，并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级联H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。本公开的有益效果包括在有效恢复故障的同时，无需切除故障单元，尽可能最大化的利用故障单元传输能量，同时保证正常单元传输的功率不发生改变。

Description

级联H桥变换器、开路故障冗余处理方法、介质和设备

技术领域

本公开涉及高速列车领域、电网领域、电动车领域和储能领域，具体来讲，涉及一种级联H桥变换器、级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法、存储有计算机程序的计算机可读存储介质以及计算机设备。

背景技术

级联H桥由多个四象限变流器交流侧串联而成，能够承担输入侧高压，实现高压交流到直流的电能转换。级联H桥还具有提高等效开关频率、提升输入功率因数、减小谐波、模块化等优点，适合应用于高压大功率场合，如高速列车领域、电网领域。

在目前的电力电子系统中，开关器件可能由于多种原因而表现出开路故障。在驱动传输过程中，芯片故障、驱动线断线、驱动信号异常或开关器件内部损坏，均有可能导致开关器件的开路故障发生。级联H桥由大量的串联模块组成，包含了大量的开关器件，发生故障的概率也大大高于其余功率变换器。一旦发生开路故障，在适当地牺牲电流质量、不过调制的情况下，通常会将故障单元切除，剩余单元继续工作。然而，如果级联H桥没有冗余单元，或者H桥设置的冗余单元已经被占用，则再有开路故障，如果继续减小H桥冗余单元，则会导致每个单元承担的电压提升，给开关器件带来了额外的电压应力，严重时甚至会进一步因其器件损坏。因此这种情况下再有开路故障，只能将H桥变换器停机，无法继续工作。

发明内容

本公开的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本公开的目的之一在于针对级联H桥变换器发生开路故障而无法继续运行，提供一种能够实现在发生故障情况下稳定运行的级联H桥变换器。又如，本公开的另一目的在于针对发生开路故障而无法继续运行，提供一种级联H桥变换器开路故障冗余处理方法。

为了实现上述目的，本公开一方面提供了一种级联H桥变换器，包括：多级H桥电路单元，多级H桥电路单元通过交流输入端级联并连接到交流供能单元，其中，每一级H桥电路单元包括：H桥电路，通过两个交流输入端接收交流电流，H桥电路包括多个开关器件。监测模块，监测各级H桥电路单元的工作状态。电流采集单元，用于采集多级H桥电路单元的输入电流。控制器，被配置为根据各级H桥电路单元的工作状态和输入电流，封锁发生故障的H桥电路单元或发生故障的开关器件，并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

在本公开的一个示例性实施例中，控制器可包括：故障判断模块，与检测模块连接，并被配置为根据检测模块监测到各级H桥电路单元的工作状态，对多级H桥电路单元中各H桥电路单元是否发生故障进行判断，以及对发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件进行判断；电流判断模块，与电流采集单元连接，并被配置为根据电流采集单元采集到的输入电流，对输入电流的电流方向判断；控制模块，从故障判断模块和电流判断模块连接，并被配置为在发生故障的开关器件的数量为一个的情况下，根据发生故障的开关器件以及电流方向产生控制信号，以及根据控制信号封锁发生故障的开关器件或发生故障的开关器件所在的桥臂的驱动脉冲。

在本公开的一个示例性实施例中，H桥电路可包括：上桥臂，上桥臂包括：彼此串联的第一开关器件和第三开关器件，与第一开关器件反并联的第一二极管，以及与第三开关器件反并联的第三二极管；下桥臂，通过第一连接点和第二连接点与上桥臂并联连接，下桥臂包括：彼此串联的第二开关器件和第四开关器件，与第二开关器件反并联的第二二极管，以及与第四开关器件反并联的第四二极管，第一连接点和第二连接点分别形成两个交流输入端；其中，多级H桥电路单元中的上一级H桥电路的第二连接点连接到下一级H桥电路的第一连接点，多级H桥电路单元中的第一级H桥电路单元的H桥电路的第一连接点以及最后一级H桥电路单元的H桥电路的第二连接点分别电连接到交流供能单元的两端。

在本公开的一个示例性实施例中，控制模块可被配置为：当第一开关器件或第四开关器件发生故障时，如果输入电流大于零，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。如果输入电流小于零，当第一开关器件发生故障时，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通；当第四开关器件发生故障时，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂保持持续导通；并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

在本公开的一个示例性实施例中，控制模块可被配置为：当第二开关器件或第三开关器件发生故障时，如果输入电流小于零，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。如果输入电流大于零，当第二开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂所包含的开关器件保持持续导通；当第三开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通；并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

