呂飛，張松濤，余鳳豪，吉哲

(海軍蚌埠士官學(xué)校機(jī)電系，安徽 蚌埠 233012)

0 引言

電力電子的發(fā)展要求電力電子裝置輸出電能的容量越來越大、質(zhì)量越來越好、可靠性越來越高。多電平變換技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高電壓大容量的關(guān)鍵［1］。隨著電平數(shù)的增多，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性增加，使變換裝置系統(tǒng)的可靠性降低［2-3］。多電平變換裝置的可靠性是衡量裝置優(yōu)劣的重要性能，級聯(lián)多電平變換裝置利用故障單元旁路技術(shù)可提高可靠性。

可重構(gòu)技術(shù)廣泛應(yīng)用于微處理器、航空航天以及制造等領(lǐng)域［4-5］?；诙嚯娖阶儞Q裝置對可靠性的要求，將可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于電力電子變換裝置可靠性的提高。級聯(lián)多電平變換器的顯著特點(diǎn)就是其內(nèi)在的重構(gòu)能力，即故障單元旁路技術(shù)。當(dāng)檢測到級聯(lián)的某單元發(fā)生故障時(shí)，觸發(fā)旁路開關(guān)，切除故障單元，同時(shí)重構(gòu)余下單元改變控制策略，保證裝置能在不掉電的情況下實(shí)現(xiàn)基本功能。為提高變換器系統(tǒng)的可靠性，研究人員進(jìn)行了大量的工作［6-8］。

文章分析了級聯(lián)多電平變換裝置的可重構(gòu)途徑，推導(dǎo)了中性點(diǎn)移位重構(gòu)技術(shù)及計(jì)算參數(shù)的公式，提出了基于中性點(diǎn)移位的載波相移脈寬調(diào)制(CPSPWM)方法，并分別進(jìn)行了三相級聯(lián)11電平變換裝置正常與單元故障時(shí)可重構(gòu)控制策略仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所采用控制策略的正確性。

1 級聯(lián)多電平變換器可重構(gòu)途徑

級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多電平變換器，采用單元模塊重構(gòu)來提高系統(tǒng)的可靠性，即故障單元旁路方法。在每個(gè)單元的輸出端增加一個(gè)接觸器(或兩個(gè)可控硅)即可實(shí)現(xiàn)故障單元旁路。變換器正常時(shí)，接觸器J常閉觸點(diǎn)接通。當(dāng)檢測到某單元發(fā)生故障時(shí)，使相應(yīng)單元接觸器J的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)接通，從而將此單元旁路出系統(tǒng)，不影響其它單元的運(yùn)行。故障單元旁路方法可以對任何可檢測的故障提供保護(hù)，而不是僅在功率器件故障時(shí)提供保護(hù)，從而可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

變換器的某相功率單元被旁路時(shí)，輸出電壓將變得不平衡，為了使電機(jī)獲得三相對稱電壓，必須采取一定的措施克服電壓不平衡問題。最簡單的措施是在所有三相中旁路掉相同的單元數(shù)，既使這些單元并沒有發(fā)生故障。即直接旁路法。

如圖1所示，A相A1單元因故障被旁路，B相、C相也旁路相同單元數(shù)以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平衡。這種方法避免了不平衡，但是犧牲了電壓容量。采用空間矢量調(diào)制并利用級聯(lián)變換器的冗余狀態(tài)，可以一定程度上提高單元故障時(shí)的變換器的輸出電壓［8］，但該方法仍未充分利用所有單元的輸出能力。

圖1 直接旁路法

P.W.Hammond［9］提出了中性點(diǎn)移位方法，該方法可在故障單元后獲得最大的對稱線電壓。如圖2示，A相A1模塊中某個(gè)或多個(gè)器件損壞，則旁路A1模塊并重構(gòu)余下單元，使中性點(diǎn)Np移位，從而改變相與相之間的相位，最優(yōu)化的輸出三相對稱線電壓。

2 中性點(diǎn)移位原理及參數(shù)計(jì)算

圖2 一個(gè)模塊旁路時(shí)中性點(diǎn)移位重構(gòu)

中性點(diǎn)移位是利用變換器的星形點(diǎn)是浮動(dòng)的，且不連接到電機(jī)中性點(diǎn)，星形點(diǎn)可以偏離電機(jī)中性點(diǎn)。即使變換器三相輸出電壓不平衡，但通過調(diào)整變換器三相輸出電壓的相位角可以使電機(jī)獲得三相對稱的線電壓。

