朱琴躍， 徐璟然， 譚喜堂， 李大荃， 黃修晗

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，多電平變流器在我國高速電氣化鐵路、城市軌道交通和新能源電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，其中有源中點(diǎn)鉗位型(ANPC)多電平逆變器因其性能穩(wěn)定、對(duì)損耗的平衡控制更加靈活等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為多電平逆變器的主流[3]。與其它傳統(tǒng)的如中點(diǎn)鉗位型(neutral point clamped，NPC)等多電平逆變器相比，由于在相同電平下ANPC逆變器的功率開關(guān)器件數(shù)目較多，系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也相對(duì)較高；若發(fā)生故障后不能及時(shí)處理，將影響整個(gè)電路的安全運(yùn)行，甚至造成不可估量的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變流器中最易發(fā)生故障的是IGBT等功率開關(guān)器件[4]，其故障主要表現(xiàn)為開路和短路。而在實(shí)際應(yīng)用中，通常在IGBT兩側(cè)串聯(lián)快速熔斷器，當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路故障后會(huì)斷開電路轉(zhuǎn)化為開路故障。因此ANPC多電平逆變器運(yùn)行過程中，如何對(duì)IGBT開路故障采取有效的容錯(cuò)控制方法，以確保系統(tǒng)維持基本穩(wěn)定運(yùn)行已成為近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的問題。

目前，針對(duì)NPC三電平逆變器硬件冗余型容錯(cuò)控制的研究較多，主要成果集中在開關(guān)冗余型、相冗余型兩方面。開關(guān)冗余型利用逆變器基本拓?fù)涞娜哂嚯妷菏噶窟M(jìn)行容錯(cuò)控制[5-6]，不需要增加額外的開關(guān)管，成本較低；但由于故障后的冗余空間矢量較少，只能容錯(cuò)特定類型的故障，其它類型的故障則需要降額運(yùn)行。相冗余型則通過額外增加一個(gè)三電平橋臂實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，當(dāng)電路的某相橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，用來替換故障相運(yùn)行[7-8]，因而能夠?qū)蝹€(gè)橋臂內(nèi)的任意故障進(jìn)行容錯(cuò)且不會(huì)降額運(yùn)行；但是所需功率開關(guān)管數(shù)量和成本會(huì)明顯增加，并且面對(duì)多橋臂故障時(shí)容錯(cuò)能力不足。

相比于此，基本ANPC三電平逆變器憑借自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過合理控制鉗位IGBT的通斷，使逆變器具有一定的開路故障容錯(cuò)能力，但對(duì)同一橋臂內(nèi)發(fā)生多個(gè)開關(guān)管開路故障的容錯(cuò)能力有限，且容錯(cuò)開關(guān)管承受的電壓有所升高[9-10]。針對(duì)此，Anderson V. Rocha提出了自愈型容錯(cuò)拓?fù)鋄11]，通過在輸出端增加雙刀雙擲開關(guān)，利用橋臂自身冗余資源對(duì)橋臂內(nèi)發(fā)生的多種故障進(jìn)行容錯(cuò)，且不影響其他橋臂的正常工作。然而冗余器件的增加，一方面提高了逆變器控制的復(fù)雜性，另一方面增加了其體積和成本；同時(shí)非故障時(shí)多個(gè)IGBT處于閑置狀態(tài)，功率器件利用率低。

上述硬件冗余型容錯(cuò)拓?fù)浔仨毱ヅ湎鄳?yīng)的容錯(cuò)控制算法才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)容錯(cuò)過程，現(xiàn)有容錯(cuò)控制策略為了簡(jiǎn)化控制過程，往往先離線建立特定故障類型與其對(duì)應(yīng)的容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)算法和PWM控制策略間的映射關(guān)系表[12-14]，供容錯(cuò)控制時(shí)查表獲取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)拓?fù)渲貥?gòu)和容錯(cuò)運(yùn)行。該方法雖然實(shí)現(xiàn)成本低，使用方便，但一旦系統(tǒng)發(fā)生非預(yù)期故障時(shí)便極有可能失去容錯(cuò)能力，甚至?xí)?duì)系統(tǒng)造成破壞性后果。

為此，本文提出器件共享型ANPC三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)?，在?duì)多類復(fù)雜故障進(jìn)行容錯(cuò)控制的基礎(chǔ)上，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本；同時(shí)為解決現(xiàn)有離線容錯(cuò)控制算法對(duì)非預(yù)期復(fù)雜故障容錯(cuò)能力較弱的問題，提出一種基于組合邏輯的自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法，根據(jù)故障類型和故障位置實(shí)時(shí)獲得合適的容錯(cuò)控制所需的信息，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制；最后，通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所提容錯(cuò)拓?fù)浼翱刂扑惴ǖ恼_性和有效性。

1 器件共享型ANPC拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

1.1 器件共享型容錯(cuò)拓?fù)涞奶岢?/h3>

所提出的ANPC三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)渲饕谄骷蚕淼乃枷?，使逆變器?jīng)過重構(gòu)后實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功率器件承擔(dān)兩相甚至是三相電流負(fù)荷的功能，以使逆變器在實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的同時(shí)，減少閑置器件的數(shù)量。相應(yīng)容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D1所示，其中虛線框內(nèi)是A相橋臂，與之關(guān)聯(lián)(B相橋臂)的重構(gòu)器件在圖中已用淺色點(diǎn)劃線框標(biāo)出。