在本公开的一个示例性实施例中，控制器还可包括：调制波计算模块，与控制模块连接，并用于计算各级H桥电路单元的调制波，各级H桥电路单元的调制波可通过多级H桥电路单元的总调制波与正常工作的H桥电路单元的数量之比得到，各级H桥电路单元之间的载波移相值可为180º/正常工作的H桥电路单元的数量。

在本公开的一个示例性实施例中，级联H桥变换器还可包括：旁路开关，连接在H桥电路的两个交流输入端之间。控制模块还可被配置为：在H桥电路单元中发生故障的开关器件的数量为至少两个的情况下，控制旁路开关闭合，以封锁发生故障的H桥电路单元。

本公开的另一方面还提供了一种级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，可通过如上任意一项示例性实施例中的级联H桥变换器来实现，且可包括以下步骤：S100、监测各级H桥电路单元的工作状态；S200、采集各级H桥电路单元的输入电流；S300、根据各级H桥电路单元的工作状态和输入电流，以封锁发生故障的开关器件或发生故障的开关器件所在桥臂的驱动脉冲，并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级联H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

在本公开的一个示例性实施例中，步骤S300可包括：S310、根据监测到各级H桥电路单元的工作状态，对多级H桥电路单元中各H桥电路单元是否发生故障进行判断，以及对发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件进行判断；S320、根据电流采集单元采集到的输入电流，对输入电流的电流方向判断；S330、在发生故障的开关器件的数量为一个的情况下，根据发生故障的开关器件以及电流方向，封锁发生故障的开关器件或发生故障的开关器件所在的桥臂的驱动脉冲。

在本公开的一个示例性实施例中，步骤S330可包括：当第一开关器件或第四开关器件发生故障时，如果输入电流大于零，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。如果输入电流小于零，当第一开关器件发生故障时，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通；当第四开关器件发生故障时，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

在本公开的一个示例性实施例中，步骤S330可包括：当第二开关器件或第三开关器件发生故障时，如果输入电流小于零，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。如果输入电流大于零，当第二开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂所包含的开关器件保持持续导通；当第三开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通；并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

在本公开的一个示例性实施例中，在所述步骤S330中，各级H桥电路单元的调制波可通过多级H桥电路单元的总调制波与正常工作的H桥电路单元的数量之比得到，各级H桥电路单元之间的载波移相值可为180º/正常工作的H桥电路单元的数量。

在本公开的一个示例性实施例中，步骤S330还可包括：在H桥电路单元中发生故障的开关器件的数量为至少两个的情况下，可控制旁路开关闭合，以封锁发生故障的H桥电路单元。

本公开的又一方面还提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序在被处理器执行时实现如上任一级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法的示例性实施例。

本公开的再一方面还提供了一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现如上任一级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果可包括以下内容中至少一项：

（1）、提供的级联H桥变换器可实现故障冗余处理，消除输入电流的畸变；

（2）、在有效恢复故障的同时，无需切除故障单元，尽可能最大化的利用故障单元传输能量，同时保证正常单元传输的功率不发生改变；

（3）、在没有设置额外冗余单元或冗余单元已被使用的情况下，能够有效的继续维持故障下稳定运行。

附图说明

图1示出了根据本公开的示例性实施例的级联H桥变换器的结构示意图；

图2示出了根据本公开的示例性实施例的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法的流程图；

图3示出了某一级H桥电路单元的第一开关器件或第四开关器件发生开路故障后的调制波示意图；

图4示出了某一级H桥电路单元的第二开关器件或第三开关器件发生开路故障后的调制波示意图；

图5示出了某一级H桥电路单元发生开路故障后的载波移相值调整示意图；

图6示出了根据本公开示例性实施例的级联H桥变换器的框图；

图7示出了根据本公开示例性实施例的控制器的框图。

附图标记如下：

100-H桥电路单元，T₁-第一开关器件，T₂-第二开关器件，T₃-第三开关器件，T₄-第四开关器件，u _g -牵引网侧输入电压，L _g -输入电感，i _g -输入电流，C ₁ 和C _n -中间直流电容，u _dc1 和u _dcn -中间直流电压，110-故障H桥电路单元，200-监测模块，300-电流采集单元，400-控制器，410-故障判断模块，420-电流判断模块，430-控制模块，440-调制波计算模块。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在下文中，可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等来描述各种类型的元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语被用于将一个元件与另一元件区分开。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的第一元件可以被命名为第二元件。

