張松濤，呂 飛，吉 哲

?

基于PEM中性點(diǎn)移位載波調(diào)制可重構(gòu)控制仿真研究

張松濤，呂 飛，吉 哲

（海軍士官學(xué)校，安徽蚌埠 233012）

電力電子變換裝置的重要發(fā)展方向是高電壓大容量，多電平變換裝置以電力電子模塊（PEM）為基本單元，是實(shí)現(xiàn)高電壓大容量的重要途徑，可靠性是衡量模塊化多電平變換裝置優(yōu)劣的重要性能指標(biāo)。該文以電力電子模塊多電平變換裝置的可重構(gòu)控制途徑為基礎(chǔ)，分析出了中性點(diǎn)移位加故障模塊旁路重構(gòu)法，計(jì)算出了多種故障狀態(tài)下的中性點(diǎn)移位參數(shù)，提出了兩種中性點(diǎn)移位載波調(diào)制（CPSPWM、SFO-CPSPWM）電力電子模塊可重構(gòu)控制策略，并進(jìn)行了兩種控制策略的對(duì)比仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了兩種載波調(diào)制可重構(gòu)控制策略的有效性及正確性。

電力電子模塊 可重構(gòu)控制 中性點(diǎn)移位 載波相移脈寬調(diào)制 開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化脈寬調(diào)制

0 前言

可靠性是衡量多電平變換裝置性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，將故障單元旁路是級(jí)聯(lián)多電平變換裝置提高可靠性的常用方法[1]。

從基本單元概念思想出發(fā)，多電平變換裝置是由多個(gè)基本單元形成的，因此可以將多電平變換裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的研究，統(tǒng)一為基本單元組合的研究[2]。多電平變換裝置可看成由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化電力電子模塊按某種方式組合而成。級(jí)聯(lián)型多電平變換裝置能充分體現(xiàn)電力電子模塊化設(shè)計(jì)，日益受到廣泛關(guān)注[3-5]。

本文從電力電子模塊出發(fā)，以電力電子模塊多電平變換裝置的可重構(gòu)控制途徑為基礎(chǔ)，分析出了中性點(diǎn)移位加故障模塊旁路重構(gòu)法，計(jì)算出了多種故障狀態(tài)下的中性點(diǎn)移位參數(shù)，提出了兩種中性點(diǎn)移位載波調(diào)制的電力電子模塊可重構(gòu)控制策略，并以三相級(jí)聯(lián)11電平變換裝置可重構(gòu)控制為例，進(jìn)行了兩種載波調(diào)制策略的對(duì)比仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性及兩種載波調(diào)制分析的正確性。

1 基于電力電子模塊（PEM）可重構(gòu)途徑

1.1 電力電子模塊概述

電力電子模塊是基于模塊化思想提出的。電力電子模塊是依照最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。

電力電子模塊包括功率半導(dǎo)體器件、電平轉(zhuǎn)換、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、傳感器、電源及無(wú)源器件等。電力電子模塊有兩個(gè)接口，分別是能量接口和通訊接口。通過(guò)接口，多個(gè)電力電子模塊構(gòu)成電力電子系統(tǒng)。電力電子模塊最重要的特點(diǎn)是其元件和組裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。由于電力電子模塊具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的特點(diǎn)，使其構(gòu)成的電力電子變化裝置具有了可重構(gòu)性。

電力電子積木(PEBB)和電力電子集成模塊(IPEM)都是典型的電力電子模塊。

1.2 中性點(diǎn)移位加故障模塊旁路重構(gòu)法

模塊化變換裝置發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)觸發(fā)旁路開(kāi)關(guān)，將裝置中的故障模塊切除，同時(shí)采用適當(dāng)控制策略控制正常的剩余模塊，確保裝置實(shí)現(xiàn)基本功能。