由圖1可知，器件共享型拓?fù)湓诨続NPC拓?fù)浠A(chǔ)上，每相增設(shè)拓?fù)渲貥?gòu)開關(guān)器件：一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)Sk、兩個(gè)雙向晶閘管Tku和Tkd以及兩個(gè)單向晶閘管Sku、Skd，k=a,b,c。各重構(gòu)開關(guān)器件的作用為：

圖1 器件共享型ANPC逆變器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Fault-tolerant topology of the device-sharing ANPC inverter

雙刀雙擲開關(guān)用于在橋臂發(fā)生內(nèi)管故障后切換每相主橋臂內(nèi)管與箝位管在相輸出中的位置。以A相橋臂為例，雙刀雙擲開關(guān)用于選擇A相輸出位置：當(dāng)開關(guān)Sa的動(dòng)頭處在位置“1”時(shí)，功率器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4作為主橋臂，功率器件Ta5、Ta6起到鉗位作用；當(dāng)開關(guān)Sa的動(dòng)頭處在位置“2”時(shí)，功率器件Ta1、Ta4、Ta5、Ta6作為主橋臂，功率器件Ta2、Ta3起到鉗位作用。

雙向晶閘管用于在橋臂發(fā)生外管故障后將其他兩相的外管作為冗余器件代替故障外管。以B相外管與A相外管的連接為例，如圖1中點(diǎn)劃線框標(biāo)注的重構(gòu)關(guān)聯(lián)器件所示，Tb1和Tb4為B相主橋臂外管，分別通過Tau、Tbu和Tad、Tbd與A相外管并聯(lián)；當(dāng)A相外管發(fā)生開路故障時(shí)，B相外管可作為備用功率器件承擔(dān)A相外管的作用，提供A相電流通路。

與主橋臂內(nèi)管并聯(lián)的單向晶閘管用于在發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)管故障的情況下對(duì)故障內(nèi)管進(jìn)行隔離，避免在發(fā)生復(fù)雜相間多管故障時(shí)降額運(yùn)行。

顯然，該拓?fù)渫瑫r(shí)利用三相相同位置的開關(guān)管互為冗余器件，相比于自愈型ANPC容錯(cuò)拓?fù)涿肯鄻虮劬儆昧?個(gè)IGBT，在降低成本縮小體積的同時(shí)，提高了功率器件的利用率；同時(shí)，在不降低系統(tǒng)輸出性能或少量降低輸出性能的情況下，能夠?qū)喂荛_路、雙管開路以及相間多管開路等復(fù)合故障進(jìn)行容錯(cuò)，具有更好的復(fù)合故障容錯(cuò)能力。

1.2 容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)方法

根據(jù)同時(shí)發(fā)生開路故障的IGBT數(shù)目及位置，將故障分為單管故障、相內(nèi)雙管故障、相間多管故障三類，下面闡述各類故障的容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)方法。

1.2.1 單管故障拓?fù)渲貥?gòu)

以A相橋臂為例，根據(jù)其單管開路故障發(fā)生位置的不同，可分為外管、內(nèi)管和鉗位管故障三類，相應(yīng)的拓?fù)渲貥?gòu)示意分別如圖2(a)、(b)、(c)所示，其中實(shí)線和虛線分別表示拓?fù)渲貥?gòu)后故障橋臂輸出正電平“P”和零電平“O”的電流通路。

圖2 A相單管故障容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)圖Fig.2 Fault-tolerant reconfiguration figure of the single-device fault in phase A

重構(gòu)方法如下：若A相橋臂外管Ta1發(fā)生開路故障，觸發(fā)雙向晶閘管Tau和Tbu導(dǎo)通，使B相外管Tb1作為冗余器件替代Ta1構(gòu)成A相正向“P”電平的電流通路，將原本Ta1的觸發(fā)信號(hào)作用于Tb1即可實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。此情形下，由于經(jīng)由Tb1可同時(shí)在A相和B相輸出“P”電平，為避免B相輸出“P”電平而A相輸出非“P”電平時(shí)兩相相互影響，此時(shí)可限定A相只能使用Ta6和Ta3來輸出“O”電平，而當(dāng)A相輸出“N”電平時(shí)則無影響。

若A相橋臂內(nèi)管Ta2發(fā)生開路故障，控制雙刀雙擲開關(guān)Sa的兩個(gè)動(dòng)頭均切換到位置“2”，鉗位管Ta5、Ta6替換Ta2、Ta3變成主橋臂內(nèi)管，Ta2、Ta3轉(zhuǎn)變?yōu)殂Q位管，這樣可利用Ta3為零電平“O”的輸出提供通路。

若A相橋臂鉗位管Ta5發(fā)生開路故障，控制雙刀雙擲開關(guān)Sa、2個(gè)雙向晶閘管Tau和Tad均不動(dòng)作，采用基本NPC三電平逆變器的控制策略保持正常電壓輸出。

由此可見，當(dāng)逆變器發(fā)生單管故障時(shí)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的拓?fù)渲貥?gòu)即可完成容錯(cuò)，重構(gòu)后調(diào)制策略需發(fā)生一定改變。

1.2.2 相內(nèi)雙管故障拓?fù)渲貥?gòu)

ANPC三電平逆變器單相橋臂中共有6個(gè)IGBT，當(dāng)有兩個(gè)功率開關(guān)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，考慮到開關(guān)位置的對(duì)稱性及容錯(cuò)后運(yùn)行狀態(tài)，可將單相橋臂的雙管故障分為五類。仍以A相為例，其雙管故障類型如表1所示，不同類型故障的拓?fù)渲貥?gòu)方法如下：