如圖3所示，設(shè)N1是變換器的星形點(diǎn)，變換器相對N1的三相輸出電壓分別為 ua1=Amsin(ωt+θa)、ub1=Bmsin(ωt+ θa- θab)、uc1=Cmsin(ωt+ θa+ θac);N0電機(jī)中性點(diǎn)，相對于N0的三相電壓為ua0=Umsin(ωt)、ub0=Umsin(ωt-2π/3)、uc0=Umsin(ωt+2π/3);N1相對于N0的移位電壓為 un=Unsin(ωt+θn)。

從圖 3 中可知 ua1、ub1、uc1、ua0、ub0、uc0和 un之間滿足如下關(guān)系:

圖3 三相不對稱系統(tǒng)的中性點(diǎn)移位矢量圖

通過推導(dǎo)可知，當(dāng) θa、θab、θac滿足式(2)時(shí)，可獲得最大的對稱線電壓，對應(yīng)的線電壓幅UL及相電壓幅值Um滿足式(4)，對應(yīng)的中性點(diǎn)移位電壓un的幅值Un及相角θn滿足式(5)。

設(shè)變換器每相級聯(lián)單元數(shù)為m，級聯(lián)各單元直流電壓相等且都為1 V，變換器三相分別有Fa、Fb、Fc個(gè)單元發(fā)生故障，則電平數(shù) n=2m+1，每相有效單元數(shù)為 ma=m-Fa、mb=m-Fb、mc=m-Fc;則有 Am=ma/m、Bm=mb/m、Cm=mc/m 分別代入式(2)、式(4)、式(5)可以得到變換器在各種故障情況下獲得最大對稱線電壓輸出的中性點(diǎn)移位參數(shù)。

表1列出了m=5，故障單元總數(shù)不大于3的所有故障的中性點(diǎn)移位參數(shù)。

表1 不同故障狀態(tài)下的中性點(diǎn)移位參數(shù)(m=5)

從表1可以看出，當(dāng)發(fā)生一個(gè)單元故障時(shí)，采用中性點(diǎn)移位方法，變換器可以輸出93%額定電壓。采用三相旁路相同單元數(shù)的方法，只能得到80%額定電壓。

3 基于中性點(diǎn)移位的載波調(diào)制

對于級聯(lián)多電平變換器通常采用對稱CPSPWM，便于工程實(shí)際應(yīng)用［10-15］。CPSPWM基本原理:構(gòu)成多電平變換器的各單元模塊均采用低開關(guān)頻率的單相SPWM，各單元模塊具有相同的幅度調(diào)制比、頻率調(diào)制比，但各單元模塊的載波間存在一定的相位差β，變換器的總輸出為各單元模塊輸出的線性疊加，由于相鄰三角載波之間有一個(gè)相移，這一相移使得所產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯(cuò)開，從而使最終迭加輸出的SPWM波形等效開關(guān)頻率提高到原來的(m-1)倍(m為級聯(lián)單元數(shù))。CPSPWM可在不提高開關(guān)頻率的情況下，大大減小輸出諧波。

利用表1中的參數(shù)θn、Un和Um可實(shí)現(xiàn)故障單元旁路后使電機(jī)獲得最大對稱線電壓的載波調(diào)制。為實(shí)現(xiàn)故障單元旁路后的載波調(diào)制，必須首先計(jì)算對應(yīng)不同幅度調(diào)制比(Ma)的中性點(diǎn)移位電壓。為此，定義Mn=Un/Um，則不同幅度調(diào)制比Ma時(shí)中性點(diǎn)移位電壓為:

在故障情況下，同相單元相鄰載波間的相移βa、βb、βc根據(jù)故障狀態(tài)而調(diào)整，即:

圖4 具有中性點(diǎn)移位功能的載波調(diào)制方法模型

圖4是設(shè)計(jì)的級聯(lián)多電平變換器的載波調(diào)制方法的一般框圖模型，具有中性點(diǎn)移位功能。

4 仿真驗(yàn)證

進(jìn)行三相級聯(lián)11電平變換裝置可重構(gòu)控制策略仿真，圖5-圖7為不同情況下仿真輸出的相電壓、線電壓以及已調(diào)制信號的波形。其中，圖5為變換器正常時(shí)的輸出波形，圖6、圖7為故障單元旁路后中性點(diǎn)移位變換器輸出波形，頻率為50 Hz。