圖1 電力電子模塊主電路

如圖1所示，電力電子模塊的輸出端（P、N）有接觸器（J）的觸點(diǎn)，當(dāng)接觸器線圈得電，其觸點(diǎn)動(dòng)作。正常時(shí)，接觸器線圈不得電，其常閉觸點(diǎn)閉合。模塊發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)模塊接觸器線圈得電，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，將該模塊旁路出電力電子系統(tǒng)，且不影響其它模塊的運(yùn)行。系統(tǒng)的可靠性通過(guò)故障模塊旁路法能大大提高。

中性點(diǎn)移位方法由P.W.Hammond提出，采用該方法能夠在故障的模塊被旁路之后，還能獲得最大的對(duì)稱線電壓[6]。

中性點(diǎn)移位利用變換器的星形點(diǎn)不連接到電機(jī)中性點(diǎn)，而且是浮動(dòng)的，其可以偏離電機(jī)中性點(diǎn)。在變換器三相輸出相電壓不平衡的情況下，通過(guò)調(diào)整變換器三相輸出電壓的相位角，可以獲得三相對(duì)稱的線電壓。

圖2 中性點(diǎn)移位矢量圖

若設(shè)變換器單相模塊數(shù)為，則其電平數(shù)為=2+1，如果變換器三相（A、B、C）分別有a、b、c個(gè)模塊發(fā)生了故障，則其每相有效模塊數(shù)a、b、c分別為a=-a、b=-b、c=-c。

設(shè)m=a/、m=b/、m=c/，將其分別代入式(2)、(4)、(5)，可以得到變換器在多種數(shù)量模塊故障情況下，獲得最大對(duì)稱線電壓輸出時(shí)的變換器中性點(diǎn)移位的參數(shù)。

表1列出了單相模塊數(shù)為5，三相故障模塊總數(shù)不超過(guò)3情況下，所有故障的中性點(diǎn)移位參數(shù)。

2 基于PEM級(jí)聯(lián)多電平可重構(gòu)控制策略

2.1 中性點(diǎn)移位載波相移脈寬調(diào)制

2.2 中性點(diǎn)移位載波相移-開(kāi)關(guān)優(yōu)化脈寬調(diào)制

CPSPWM具有輸出諧波小的優(yōu)點(diǎn)，SFOPWM具有直流電壓利用率高和線性調(diào)制范圍寬的優(yōu)點(diǎn)[11]。因此，對(duì)于級(jí)聯(lián)多電平變換裝置，可以綜合兩種方法，即中性點(diǎn)移位載波相移-開(kāi)關(guān)優(yōu)化脈寬調(diào)制(SFO-CPSPWM)，從而兼具兩者優(yōu)點(diǎn)。

圖3 中性點(diǎn)移位載波調(diào)制（CPSPWM或SFO-CPSPWM）框圖

如圖3所示，框圖為模塊化級(jí)聯(lián)多電平變換裝置載波調(diào)制的仿真模型，其具有中性點(diǎn)移位功能，并可選擇是否采用CPSPWM或SFO-CPSPWM方法。

3 仿真分析驗(yàn)證

仿真對(duì)象：模塊化三相級(jí)聯(lián)11電平變換裝置。

仿真參數(shù)：?jiǎn)蜗嗄K數(shù)為5,頻率調(diào)制比f(wàn)為10，裝置輸出頻率為50 Hz。

仿真波形如下。

圖4為變換裝置正常工作時(shí)，載波調(diào)制信號(hào)及變換器輸出線、相電壓波形；其中，圖4（a）、圖4（b）采用CPSPWM方法（Ma不同），圖4（c）采用SFO-CPSPWM方法（a與圖4（b）相同）。

圖5 模塊故障中性點(diǎn)移位載波調(diào)制信號(hào)及輸出線、相電壓波形

圖5為變換裝置電力電子模塊故障時(shí)，載波調(diào)制信號(hào)及變換器輸出線、相電壓波形；其中，圖5（a）為Ｂ、C相各1模塊故障，采用CPSPWM方法，圖5（b）為A相3模塊故障，采用CPSPWM方法，圖5（c）為A相3模塊故障，采用SFO-CPSPWM方法。