表1 A相雙管故障分類

若發(fā)生①類、②類和③類故障時(shí)，根據(jù)上述單管故障的重構(gòu)方法，觸發(fā)相應(yīng)的雙刀雙擲開關(guān)或雙向晶閘管動(dòng)作即可完成拓?fù)渲貥?gòu)，使逆變器恢復(fù)正常輸出。需要注意的是，當(dāng)發(fā)生②類故障時(shí)，由于特定的功率器件在拓?fù)渲貥?gòu)后將在兩相間共享使用，為防止出現(xiàn)直通現(xiàn)象短接直流母線電容，需將故障相退化為兩電平輸出，其余兩相仍維持三電平輸出。而當(dāng)發(fā)生①類和③類故障時(shí)，容錯(cuò)控制方式與單相外管發(fā)生故障時(shí)一致，即使用與故障外管不相鄰的兩個(gè)內(nèi)管來輸出“O”電平。

若發(fā)生④類故障時(shí)，如A相內(nèi)管Ta5、Ta6同時(shí)發(fā)生故障，故障A相橋臂退化為基本NPC結(jié)構(gòu)，此時(shí)A相采用NPC基本控制策略，便可使其維持正常三電平輸出。

若發(fā)生⑤類故障中的Ta2和Ta6同時(shí)開路故障，此時(shí)不管如何切換開關(guān)Sa，主橋臂總會(huì)存在一個(gè)故障內(nèi)管，只能輸出“P”電平或“O”電平的一種，無法正常輸出電平，其空間電壓矢量分布如圖3所示。由此可見，該矢量序列將無法構(gòu)成圓形磁鏈對(duì)三相對(duì)稱負(fù)載進(jìn)行控制。為避免采用傳統(tǒng)容錯(cuò)控制方法使故障相輸出持續(xù)零電平并通過調(diào)整控制策略來實(shí)現(xiàn)降額運(yùn)行，針對(duì)該類故障通過控制與主橋臂內(nèi)管并聯(lián)的單相可控晶閘管動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)拓?fù)渲貥?gòu)后仍能實(shí)現(xiàn)三電平輸出。相應(yīng)的拓?fù)渲貥?gòu)方法為：保持雙刀雙擲開關(guān)Sa不動(dòng)作，觸發(fā)與Ta2并聯(lián)的單向晶閘管Sau導(dǎo)通，將原本開路的Ta2單向短路，從而維持三電平輸出。相應(yīng)的拓?fù)渲貥?gòu)示意如圖4所示，圖中實(shí)線路徑為續(xù)流管Da2和單向晶閘管Sau構(gòu)成的“P”電平雙向電流通路，虛線路徑為“O”電平的雙向電流通路，點(diǎn)劃線路徑為“N”電平的雙向電流通路。

圖3 Ta2、Ta6雙管故障空間矢量分布圖Fig.3 Space vector distribution of double-device fault Ta2、Ta6

圖4 Ta2、Ta6雙管故障拓?fù)渲貥?gòu)圖Fig.4 Topology reconstruction of double-device fault Ta2、Ta6

由此可見，上述①～④類雙管故障容錯(cuò)后的故障橋臂可工作于三電平或兩電平狀態(tài)，調(diào)制比不降低，且每個(gè)IGBT只需承受Ud/2的電壓。而⑤類故障發(fā)生后，若橋臂外管的耐壓值具有一定的裕量，則容錯(cuò)后能在不降低調(diào)制比和不降額的條件下實(shí)現(xiàn)三電平運(yùn)行，此時(shí)橋臂外管的耐壓值將從Ud/2提高到Ud；否則可控制開關(guān)Sa的兩個(gè)動(dòng)頭分別處在同側(cè)位置“1”和位置“2”，控制A相持續(xù)輸出“O”電平，實(shí)現(xiàn)降額運(yùn)行。

1.2.3 相間多管故障拓?fù)渲貥?gòu)

此類故障可等效為多個(gè)單管故障和雙管故障的復(fù)合，采用前文所提方法，同時(shí)利用三相ANPC固有的互相冗余便能進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)，實(shí)現(xiàn)有效的容錯(cuò)控制。

但若出現(xiàn)一種特殊故障情況，即當(dāng)單相橋臂有3個(gè)及以上開關(guān)管同時(shí)發(fā)生故障，部分故障拓?fù)湟呀?jīng)失去容錯(cuò)能力，可通過雙刀雙擲開關(guān)將故障相輸出直接與直流母線中點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)降額運(yùn)行。

如圖5所示，若A相內(nèi)管Ta1、Ta2、Ta6同時(shí)發(fā)生開路故障時(shí)，橋臂不能正常工作，空間電壓矢量分布如圖6所示。此時(shí)，可控制雙刀雙擲開關(guān)Sa動(dòng)頭位置進(jìn)行切換，將A相輸出端直接與直流母線中點(diǎn)相連，使故障相恒定輸出“O”電平，實(shí)現(xiàn)降額運(yùn)行。容錯(cuò)重構(gòu)后空間電壓矢量分布如圖7所示，其中虛線圓為降額后空間電壓矢量軌跡。

圖5 Ta1、Ta2、Ta6同時(shí)故障拓?fù)渲貥?gòu)圖Fig.5 Topology reconstruction of device fault Ta1、Ta2、 Ta6

圖6 Ta1、Ta2、Ta6同時(shí)故障空間矢量分布圖Fig.6 Space vector distribution of device fault Ta1、Ta2、Ta6

圖7 A相降額運(yùn)行后的空間矢量分布圖Fig.7 Space vector distribution of derating operation in phase A