在本公开一方面的示例性实施例中，提供了一种级联H桥变换器，如图6中所示，该级联H桥变换器包括多级H桥电路单元100、监测模块200、电流采集单元300和控制器400。多级H桥电路单元100通过交流输入端级联并连接到交流供能单元，用于对从交流供能单元接收的交流电流进行整流以产生直流电流，并通过直流输出端输出产生的直流电流。交流供能单元可以为牵引网，牵引网(traction electric network)专为电力机车或电动车组提供电力的特殊供电回路。如图1中所示，u _g 为牵引网侧输入电压，L _g 为输入电感，i _g 为输入电流。

其中，如图1中所示，级联H桥变换器由n个H桥电路单元100级联构成，n≥2且为正整数。H桥电路通过两个交流输入端接收交流电流，对接收的交流电流进行整流以产生直流电流，并通过H桥电路的直流输出端输出产生的直流电流。H桥电路包括多个开关器件（开关管），例如，H桥电路可以包括四个电力电子开关元件（T₁至T₄），每个电力电子开关元件可包括一个可控功率半导体器件（例如，IGBT、Mosfet等）以及一个与该可控功率半导体器件反并联的保护二极管。

具体地，H桥电路可包括上桥臂和下桥臂。其中，上桥臂可包括：彼此串联的第一开关器件T₁和第三开关器件T₃，与第一开关器件T₁反并联的第一二极管，以及与第三开关器件T₃反并联的第三二极管。下桥臂可包括：彼此串联的第二开关器件T₂和第四开关器件T₄，与第二开关器件T₂反并联的第二二极管，以及与第四开关器件T₄反并联的第四二极管。

下桥臂可通过第一连接点A_j和第二连接点B_j与上桥臂并联连接，j为1至n且为正整数。第一连接点A_j和第二连接点B_j分别形成第j级H桥电路单元所包括的H桥电路的两个交流输入端（即，第一交流输入端和第二交流输入端），也就是说，第一连接点A_j连接到第j级H桥电路单元的第一交流输入端，第二连接点B_j连接到第j级H桥电路单元的第二交流输入端。如图1中所示，第一级H桥电路单元100所包括的H桥电路的上桥臂与下桥臂之间通过第一连接点A₁和第二连接点B₁连接，第一连接点A₁和第二连接点B₁形成该H桥电路的两个交流输入端。同样地，第n级H桥电路单元所包括的H桥电路的上桥臂与下桥臂之间通过第一连接点A_n和第二连接点B_n连接，第一连接点A_n和第二连接点B_n形成第n级H桥电路单元所包括的H桥电路的两个交流输入端。

其中，n个H桥电路单元100的交流输入端串联。也就是说，多级H桥电路单元中的上一级H桥电路的第二连接点B_j连接到下一级H桥电路的第一连接点A_j+1，多级H桥电路单元中的第一级H桥电路单元的H桥电路的第一连接点A₁以及最后一级（第n级）H桥电路单元的H桥电路的第二连接点B_n分别电连接到交流供能单元的两端。

每一级H桥电路单元还可包括电容器C _i 和电阻。其中，电容器C _i 在直流输出端与H桥电路并联连接，用于对H桥电路的输出进行功率缓冲和电压支撑。电阻在直流输出端与H桥电路并联连接。图1中所示的C ₁ 、……、C _n 分别为为第一级H桥电路单元、……、第n级H桥电路单元的中间直流电容。u _dc1 、…、u _dcn 为分别为第一级H桥电路单元、……、第n级H桥电路单元的中间直流电压。

其中，u _PWMj 为第j级H桥电路单元的PWM电压，u _PWMj 也可以描述为H桥中一个全桥单元端口（即，两个交流输入端之间）的PWM电压。

监测模块监测各级H桥电路单元的工作状态。电流采集单元用于采集多级H桥电路单元的输入电流i _g 。控制器被配置为根据各级H桥电路单元的工作状态和输入电流，判断并确定发生故障的H桥电路单元和具体发生故障的开关器件，封锁发生故障的H桥电路单元或发生故障的开关器件，并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

具体地，如图6和图7中所示，控制器400可以包括故障判断模块410、电流判断模块420、控制模块430以及调制波计算模块440。故障判断模块410与监测模块200连接，并被配置为根据监测模块200监测到各级H桥电路单元的工作状态，对多级H桥电路单元中各H桥电路单元是否发生故障进行判断，以及对发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件进行判断。电流判断模块420与电流采集单元300连接，并被配置为根据电流采集单元300采集到的输入电流，对输入电流的电流方向判断。控制模块430与故障判断模块410和电流判断模块420连接，并被配置为在发生故障的开关器件的数量为一个的情况下，还可以根据发生故障的开关器件以及电流方向，封锁发生故障的开关器件或发生故障的开关器件所在的桥臂的驱动脉冲。调制波计算模块440与控制模块430连接，用于计算各级H桥电路单元的调制波，各级H桥电路单元的调制波可以通过多级H桥电路单元的总调制波与正常工作的H桥电路单元的数量之比得到，各级H桥电路单元之间的载波移相值为180º/正常工作的H桥电路单元的数量。控制模块430可以根据调制波计算模块440的计算结果调整各级H桥电路单元的调制波以及各级H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