圖5 正常工作采用CPSPWM方法調(diào)制信號及變換器輸出線、相電壓的波形

由圖5所示，可得:①載波相移脈寬調(diào)制(CPSPWM)方法能實(shí)現(xiàn)級聯(lián)多電平級聯(lián)的變換裝置的控制(圖5(a));②CPSPWM方法最大幅度調(diào)制比為1，當(dāng)Ma大于1時(shí)輸出電壓出現(xiàn)飽和(圖5(b))。

由圖6、圖7所示，可得:①基于中性點(diǎn)移位原理的CPSPWM方法能在故障單元旁路后實(shí)現(xiàn)對稱的線電壓輸出;②輸出對稱的線電壓的質(zhì)量與故障類型及其調(diào)制比有關(guān)。一般來說，相與相之間的故障器件個(gè)數(shù)相差越小，輸出對稱線電壓質(zhì)量越好，在非飽和范圍內(nèi)幅度調(diào)制比越大輸出線電壓質(zhì)量越好(圖5(a)、圖6(a)、圖 7(a))。

圖6 二單元故障中性點(diǎn)移位CPSPWM方法調(diào)制信號及輸出線、相電壓波形

圖6為B、C相各有一個(gè)單元故障時(shí)，在不同的幅度調(diào)制比(Ma)下，采用CPSPWM方法得到的仿真結(jié)果。圖7為A相有三個(gè)單元故障時(shí)，在不同的幅度調(diào)制比(Ma)下，采用CPSPWM方法得到的仿真結(jié)果。從以上兩組波形可以看出，當(dāng)幅度調(diào)制比Ma大于對應(yīng)故障的Um值(表1)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，進(jìn)入過調(diào)制區(qū)。

5 結(jié)束語

對于級聯(lián)型多電平拓?fù)洌ㄟ^利用級聯(lián)型多電平的內(nèi)在的重構(gòu)能力，即故障單元旁路技術(shù)。當(dāng)開關(guān)器件故障時(shí)，在旁路故障單元的同時(shí)，采用中性點(diǎn)移位技術(shù)，使變換器輸出三相對稱線電壓且盡可能大，從而減小因單元旁路造成的變換器的降額程度。

圖7 三單元故障中性點(diǎn)移位CPSPWM方法調(diào)制信號及輸出線、相電壓波形

文章通過分析級聯(lián)多電平變換裝置的可靠性與可重構(gòu)途徑，理論分析了中性點(diǎn)移位重構(gòu)技術(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)其計(jì)算參數(shù)的公式，提出了基于中性點(diǎn)移位的載波相移脈寬調(diào)制方法，并分別進(jìn)行了三相級聯(lián)11電平變換裝置正常與單元故障時(shí)可重構(gòu)控制策略仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所采用控制策略的正確性。

［1］吳洪祥.多電平變換器及其相關(guān)技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［2］胡鵬飛，江道灼，郭捷.基于晶閘管換向的混合型多電平換流器［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(21):102-107.

［3］楊曉峰，林智欽，鄭瓊林，等.模塊組合多電平變換器的研究綜述［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(6):1-14.

［4］郭力峰，伍小杰，喬樹通，等.基于模塊化級聯(lián)多電平變換器的STATCOM 研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47(3):103-105.

［5］陳阿蓮.新型多電平變換器組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多電平變換器的容錯(cuò)技術(shù)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［6］衛(wèi)三民，劉叢偉，孫旭東.串聯(lián)H橋多電平變頻器單元故障時(shí)的控制方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，43(3):369-372.

［7］薛英林，徐政，唐庚，等.新型混合級聯(lián)多電平換流器調(diào)制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(22):108-114.

［8］蘇建明，馬春雨，楊映珍.一種新型級聯(lián)多電平單相空間矢量調(diào)制研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47(8):32-34.

［9］HAMMOND P W.Enhancing the reliability of modular mediumvoltage drives［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49(5):948-954.

［10］牟偉.級聯(lián)多電平變換器相位移載波SPWM提調(diào)制方法的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006.

［11］趙昕，趙成勇，李廣凱.采用載波移相技術(shù)的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(21):48-54.

［12］李笑倩，宋強(qiáng)，劉文華.采用載波移相調(diào)制的模塊化多電平換流器電容電壓平衡控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(9):49-55.

［13］孫浩.模塊組合多電平變換器(MMC)的控制策略研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［14］劉陽，杜少武，黃海宏.基于載波移相的級聯(lián)多電平并網(wǎng)逆變器研究［J］.電力電子技術(shù)，2012，46(5):39-41.

［15］曹劍坤，謝少軍.移相與SHEPWM結(jié)合控制的級聯(lián)型混合非對稱三相變流器［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(12):290-296.