2 自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法

由上述分析可知，針對(duì)不同故障類型，需采用不同的容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)方法。由于傳統(tǒng)離線控制算法主要采用針對(duì)不同故障類型建立對(duì)應(yīng)的容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)算法和PWM控制策略間的映射關(guān)系表，當(dāng)面向多相多管復(fù)合故障時(shí)，由于各種故障類型的組合多達(dá)上千種，由此建立的映射表規(guī)模龐大；且對(duì)一些非預(yù)期故障根本無法進(jìn)行容錯(cuò)。為此，提出了一種基于組合邏輯的自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法。如圖8所示，該算法主要包括拓?fù)渲貥?gòu)開關(guān)信號(hào)生成模塊、容錯(cuò)控制開關(guān)狀態(tài)表生成模塊和PWM輸出控制模塊三部分。根據(jù)不同故障類型和故障位置，實(shí)時(shí)求解并獲得合適的容錯(cuò)重構(gòu)開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制信息，生成有效的容錯(cuò)控制開關(guān)狀態(tài)表，繼而輸出PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)容錯(cuò)控制。

圖8 自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of adaptive fault-tolerant control algorithm

下面將闡述各個(gè)模塊的算法設(shè)計(jì)及原理。為便于描述和分析，以下符號(hào)和變量將在下文被使用：

Fkp：第k相第p個(gè)IGBT開關(guān)管故障標(biāo)志位，1為發(fā)生故障，0為正常。

Ck1、Ck2：第k相雙刀雙擲開關(guān)的動(dòng)頭1、2的動(dòng)作信號(hào)，1為動(dòng)頭處于位置2，0為動(dòng)頭處于位置1。

Bku、Bkd：第k相上、下兩個(gè)雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，1為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，0為驅(qū)動(dòng)關(guān)斷。

Dku、Dkd：第k相上、下兩個(gè)單向晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，1為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，0為驅(qū)動(dòng)關(guān)斷。

FTkp：重構(gòu)拓?fù)渲械趉相第p個(gè)IGBT的開關(guān)狀態(tài)，1為導(dǎo)通，0為關(guān)斷。

STkp：等效的ANPC標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)渲械趉相第p個(gè)IGBT的開關(guān)狀態(tài)，1為導(dǎo)通，0為關(guān)斷。

為了便于討論和表達(dá)，規(guī)定k的取值為0、1、2、3、4，分別表示C相、A相、B相、C相、A相，例如k=1表示A相，則k-1表示C相，k+1表示B相；p=1,2,3,4,5,6。

2.1 拓?fù)渲貥?gòu)開關(guān)信號(hào)生成模塊

該模塊主要根據(jù)故障類型和故障位置生成容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)方案，計(jì)算求解出拓?fù)渲貥?gòu)開關(guān)所需的觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)逆變器拓?fù)渲貥?gòu)。重構(gòu)開關(guān)信號(hào)共有三類：雙刀雙擲開關(guān)動(dòng)作信號(hào)、雙向晶閘管和單向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中雙刀雙擲開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)根據(jù)內(nèi)管故障情況而定，雙向晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)根據(jù)外管故障情況而定，單向晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則由復(fù)雜多內(nèi)管故障情況而定，不同的故障類型有可能求解出相同的拓?fù)渲貥?gòu)方案。三類開關(guān)動(dòng)作信號(hào)邏輯的推導(dǎo)與求解過程如下。

2.1.1 雙刀雙擲開關(guān)動(dòng)作信號(hào)求解

雙刀雙擲開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)僅與內(nèi)管故障有關(guān)。用FIMk=Fk2+Fk3表示k相主橋臂內(nèi)管是否發(fā)生故障，用FICk=Fk5+Fk6表示k相鉗位內(nèi)管是否發(fā)生故障，其中“0”表示無故障，“1”表示故障。則內(nèi)管故障的容錯(cuò)邏輯為：

IfFIMk=0,thenCk1Ck2=00；

IfFIMk=1&FICk=0，thenCk1Ck2=11；

IfFIMk=1&FICk=1，thenCk1Ck2=10。

根據(jù)邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)綜合考慮具有更高優(yōu)先級(jí)的單向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因?yàn)橐坏﹩蜗蚓чl管動(dòng)作則雙刀雙擲開關(guān)必須保持初始狀態(tài)，故可得Ck1、Ck2的邏輯表達(dá)式為：

Ck1=FIMk=(Fk2+Fk3)&

(1)

(2)

2.1.2 雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)求解

當(dāng)發(fā)生外管故障時(shí)，可控制雙向晶閘管利用相間共享外管進(jìn)行容錯(cuò)。由于拓?fù)渲貥?gòu)后多個(gè)橋臂共用同一個(gè)外管，需要綜合考慮其他橋臂的故障情況來確定容錯(cuò)重構(gòu)方案。下面以k相上橋臂雙向晶閘管Tku為例推導(dǎo)其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯表達(dá)式。根據(jù)k相上橋臂外管Tk1是否發(fā)生故障，分兩種情形分別討論。

情形1：若k相上橋臂外管Tk1故障，即Fk1=1，此時(shí)上橋臂雙向晶閘管一定參與容錯(cuò)，即Bku=1。

情形2：若k相上橋臂外管Tk1未故障，即Fk1=0，表明此時(shí)定是在k相以外的其余兩相上橋臂發(fā)生外管開路故障。根據(jù)外管故障可能發(fā)生的位置，進(jìn)一步分析如下：1)若k-1相發(fā)生故障，則k相上橋臂外管Tk1需要參與容錯(cuò)，即Bku=1；2)若k+1相發(fā)生故障，則k相上橋臂外管Tk1不需要參與容錯(cuò)，即Bku=0；3)若兩相同時(shí)發(fā)生故障，則非故障相外管同時(shí)承擔(dān)三相上橋臂外管的輸出，這種情況下Bku必然符合上述兩種條件的至少一種，所以一定導(dǎo)通。