图6和图7中所示的各模块可由数字信号处理器、现场可编程们阵列等通用硬件处理器来实现，也可通过专用芯片等专用硬件处理器来实现，还可完全通过计算机程序以软件方式来实现。

图2示出了根据本公开的示例性实施例的开路故障处理流程示意图。依据发生故障的器件是T₁或T₄，还是T₂或T₃，将故障冗余处理分为两种情况。

如图1和图2中所示，当第一开关器件T₁或第四开关器件T₄发生故障时，如果输入电流i _g 大于零（如图1中i _g 箭头所指的方向），则控制器可封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

如果输入电流i _g 小于零（如图1中i _g 箭头所指相反的方向），当第一开关器件发生故障时，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件（即，第一开关器件和第三开关器件）的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件（即，第二开关器件和第四开关器件）保持持续导通，也就是说，此时该发生故障的H桥电路单元未参与级联H桥变换器的工作；当第四开关器件发生故障时，则控制器封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂所包含的开关器件保持持续导通，也就是说，此时该发生故障的H桥电路单元未参与级联H桥变换器的工作。另外，控制器还控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

例如，所用的开关器件为IGBT，如图1中所示，当第一级的H桥电路单元的第一开关器件发生故障，输入电流i _g 大于零（如图1中i _g 箭头所指的方向）时，控制器控制第一开关器件的IGBT加反向电压，切断基极电流，从而使第一开关器件的IGBT关断，实现封锁第一开关器件的驱动脉冲，而控制器控制第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件的IGBT加PWM电压，使第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件的IGBT具有脉冲宽度变化的脉冲，栅极电压正负变化，使得开关器件处于不断的开通关断，此为正常工作状态，也就是说，此时该发生故障的H桥电路单元正常参与级联H桥变换器的工作。当第一级的H桥电路单元的第一开关器件发生故障，输入电流i _g 小于零（如图1中i _g 箭头所指相反的方向）时，控制器会控制第一开关器件和第三开关器件的IGBT加反向电压，切断基极电流，第一开关器件和第三开关器件的IGBT均关断，从而实现整个上桥臂的驱动脉冲封锁，而下桥臂所在的第二开关器件和第四开关器件均加正向电压，提供基极电流，使IGBT导通，从而使下桥臂保持持续导通，也就是说，此时该发生故障的H桥电路单元未参与级联H桥变换器的工作。

如图1和图2中所示，当第二开关器件T₂或第三开关器件T₃发生故障时，如果输入电流i _g 小于零（如图1中i _g 箭头所指相反的方向），则控制器可封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并可控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

如果输入电流大于零，当第二开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件（即，第二开关器件和第四开关器件）的驱动脉冲，上桥臂所包含的开关器件（即，第一开关器件和第三开关器件）保持持续导通，也就是说，此时该发生故障的H桥电路单元未参与级联H桥变换器的工作；当第三开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件（即，第一开关器件和第三开关器件）的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件（即，第二开关器件和第四开关器件）保持持续导通，也就是说，此时该发生故障的H桥电路单元未参与级联H桥变换器的工作。另外，控制器还控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

按照双极性调制策略，各级H桥电路单元之间的载波移相值为180º/正常工作的H桥电路单元的数量。具体的说，各级H桥电路单元之间的载波移相值为180º/参与正常工作的H桥电路单元数量，例如，如图1中，某一级H桥电路单元（以下简称故障单元）的第二开关器件发生故障，在电流大于零（如图1中i _g 箭头所指的方向）时，故障单元的下桥臂持续导通，此时该发生故障的H桥电路单元未参与级联H桥变换器的工作，因此载波移相值为180º/n-1；在电流小于零（如图1中i _g 箭头所指相反的方向）时，故障单元除了第二开关器件封锁驱动脉冲，其余开关器件均正常工作，此时该发生故障的H桥电路单元正常参与级联H桥变换器的工作，因此载波移相值为180º/n。载波移相值在每个交流周期内都是变化的。

根据得到的第j级H桥电路单元的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，各级H桥电路单元的调制波可通过多级H桥电路单元的总调制波u _converr 与正常工作的H桥电路单元的数量之比得到。