圖4分析可得：①中性點(diǎn)移位載波相移脈寬調(diào)制（CPSPWM）和中性點(diǎn)移位載波相移-開(kāi)關(guān)優(yōu)化脈寬調(diào)制（SFO-CPSPWM）方法均能實(shí)現(xiàn)模塊化級(jí)聯(lián)多電平變換裝置的正?？刂?；②圖4（b）所示，當(dāng)a大于1時(shí)，其輸出電壓出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，可見(jiàn)，CPSPWM方法的線性幅度調(diào)制比最大為1；③圖4（c）所示，a為1.2時(shí)，輸出電壓沒(méi)有出現(xiàn)飽和，SFO-CPSPWM方法的最大線性幅度調(diào)制大于1。

圖5分析可得：①中性點(diǎn)移位載波相移脈寬調(diào)制（CPSPWM）和中性點(diǎn)移位載波相移-開(kāi)關(guān)優(yōu)化脈寬調(diào)制（SFO-CPSPWM）方法均能進(jìn)行故障控制，在故障模塊旁路后實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的線電壓輸出；②變換器相與相之間的故障模塊個(gè)數(shù)相差越小，輸出對(duì)稱線電壓質(zhì)量越好（圖5（a）、圖5（b））；③中性點(diǎn)移位CPSPWM方法，當(dāng)幅度調(diào)制比a大于對(duì)應(yīng)故障的V值（表1）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，進(jìn)入過(guò)調(diào)制區(qū)；④中性點(diǎn)移位SFO-CPSPWM方法，即使幅度調(diào)制比a大于中對(duì)應(yīng)故障的V值時(shí)，也沒(méi)有進(jìn)入過(guò)調(diào)制區(qū)。

4 結(jié)論

本文以電力電子模塊多電平變換裝置的可重構(gòu)控制途徑為基礎(chǔ)，分析出了中性點(diǎn)移位加故障模塊旁路重構(gòu)法，計(jì)算出多種故障狀態(tài)下的中性點(diǎn)移位參數(shù)，提出中性點(diǎn)移位載波相移脈寬調(diào)制（CPSPWM）與中性點(diǎn)移位載波相移-開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化脈寬調(diào)制（SFO-CPSPWM）兩種基于電力電子模塊可重構(gòu)控制策略，以三相級(jí)聯(lián)11電平變換裝置可重構(gòu)控制為例，進(jìn)行了兩種載波調(diào)制策略的對(duì)比仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了中性點(diǎn)移位載波組調(diào)制控制策略的有效性及兩種載波調(diào)制理論分析的正確性。基于電力電子模塊可重構(gòu)變換裝置系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)將作為下一步研究?jī)?nèi)容。

[1] 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．

[2] 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．

[3] 汪光森．級(jí)聯(lián)多電平變換器控制策略及實(shí)現(xiàn)方案[R]．武漢：華中科技大學(xué), 2004．

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

[5] 郭力峰，伍小杰，喬樹(shù)通，朱方田．基于模塊化級(jí)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．

[6] Hammond P W. Enhancing the reliability of modular medium voltage drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 948-954.

[7] 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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011,31(21)：48-54．

[8] 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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(9)：49-55．

[9] 劉 陽(yáng)，杜少武，黃海宏．基于載波移相的級(jí)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．

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

[11] 王立杰，孫玉坤，孫運(yùn)全．大容量鏈?zhǔn)絊TATCOM的三角載波移相-開(kāi)關(guān)頻率最優(yōu)PWM法控制策略的研究[J]．繼電器, 2007, 35(3)：41-44．

Research on Control Strategy Reconstruction Based on Power Electronic Module

Zhang Songtao, Lu Fei, Ji Zhe

(Electromechanical Department, Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China)

TM46

A

1003-4862（2018）05-0056-05

2018-02-15

張松濤（1982-），男，碩士，講師。研究方向：電力電子技術(shù)。