綜上可知，共有兩種情況需要上橋臂雙向晶閘管參與容錯(cuò)，由此可得其驅(qū)動(dòng)信號(hào)Bku的邏輯表達(dá)式為

(3)

同理，可得下橋臂雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)Bkd的邏輯表達(dá)式為

(4)

2.1.3 單向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)求解

當(dāng)發(fā)生雙管故障中第⑤類雙內(nèi)管故障后，使用雙刀雙擲開關(guān)無法使故障相得到健康的兩個(gè)主橋臂內(nèi)管，需要觸發(fā)對(duì)應(yīng)的單向晶閘管導(dǎo)通將故障主橋臂內(nèi)管短路，與續(xù)流二極管一起構(gòu)成電流的雙向通路。因此單向晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比雙刀雙擲開關(guān)和雙向晶閘管動(dòng)作信號(hào)具有更高優(yōu)先級(jí)。由此可得單向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)Dku、Dkd的邏輯表達(dá)式分別為：

Dku=Fk2&(Fk5Fk6)；

(5)

Dkd=Fk3&(Fk5Fk6)。

(6)

2.2 容錯(cuò)控制開關(guān)狀態(tài)表生成模塊

當(dāng)逆變器進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)后，橋臂輸出特定電平所對(duì)應(yīng)的IGBT開關(guān)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，如何確定一組可用的開關(guān)狀態(tài)是容錯(cuò)控制要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。容錯(cuò)控制開關(guān)狀態(tài)表生成模塊根據(jù)容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)方案以及三類拓?fù)渲貥?gòu)開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，生成有效的IGBT開關(guān)狀態(tài)表來控制電平輸出。

具體操作過程為：1)根據(jù)故障類型和故障位置，排除故障開關(guān)管后，隨機(jī)生成一組基于重構(gòu)拓?fù)涞腎GBT開關(guān)狀態(tài)表；2)對(duì)拓?fù)渲貥?gòu)信息進(jìn)行融合，根據(jù)重構(gòu)開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，將重構(gòu)拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)經(jīng)過變換等效成標(biāo)準(zhǔn)ANPC三電平逆變器的IGBT開關(guān)狀態(tài)；3)通過與標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)溟_關(guān)狀態(tài)表進(jìn)行匹配比較，判斷當(dāng)前給定的重構(gòu)拓?fù)溟_關(guān)狀態(tài)是否符合要求，校驗(yàn)?zāi)芊裾_輸出對(duì)應(yīng)電平，若能則表明步驟1)中隨機(jī)生成的基于重構(gòu)拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)表有效，否則返回執(zhí)行步驟1)繼續(xù)求解。

上述步驟2)主要依據(jù)重構(gòu)拓?fù)渲蠭GBT開關(guān)管在第k相輸出電平時(shí)的作用進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)表的等效轉(zhuǎn)換，使重構(gòu)拓?fù)渲械拿恳粋€(gè)IGBT開關(guān)狀態(tài)均可通過組合邏輯等效轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)三電平ANPC拓?fù)涞哪骋籌GBT開關(guān)狀態(tài)。下面推導(dǎo)并給出各IGBT開關(guān)狀態(tài)等效轉(zhuǎn)換的邏輯表達(dá)式。

在進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換前，需先對(duì)拓?fù)渲貥?gòu)開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。其中單向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)Dku、Dkd僅作用于部分復(fù)雜內(nèi)管故障，且動(dòng)作后鎖定Tk2和Tk3為主橋臂內(nèi)管，因此內(nèi)管和鉗位管控制信號(hào)不需要改變，該動(dòng)作信號(hào)對(duì)容錯(cuò)控制開關(guān)沒有影響；而雙向晶閘管(上橋臂)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及雙刀雙擲開關(guān)動(dòng)作信號(hào)的功能如表2和表3所示。

表2 Bku不同組合及其功能

表3 Ck1和Ck2不同組合及其功能

由此可見，若設(shè)FTkp為重構(gòu)拓?fù)渲械趉相第p個(gè)IGBT的開關(guān)狀態(tài)，STkp為等效轉(zhuǎn)換后標(biāo)準(zhǔn)ANPC拓?fù)渲械趉相第p個(gè)IGBT的開關(guān)狀態(tài)，以外管Tk1為例，等效轉(zhuǎn)換后的開關(guān)狀態(tài)STk1受到以下3個(gè)因素的影響：1)受拓?fù)渲貥?gòu)前Tk1開關(guān)狀態(tài)FTk1的影響。若FTk1=1，則STk1=1。2)受雙向晶閘管開關(guān)狀態(tài)的影響。由表2可知，雙向晶閘管的開關(guān)狀態(tài)決定了是否有外管被多相橋臂所共用，例如TauTbuTcu=110，則A、B兩相共用外管Ta1或Tb1，故可得STa1=STb1=FTa1+FTb1。3)受雙刀雙擲開關(guān)工作狀態(tài)的影響。由表3可知，一般的，雙刀雙擲開關(guān)的兩個(gè)動(dòng)頭會(huì)同時(shí)處于位置1或2；當(dāng)發(fā)生無法容錯(cuò)故障必須降額運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)動(dòng)頭會(huì)分別切換至位置1和2，此時(shí)，故障相輸出被直接連接至直流母線中性點(diǎn)，該相所有的IGBT均處于關(guān)斷狀態(tài)。