具体地，如图1和图2中所示，当某一级H桥电路单元的第一开关器件T₁或者第四开关器件T₄发生故障，且输入电流i _g 大于零时，封锁发生故障的开关器件，而发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件均正常工作，按照双极性调制策略工作，各单元间移相值180º/n，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，这时各级H桥电路单元的调制波u _convj 可表示为：

u _convj =u _converr /n （1）

在式（1）中，u _convj 为第j级H桥电路单元的调制波，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，n为H桥电路单元的总数量。

当x个H桥电路单元的第一开关器件T₁或者第四开关器件T₄发生故障，且输入电流i _g 小于零时，发生故障H桥电路单元中所有的开关器件的脉冲被封锁，而未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作，按照双极性调制策略，各单元间移相值调整为180º/(n-x)，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，各级H桥电路单元的调制波可表示为：

u _convj =u _converr /(n-x) （2）

在式（2）中，u _convj 为第j级H桥电路单元的调制波，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，n为H桥电路单元的总数量，x为发生故障的H桥电路单元的数量，x=1,2,…,n。

当x个H桥电路单元的第二开关器件T₂或第三开关器件T₃发生故障，且输入电流i _g 小于零时，封锁发生故障的开关器件，而发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件均正常工作，按照双极性调制策略工作，各单元间移相值180º/n，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，这时各级H桥电路单元的调制波u _conj 可由上式（1）表示。

当x个H桥电路单元的第二开关器件T₂或第三开关器件T₃发生故障，且输入电流i _g 大于零时，发生故障H桥电路单元中所有的开关器件的脉冲被封锁，而未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作，按照双极性调制策略，各单元间移相值调整为180º/(n-x)，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，各级H桥电路单元的调制波由上式（2）表示。

按照上述策略，可以保证级联H桥在T1至T4故障情况下保持功率或电压继续输出，实现H桥变换器故障后的故障冗余。

实际上，现实中会有更复杂的情形出现，例如，第一级H桥电路单元的第一开关器件和第二级H桥电路单元的第二开关器件同时出现故障，当输入电流大于零和输入电流小于零时，第一级H桥电路单元和第二级H桥电路单元的调制波均为级联H桥变换器的总调制波/(n-1)，第一级H桥电路单元和第二级H桥电路单元的移相值均为180°/(n-1)。其他复杂的多个H桥电路单元出现故障的情形也可就此计算出各级H桥电路单元的调制波和各单元间移相值。

如图3为某一级H桥电路单元中的第一开关器件T₁或第四开关器件T₄发生开路故障后的调制波示意图，图3中，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，u _conv1与u _conv2为正常单元（未发生故障的H桥电路单元）的调制波，u _convjerr 为故障单元的调制波，I为输入电流i _g 大于零和级联H桥变换器的总调制波u _converr 小于零的区域，II为输入电流i _g 和级联H桥变换器的总调制波u _converr 均大于零的区域，III为输入电流i _g 小于零和级联H桥变换器的总调制波u _converr 大于零的区域，IV为输入电流i _g 和级联H桥变换器的总调制波u _converr 均小于零的区域。当输入电流i _g 大于零（即图中纵坐标大于零）时，控制器对故障H桥电路单元和正常H桥电路单元的指令相同，故障H桥电路单元和正常H桥电路单元的所有的开关管均正常工作，按照双极性调制策略工作，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，即u _convj =u _converr /n ，u _convj 为第j级H桥电路单元的调制波，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，n为H桥电路单元的级数数量；当输入电流i _g 小于零（即图中纵坐标小于零）时，故障单元的调制波u _convjerr 变为零，故障单元开关管不工作，没有发生故障的H桥单元的所有的开关管均正常工作，根据得到的单元调制波进行调制产生脉冲，即u _convj =u _converr /(n-1)，u _convj 为各级H桥电路单元的调制波，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，n为H桥电路单元的总数量。