綜上分析，可得等效轉(zhuǎn)換后Tk1的開關(guān)狀態(tài)表達(dá)式為

STk1=((FTa1Bau+FTb1Bbu+FTc1Bcu)×

(7)

同理，可以推導(dǎo)出其他IGBT開關(guān)狀態(tài)的等效轉(zhuǎn)換邏輯表達(dá)式，如表4所示。在容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)中，根據(jù)上述推導(dǎo)而出的開關(guān)狀態(tài)等效轉(zhuǎn)換關(guān)系，可將重構(gòu)拓?fù)渲忻總€(gè)IGBT開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的等效開關(guān)狀態(tài)，再將此與表5所示的標(biāo)準(zhǔn)ANPC三電平拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)表進(jìn)行匹配比較，若等效轉(zhuǎn)換后的開關(guān)狀態(tài)為表5的子集，則當(dāng)前給定的重構(gòu)拓?fù)溟_關(guān)狀態(tài)表是可用的，否則需要重新給定。

表4 開關(guān)管等效轉(zhuǎn)換邏輯表達(dá)式

表5 標(biāo)準(zhǔn)ANPC三電平逆變器開關(guān)狀態(tài)表

2.3 PWM輸出控制模塊

PWM輸出控制模塊是在傳統(tǒng)SVPWM控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同故障類型確定不同的SVPWM容錯(cuò)算法，生成相應(yīng)的容錯(cuò)用空間電壓矢量序列，繼而產(chǎn)生不同的PWM輸出脈沖。根據(jù)不同容錯(cuò)方案對(duì)逆變器輸出性能的影響，可采用以下3種PWM控制算法。

1)對(duì)稱全額運(yùn)行模式。用于控制單管故障、①,③,④,⑤類雙管故障、部分相間多管故障等大部分故障類型，容錯(cuò)后三相均工作于三電平狀態(tài)，三電平SVPWM控制算法不變，采用傳統(tǒng)三電平SVPWM算法。

2)不對(duì)稱工作模式。用于控制②類雙管故障和部分相間多管故障，容錯(cuò)后故障相工作于兩電平，其余兩相工作于三電平，最大調(diào)制比不降低，采用不對(duì)稱三電平SVPWM控制算法[15]。不對(duì)稱三電平SVPWM控制算法采用五段式脈沖序列。

3)降額運(yùn)行模式。用于控制無法有效容錯(cuò)的部分相間多管故障，通過雙刀雙擲開關(guān)直接將故障相連接至直流母線中性點(diǎn)，其余兩相工作于三電平狀態(tài)，最大調(diào)制比降為0.5，采用兩電平SVPWM控制算法[16]。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 自適應(yīng)控制算法仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提容錯(cuò)拓?fù)浜涂刂扑惴ǖ挠行院涂尚行?，首先使用MATLAB/ Simulink搭建了器件共享型ANPC三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)渲麟娐贩抡婺Ｐ汀?/p>

首先設(shè)置故障標(biāo)志矩陣Fault_info=[0 0 0 0 0 0, 0 0 0 0 0 0, 0 0 0 0 0 0 ]用來表示18個(gè)IGBT故障標(biāo)志，其中1表示故障，0表示正常；以矩陣BTTs[ ]表示6個(gè)雙向晶閘管動(dòng)作信號(hào)，以矩陣Cons[ ]表示雙刀雙擲開關(guān)6個(gè)動(dòng)頭的動(dòng)作信號(hào)，以矩陣TTs[ ]表示6個(gè)單向晶閘管動(dòng)作信號(hào)。接著對(duì)雙刀雙擲開關(guān)、雙向晶閘管以及單向晶閘管的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行求解，輸出動(dòng)作標(biāo)志矩陣；然后將Fault_info，BTTs，Cons，TTs矩陣信號(hào)作為輸入變量求解出開關(guān)狀態(tài)表LookupTable，它包含根據(jù)重構(gòu)信息得出的27個(gè)矢量所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)；最后匹配比較并確定LookupTable是否有效。

下面以A相發(fā)生故障為例，檢驗(yàn)自適應(yīng)控制算法在各類故障下的計(jì)算結(jié)果。

3.1.1 單相兩外管故障

Ta1、Ta4發(fā)生開路故障時(shí)Fa1=Fa4=1，函數(shù)輸入變量為Fault_info=[ 1 0 0 1 0 0,0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0]，求解得到雙刀雙擲開關(guān)、雙向晶閘管以及單向晶閘管的動(dòng)作信號(hào)如下：

BTTs=[1 1 1 1 0 0];Cons=[0 0 0 0 0 0];TTs=[0 0 0 0 0 0]。

分析所得矩陣可知，對(duì)應(yīng)雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)B1u、B2u、B1d、B2d為1，動(dòng)作為導(dǎo)通閉合，雙刀雙擲開關(guān)、單向晶閘管未發(fā)生動(dòng)作，即A、B兩相共用上橋臂外管Tb1及下橋臂外管Tb4。根據(jù)前文分析，該重構(gòu)結(jié)果滿足對(duì)應(yīng)故障容錯(cuò)的拓?fù)渲貥?gòu)需求。

圖9所示為該故障下開關(guān)狀態(tài)表的求解結(jié)果。左側(cè)矩陣為重構(gòu)拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)表，右側(cè)矩陣為將其等效轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)ANPC拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)表。觀察A相輸出P,N,O三種電平時(shí)的開關(guān)狀態(tài)(圖中分別由方框圈出并標(biāo)記)，可以看出，左側(cè)矩陣第1、4列始終為0，表明故障器件Ta1、Ta4處于開路狀態(tài)。在A相信號(hào)上疊加B相外管Tb1、Tb4的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，即得右側(cè)等效矩陣，其中A相的N電平為[1 0 1 1 0 0] [0 0 1 1 0 0 ]，O電平為[1 0 1 0 0 1] [0 1 0 1 1 0]，P電平為[1 1 0 0 0 0]，均為表5子集。因此可判斷左邊矩陣為可用矩陣。

圖9 Ta1、Ta4故障下重構(gòu)拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)表及其等效轉(zhuǎn)換Fig.9 Switch state of reconfiguration topology and its equivalent transformation of device fault Ta1、Ta4

3.1.2 單相內(nèi)外兩管故障

Ta1、Ta3發(fā)生開路故障時(shí)Fa1=Fa3=1，函數(shù)輸入變量為Fault_info=[ 1 0 1 0 0 0,0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0]，求解得到雙刀雙擲開關(guān)、雙向晶閘管以及單向晶閘管的動(dòng)作信號(hào)為：BTTs=[1 1 0 0 0 0]，Cons=[1 1 0 0 0 0],TTs=[0 0 0 0 0 0]。

分析所得矩陣可知，雙向晶閘管動(dòng)作信號(hào)B1u、B2u為均1，處于閉合狀態(tài)；雙刀雙擲開關(guān)Sa的動(dòng)頭打到位置“2”。即A、B兩相共用上橋臂外管Tb1，功率器件Ta1、Ta4、Ta5、Ta6變成主橋臂，功率器件Ta2、Ta3起到鉗位作用。由前文分析可知，該重構(gòu)結(jié)果滿足對(duì)應(yīng)故障容錯(cuò)的拓?fù)渲貥?gòu)需求。

圖10所示選取開關(guān)狀態(tài)表中3個(gè)典型開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析，可以看出，左側(cè)矩陣中第1、3列始終為0，表明故障器件Ta1、Ta3處于開路狀態(tài)。在A相信號(hào)上疊加B相外管Tb1的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并交換A相第2、5列及第3、6列，即得右側(cè)等效矩陣，其開關(guān)狀態(tài)均為表5子集。因此可判斷左邊矩陣為可用矩陣。

圖10 Ta1、Ta3故障下重構(gòu)拓?fù)涞牟糠珠_關(guān)狀態(tài)表及其等效轉(zhuǎn)換Fig.10 Switch state of reconfiguration topology and its equivalent transformation of device fault Ta1、Ta3

其它故障類型的計(jì)算過程與上述故障均類似，此處不再贅述。

3.2 故障容錯(cuò)控制仿真

由于逆變器三相對(duì)稱，以A相故障為例，共模擬了4種故障容錯(cuò)，其中單管故障1種，相內(nèi)雙管復(fù)合故障1種，相間多管復(fù)合故障2種。相應(yīng)的仿真參數(shù)如表6所示，仿真時(shí)均假設(shè)t=0.02 s時(shí)發(fā)生故障，t=0.04 s時(shí)投入容錯(cuò)。

表6 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.2.1 單管故障

圖11為A相外管Ta1發(fā)生開路故障后的容錯(cuò)過程示意。由圖可見，當(dāng)發(fā)生外管故障后，故障期間A相無法正常輸出“P”電平，當(dāng)負(fù)載電流過零后，A相輸出出現(xiàn)持續(xù)的“O”電平，同時(shí)A相負(fù)載電流開始發(fā)生畸變，0.04 s容錯(cuò)投入后，B相外管Tb1代替Ta1，A相輸出恢復(fù)正常。

圖11 外管Ta1開路故障容錯(cuò)過程Fig.11 Fault-tolerant operation of single-device Ta1 open-circuit fault

3.2.2 相內(nèi)雙管故障

圖12為A相內(nèi)外雙管發(fā)生開路故障后的容錯(cuò)過程示意。由圖可見，當(dāng)Ta1、Ta3發(fā)生故障后，故障期間A相無法正常出“P”電平，輸出電流為正時(shí)，A相被強(qiáng)制輸出“O”電平；電流衰減到零后，由于Ta3故障，無法輸出“N”電平，A相輸出電平被強(qiáng)制拉高，同時(shí)影響B(tài)、C兩相輸出電流失衡。0.04 s容錯(cuò)投入后，外管Tb1被A、B兩相共享，Ta5、Ta6取代Ta2、Ta3成為主橋臂內(nèi)管進(jìn)行輸出，采用不對(duì)稱SVPWM控制策略進(jìn)行輸出，容錯(cuò)后三相輸出電流恢復(fù)平衡。

圖12 相內(nèi)雙管Ta1、Ta3開路故障容錯(cuò)過程Fig.12 Fault-tolerant operation of double-device Ta1、Ta3 open-circuit fault in one phase

3.2.3 相間復(fù)合多管故障

圖13(a)、(b)分別為發(fā)生相間四管和五管開路故障后的容錯(cuò)過程示意。由圖13(a)可見，由于A、B、C三相均有IGBT故障，所以故障期間三相都無法正常輸出，同時(shí)三相電流畸變較大，每相故障特征與對(duì)應(yīng)的單管或雙管故障類似；0.04 s進(jìn)行容錯(cuò)控制后，三相輸出電壓和輸出電流都恢復(fù)正常，能夠在不降低系統(tǒng)輸出性能的情況下使系統(tǒng)恢復(fù)三相三電平對(duì)稱輸出。由圖13(b)可見，當(dāng)A相同時(shí)發(fā)生三管故障后，故障期間A相輸出波形與Ta2、Ta6故障時(shí)相同，這是因?yàn)門a2管一旦故障同時(shí)影響“P”、“O”電平的輸出，從而覆蓋了Ta1管的故障特征；B相由于Tb2管故障也無法輸出“P”電平，同時(shí)受A、B兩相電流影響，C相電流畸變嚴(yán)重。在進(jìn)行容錯(cuò)拓?fù)渲貥?gòu)時(shí)，由于無論如何重構(gòu)A相均無法輸出雙向可控的“P”電平，無法求解到有效的拓?fù)渲貥?gòu)和開關(guān)狀態(tài)表，因此只能降額容錯(cuò)運(yùn)行，控制雙刀雙擲開關(guān)將A相直接連接到直流母線中性點(diǎn)，采用退化SVPWM控制策略進(jìn)行輸出，A相輸出恒定的“O”電平，B、C兩相正常輸出三電平，犧牲故障相電壓輸出，保證三相電流的對(duì)稱輸出。