如图4为某一级H桥电路单元中的第二开关器件T₂或第三开关器件T₃发生开路故障后的调制波示意图，图4中，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，u _conv1与u _conv2为正常单元（未发生故障的H桥电路单元）的调制波，u _convierr 为故障单元的调制波，I为输入电流i _g 大于零和级联H桥变换器的总调制波u _converr 小于零的区域，II为输入电流i _g 和级联H桥变换器的总调制波u _converr 均大于零的区域，III为输入电流i _g 小于零和级联H桥变换器的总调制波u _converr 大于零的区域，IV为输入电流i _g 和级联H桥变换器的总调制波u _converr 均小于零的区域。当输入电流i _g 小于零（即图中纵坐标小于零）时，控制器对故障H桥电路单元和正常H桥电路单元的指令相同，故障H桥电路单元和正常H桥电路单元的所有的开关管均正常工作，按照双极性调制策略工作，根据得到的单元调制波进行调制产生脉冲，即，u _convj 为第j级H桥电路单元的调制波，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，n为H桥电路单元的级数数量；当输入电流i _g 大于零（即图中纵坐标大于零）时，故障单元的调制波u _convjerr 变为零，故障单元开关管不工作，没有发生故障的H桥单元的所有的开关管均正常工作，根据得到的单元调制波进行调制产生脉冲，即，u _convj 为第j级H桥电路单元的调制波，u _converr 为级联H桥变换器的总调制波，n为H桥电路单元的级数数量。

图5示出了某一级（第j级）H桥电路单元发生开路故障后的载波移相值调整示意图。当故障H桥电路单元110中正常的开关器件正常参与工作的时间段内，各H桥电路单元间的移相值为180º/n；当故障H桥电路单元110中的开关器件均不参与工作的时间段内，各H桥电路单元间的移相值为180º/(n-1)。

如图1中所示，级联H桥变换器还可包括旁路开关t _j ，j为1至n且为正整数。旁路开关t _j 连接在第j级H桥电路单元的两个交流输入端之间。旁路开关t ₁ 是连接在第一级H桥电路单元100的两个交流输入端之间的开关器件，……，旁路开关t _n 是连接在第n个H桥电路单元100的两个交流输入端之间的开关器件。当旁路开关t _j 闭合时，第j级H桥电路单元的两个交流输入端导通，从而电流从旁路开关t _j 所在的支路通过，而不经过第j级H桥电路单元的H桥电路。当旁路开关t _j 断开时，第j级H桥电路单元的两个交流输入端断开连接，从而电流从第j级H桥电路单元的第一交流输入端输入，并从第二交流输入端流向第j+1级H桥电路单元的第一交流输入端。

控制模块430还可被配置为：在H桥电路单元中发生故障的开关器件的数量为至少两个的情况下，控制旁路开关闭合，以封锁发生故障的H桥电路单元。

例如，当某一级H桥电路单元有两个以上的开关器件发生故障，此时控制器会控制旁路开关闭合，电流从旁路开关所在的支路通过，而不经过该级H桥电路单元的H桥电路，使该级H桥电路单元退出工作状态，之后即可对该故障H桥电路单元进行维修或者移除。另外，如果某一级H桥电路单元发生短路故障，此时控制器也会控制旁路开关闭合，之后对故障进行排除。

在本公开另一方面的示例性实施例中，提供了一种级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，可通过如上任意一项示例性实施例中的级联H桥变换器来实现，且可包括以下步骤：

S1监测各级H桥电路单元的工作状态；S2采集各级H桥电路单元的输入电流；S3根据各级H桥电路单元的工作状态和输入电流，封锁发生故障的级联H桥电路单元或发生故障的开关器件，并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级联H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

可根据监测到各级H桥电路单元的工作状态，对多级H桥电路单元中各H桥电路单元是否发生故障进行判断，以及对发生故障的H桥电路单元中具体发生故障的开关器件进行判断。也可根据电流采集单元采集到的输入电流，对输入电流的电流方向判断。还可根据发生故障的开关器件以及电流方向，来控制发生故障的H桥电路单元所对应的旁路开关和发生故障的开关器件的开合，以封锁发生故障的级联H桥电路单元或发生故障的开关器件。

当第一开关器件或第四开关器件发生故障时，如果输入电流大于零，则控制器可封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并可控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；如果输入电流小于零，则控制器可封锁发生故障的H桥电路单元中所有发生故障的开关器件的驱动脉冲，并可控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

当第二开关器件或第三开关器件发生故障时，如果输入电流小于零，则控制器可封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并可控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；如果输入电流大于零，则控制器可封锁发生故障的H桥电路单元中所有发生故障的开关器件的驱动脉冲，并可控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

各级H桥电路单元之间的载波移相值可为180º/正常工作的H桥电路单元的数量，各级H桥电路单元的调制波可通过多级H桥电路单元的总调制波与正常工作的H桥电路单元的数量之比得到。

具体地，如图2中所示，当发生故障的开关管为T₁或者T₄时，封锁故障开关管的脉冲。采集级联H桥的输入电流i _g ，并且在每个开关周期判断i _g 的方向。当i _g 大于零时，故障单元的正常的开关管动作，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲；没有发生故障的H桥单元的所有的开关管均正常工作，按照双极性调制策略工作，各单元间移相值180º/n，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，调制波u _convj 可以由如上的式（1）来表示。