圖13 相間多管開路故障容錯(cuò)過程Fig.13 Fault-tolerant operation of multi-device open-circuit fault among three phases

上述各仿真結(jié)果表明所提容錯(cuò)控制方法具有容錯(cuò)各類開關(guān)管開路故障的能力。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)上述諸多仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了器件共享型容錯(cuò)ANPC三電平逆變器小功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖14所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路中IGBT采用Infineon公司的兩單元模塊FF75R12RT4，控制電路中DSP控制板采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：直流母線電壓Ud=96 V，直流側(cè)電容C1=C2=750 μF，負(fù)載電阻阻值為2.5 Ω，負(fù)載電感為13.8 mH，載波頻率為1 250 Hz，三相輸出電壓基頻為50 Hz，調(diào)制比m=0.8。

圖14 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.14 Hardware of experimental system

圖15為A相Ta1發(fā)生開路故障后，在投入容錯(cuò)前后逆變器三相輸出電壓波形。設(shè)置故障發(fā)生時(shí)刻起運(yùn)行兩個(gè)基波周期后投入容錯(cuò)控制，由圖可見，容錯(cuò)投入后，A相輸出恢復(fù)正常，其他相輸出也未受任何影響，與仿真結(jié)果一致。

圖15 Ta1單管故障容錯(cuò)過程三相輸出電壓波形Fig.15 Output voltage waveform of three phases when tolerating single-device fault Ta1

圖16為Ta1、Ta3發(fā)生開路故障后，投入容錯(cuò)前后逆變器三相輸出電壓波形。從圖中可以看出，容錯(cuò)投入后，故障相電壓恢復(fù)三電平或兩電平運(yùn)行，非故障相仍保持三電平輸出，與仿真結(jié)果一致。

圖16 Ta1、Ta3雙管故障容錯(cuò)前后三相輸出電壓波形Fig.16 Output voltage waveform of three phases when tolerating double-device fault Ta1、Ta3

圖17為Ta1、Ta2、Tb1、Tc2多個(gè)開關(guān)管同時(shí)發(fā)生開路故障后，投入容錯(cuò)前后逆變器三相輸出電壓波形。由圖可見，容錯(cuò)投入后，三相輸出電壓均恢復(fù)正常，能夠在不降低系統(tǒng)輸出性能的情況下使系統(tǒng)恢復(fù)三相三電平對(duì)稱輸出，與仿真結(jié)果一致。由此表明，所提容錯(cuò)控制方法對(duì)于此類相間多管故障，可以實(shí)現(xiàn)三相全額容錯(cuò)運(yùn)行。

圖17 Ta1、Ta2、Tb1、Tc2相間多管故障容錯(cuò)前后三相輸出電壓波形Fig.17 Output voltage waveform of three phases when tolerating multi-device fault among three phases Ta1、Ta2、Tb1、Tc2

圖18為Ta1、Ta2、Ta6、Tb2、Tc2多個(gè)開關(guān)管同時(shí)發(fā)生開路故障后，投入容錯(cuò)前后逆變器三相輸出電壓波形。由圖可見，容錯(cuò)投入后，控制雙刀雙擲開關(guān)將A相直接連接到直流母線中性點(diǎn)，同時(shí)采用降額SVPWM控制策略，可使A相恒定輸出“O”電平，B、C兩相恢復(fù)正常運(yùn)行，與仿真結(jié)果一致。進(jìn)一步表明所提容錯(cuò)控制方法對(duì)于此類相間多管故障容錯(cuò)的有效性。

圖18 Ta1、Ta2、Ta6、Tb2、Tc2相間多管故障容錯(cuò)前后三相輸出電壓波形Fig.18 Output voltage waveform of three phases when tolerating multi-device fault among three phases Ta1、Ta2、Ta6、Tb2、Tc2

4 結(jié) 論

本文以ANPC三電平逆變器為研究對(duì)象，提出了器件共享型ANPC三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)?，并提出了基于組合邏輯的自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法，通過仿真和實(shí)驗(yàn)可得到如下結(jié)論：

1)本文所提容錯(cuò)拓?fù)淇稍诓唤档湍孀兤鬏敵鲂阅艿臈l件下對(duì)單管、相內(nèi)雙管以及相間多管開路故障進(jìn)行容錯(cuò)，器件利用率高，冗余成本較低。

2)本文所提自適應(yīng)容錯(cuò)控制算法能夠根據(jù)故障位置實(shí)時(shí)求解拓?fù)渲貥?gòu)所需的各類重構(gòu)開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，生成等效開關(guān)狀態(tài)表，能夠適應(yīng)復(fù)雜的故障模式，具有實(shí)用價(jià)值。

3)本文所搭建的降功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文所提出的容錯(cuò)拓?fù)湟约八惴ǖ挠行浴?/p>