当i _g 小于零时，故障单元的所有开关管的脉冲被封锁。没有发生故障的H桥单元的所有的开关管均正常工作，按照双极性调制策略，各单元间移相值调整为180º/(n-x)，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，调制波u _conj 可以由如上的式（2）来表示。其中，故障单元的u _convjerr 变为零。

当发生故障的开关为T₂或者T₃时，封锁故障开关管的脉冲。采集级联H桥的输入电流i _g ，并且在每个开关周期判断i _g 的方向。当i _g 小于零时，故障单元的正常的开关管动作，根据到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲；没有发生故障的H桥单元的所有的开关管均正常工作，按照双极性调制策略工作，各单元间移相值180º/n，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，调制波u _convj 可以由如上的式（1）来计算。

当i _g 大于零时，故障单元的所有开关管的脉冲被封锁。没有发生故障的H桥单元的所有的开关管均正常工作，按照双极性调制策略，各单元间移相值调整为180º/(n-x)，根据得到的单元调制波u _convj 进行调制产生脉冲，调制波u _convj 可以由如上的式（2）来表示。其中，故障单元的u _convjerr 变为零。

在H桥电路单元中发生故障的开关器件的数量为至少两个的情况下，控制旁路开关的开合，以封锁发生故障的H桥电路单元。即闭合旁路开关，发生故障的H桥电路单元形成短路，从而达到封锁发生故障的H桥电路单元的目的。

根据本公开的级联H桥变换器及其开路故障冗余处理方法，能够使级联H桥变换器从故障中恢复，消除输入电流的畸变；并且在有效恢复故障的同时，无需切除故障单元，尽可能最大化的利用故障单元传输能量，同时保证正常单元传输的功率不发生改变。在没有设置额外冗余单元或冗余单元已被使用的情况下，能够有效的继续维持故障下稳定运行。

根据本公开的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法可以被编程为计算机程序并且相应的程序代码或指令可以被存储在计算机可读存储介质中，当程序代码或指令被处理器执行时使得处理器执行上述开路故障冗余处理方法，上述处理器和存储器可以被包括在计算机设备中。

根据本公开又一方面的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本公开的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波（诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输）。

根据本公开又一方面的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本公开的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法的计算机程序。

尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本公开，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (11)

1.一种级联H桥变换器，其特征在于，所述级联H桥变换器包括：

多级H桥电路单元，所述多级H桥电路单元通过交流输入端级联并连接到交流供能单元，其中，每一级H桥电路单元包括：H桥电路，通过两个交流输入端接收交流电流，所述H桥电路包括多个开关器件；

监测模块，监测各级H桥电路单元的工作状态；

电流采集单元，用于采集所述多级H桥电路单元的输入电流；以及

控制器，被配置为根据各级H桥电路单元的工作状态和所述输入电流，封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；

或者，封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲同时还封锁所述发生故障的开关器件所在的上桥臂的另一开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；或封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲同时还封锁所述发生故障的开关器件所在的下桥臂的另一开关器件的驱动脉冲，上桥臂保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；

并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

2.根据权利要求1所述的级联H桥变换器，其特征在于，所述H桥电路包括：

上桥臂，所述上桥臂包括：彼此连接的第一开关器件和第三开关器件，与所述第一开关器件反并联的第一二极管，以及与所述第三开关器件反并联的第三二极管；

下桥臂，通过第一连接点和第二连接点与所述上桥臂串联连接，所述下桥臂包括：彼此连接的第二开关器件和第四开关器件，与所述第二开关器件反并联的第二二极管，以及与所述第四开关器件反并联的第四二极管，所述第一连接点和所述第二连接点分别形成所述两个交流输入端；

其中，所述多级H桥电路单元中的上一级H桥电路的第二连接点连接到下一级H桥电路的第一连接点，所述多级H桥电路单元中的第一级H桥电路单元的H桥电路的第一连接点以及最后一级H桥电路单元的H桥电路的第二连接点分别电连接到所述交流供能单元的两端。

3.根据权利要求2所述的级联H桥变换器，其特征在于，所述级联H桥变换器还包括：旁路开关，连接在所述H桥电路的两个交流输入端之间。

4.一种级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述开路故障冗余处理方法通过如权利要求1所述的级联H桥变换器来实现，且所述方法包括以下步骤：

S100、通过所述监测模块监测各级H桥电路单元的工作状态；

S200、通过所述电流采集单元采集各级H桥电路单元的输入电流；

S300、所述控制器根据各级H桥电路单元的工作状态和所述输入电流，以封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；

或者，封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲同时还封锁所述发生故障的开关器件所在的上桥臂的另一开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；或封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲同时还封锁所述发生故障的开关器件所在的下桥臂的另一开关器件驱动脉冲，上桥臂保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；

并调整各级H桥电路单元的调制波以及各级联H桥电路单元之间的载波移相值，以确保各级H桥电路的直流输出端的功率或电压满足预设条件。

5.根据权利要求4所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述步骤S300包括：

S310、所述控制器根据监测到各级H桥电路单元的工作状态，对所述多级H桥电路单元中各H桥电路单元是否发生故障进行判断，以及对发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件进行判断；

S320、根据电流采集单元采集到的所述输入电流，对所述输入电流的电流方向判断；

S330、在发生故障的开关器件的数量为一个的情况下，根据所述发生故障的开关器件以及电流方向，封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；或者封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲同时还封锁所述发生故障的开关器件所在的上桥臂的另一开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；或封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲同时还封锁所述发生故障的开关器件所在的下桥臂的另一开关器件的驱动脉冲，上桥臂保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

6.根据权利要求5所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述H桥电路包括：

上桥臂，所述上桥臂包括：彼此连接的第一开关器件和第三开关器件，与所述第一开关器件反并联的第一二极管，以及与所述第三开关器件反并联的第三二极管；

下桥臂，通过第一连接点和第二连接点与所述上桥臂串联连接，所述下桥臂包括：彼此连接的第二开关器件和第四开关器件，与所述第二开关器件反并联的第二二极管，以及与所述第四开关器件反并联的第四二极管，所述第一连接点和所述第二连接点分别形成所述两个交流输入端；

其中，所述多级H桥电路单元中的上一级H桥电路的第二连接点连接到下一级H桥电路的第一连接点，所述多级H桥电路单元中的第一级H桥电路单元的H桥电路的第一连接点以及最后一级H桥电路单元的H桥电路的第二连接点分别电连接到所述交流供能单元的两端；

所述步骤S330包括：

当所述第一开关器件或所述第四开关器件发生故障时，如果所述输入电流大于零，则所述控制器封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；

如果所述输入电流小于零，当所述第一开关器件发生故障时，则所述控制器封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通；当所述第四开关器件发生故障时，则所述控制器封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂保持持续导通，并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

7.根据权利要求5所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述H桥电路包括：

上桥臂，所述上桥臂包括：彼此连接的第一开关器件和第三开关器件，与所述第一开关器件反并联的第一二极管，以及与所述第三开关器件反并联的第三二极管；

下桥臂，通过第一连接点和第二连接点与所述上桥臂串联连接，所述下桥臂包括：彼此连接的第二开关器件和第四开关器件，与所述第二开关器件反并联的第二二极管，以及与所述第四开关器件反并联的第四二极管，所述第一连接点和所述第二连接点分别形成所述两个交流输入端；

其中，所述多级H桥电路单元中的上一级H桥电路的第二连接点连接到下一级H桥电路的第一连接点，所述多级H桥电路单元中的第一级H桥电路单元的H桥电路的第一连接点以及最后一级H桥电路单元的H桥电路的第二连接点分别电连接到所述交流供能单元的两端；

所述步骤S330包括：

当所述第二开关器件或所述第三开关器件发生故障时，如果所述输入电流小于零，则所述控制器封锁发生故障的H桥电路单元中发生故障的开关器件的驱动脉冲，并控制发生故障的H桥电路单元中正常的开关器件以及未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作；

如果所述输入电流大于零，当所述第二开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的下桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，上桥臂所包含的开关器件保持持续导通；当所述第三开关器件发生故障时，封锁发生故障的H桥电路单元的上桥臂所包含的开关器件的驱动脉冲，下桥臂所包含的开关器件保持持续导通；并控制未发生故障H桥电路单元中所有的开关器件正常工作。

8.根据权利要求5所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，其特征在于，在所述步骤S330中，各级H桥电路单元的调制波通过多级H桥电路单元的总调制波与正常工作的H桥电路单元的数量之比得到，各级H桥电路单元之间的载波移相值为180°/正常工作的H桥电路单元的数量。

9.根据权利要求5所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述级联H桥变换器还包括：旁路开关，连接在所述H桥电路的两个交流输入端之间，所述步骤S330还包括：

在H桥电路单元中发生故障的开关器件的数量为至少两个的情况下，所述控制器控制所述旁路开关闭合，以封锁发生故障的H桥电路单元。

10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求4-9中任意一项所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法。

11.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：

处理器；以及

存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求4-9中任意一项所述的级联H桥变换器的开路故障冗余处理方法。

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