吳 寧， 時(shí)維國

(大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引 言

中性點(diǎn)箝位型(NPC)三電平逆變器由于輸出諧波含量低、電壓利用率高、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于鐵路電氣化、高壓特高壓直流輸電、新能源發(fā)電等大功率逆變場合。因此，逆變器的可靠性越來越受到重視[1-3]。與兩電平逆變器相比，三電平逆變器對開關(guān)施加的電壓應(yīng)力較小，適用于高功率場景。在關(guān)鍵應(yīng)用中使用逆變器意味著內(nèi)部功率器件故障會導(dǎo)致性能下降甚至工作過程中斷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或安全事故[4]。因此，三電平逆變器的容錯(cuò)控制對提高系統(tǒng)的可靠性具有重大意義。

通過設(shè)計(jì)具有容錯(cuò)能力的電力電子系統(tǒng)，可以將逆變器內(nèi)部故障的后果降至最低，允許逆變器繼續(xù)保持運(yùn)行，直到故障被修復(fù)?？梢燥@著減少故障的影響，大大提高系統(tǒng)的可靠性，避免巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

多電平變換器拓?fù)渲饕煞譃椤叭龢虮邸焙汀八臉虮邸?種方法[5-8]。文獻(xiàn)[9]在NPC變換器中增加了第4支路和額外的熔斷器、晶閘管及功率器件，在容錯(cuò)操作中，該分支替代了故障相位，從而保證了NPC變換器的正常工作，使功率器件不承受過電壓。該方法對斷路和短路故障均是有效的。文獻(xiàn)[10]在給出三電平逆變器四橋臂容錯(cuò)拓?fù)浼捌淇刂品绞降幕A(chǔ)上，就不同類型故障提出相冗余與矢量冗余相結(jié)合的容錯(cuò)控制策略，最終通過仿真建模對復(fù)合故障容錯(cuò)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所提控制策略的有效性，但是這種解決方案使逆變器拓?fù)溥^于復(fù)雜。文獻(xiàn)[11]在“四橋臂”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，當(dāng)功率器件出現(xiàn)故障時(shí)，把負(fù)載通過開關(guān)控制連接到一個(gè)不對稱橋臂，第四橋臂由2個(gè)功率器件構(gòu)成，采用的器件數(shù)量相對較少且能保障系統(tǒng)運(yùn)行。

文獻(xiàn)[12]采用一種基于拓?fù)淅碚摰哪孀兤魅蒎e(cuò)控制方法，在功率器件旁并聯(lián)額外的功率器件，當(dāng)故障逆變器的額定輸出降低時(shí)，通過改變連接的結(jié)構(gòu)來保持三相平衡輸出，加強(qiáng)逆變器的可靠性。這種方法需要的功率器件較多，成本過高。文獻(xiàn)[13]提出在合適的扇區(qū)補(bǔ)償參考電壓幅值的策略，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該容錯(cuò)控制策略能夠在逆變器故障后保障逆變器繼續(xù)工作。文獻(xiàn)[14]采用“三橋臂”容錯(cuò)方法，故障發(fā)生時(shí)將故障橋臂與直流母線中性點(diǎn)連接。這種解決方案對額外硬件的要求相對較少，并且允許故障后系統(tǒng)的運(yùn)行。文獻(xiàn)[15]調(diào)整空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的正負(fù)小矢量分次運(yùn)行時(shí)間，使平衡點(diǎn)上下兩電容充放電時(shí)間保持一致，仿真驗(yàn)證表明該方法能夠抑制中性點(diǎn)電壓波動。

本文考慮了一個(gè)具有最小硬件擴(kuò)展的解決方案，基于“三橋臂”容錯(cuò)控制策略，分析故障前后空間矢量變化，用能產(chǎn)生相同輸出電壓的其他矢量代替這些故障中不可能產(chǎn)生的空間矢量，解決輸出電流畸變和輸出電壓波動過大的問題，同時(shí)采用零序電壓注入法抑制電容電壓的波動。對不同調(diào)制度條件下的容錯(cuò)控制效果進(jìn)行了對比。通過仿真驗(yàn)證證明了所提容錯(cuò)控制的有效性。

1 NPC型三電平逆變器故障前后空間矢量分析

NPC三電平逆變器由12個(gè)開關(guān)器件(Sx1～Sx4，x=a,b,c)、6個(gè)箝位二極管(VDx1，VDx2)、2個(gè)電容(C1,C2)組成，如圖1所示。

圖1 NPC三電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NPC三電平逆變器每相有3種工作狀態(tài)：P表示Sx1和Sx2信號為1，輸出電位為Udc/2；O表示Sx2和Sx3信號為1，輸出電位為0；N表示Sx3和Sx4信號為1，輸出電位為-Udc/2。輸出電位和開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

表1 逆變器輸出電位和開關(guān)狀態(tài)

三電平逆變器空間矢量分布如圖2所示，NPC逆變器具有27種開關(guān)狀態(tài)組合，對應(yīng)27個(gè)空間電壓矢量。根據(jù)空間電壓矢量的大小分為4類，即零電壓矢量、小電壓矢量、中電壓矢量和大電壓矢量。

圖2 三電平逆變器空間矢量分布

逆變器容錯(cuò)能力的主要目標(biāo)是保證系統(tǒng)在故障狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行。故障狀態(tài)下輸出電壓不正確，輸出電流不對稱，并且在直流鏈路的中性點(diǎn)出現(xiàn)電壓不平衡。如果單個(gè)開關(guān)設(shè)備在Sx1和Sx4之間發(fā)生開路故障，則輸出端子必須連接到直流鏈路的中性點(diǎn)。圖3為基于拓?fù)渲貥?gòu)的電路結(jié)構(gòu)圖，每一相橋臂通過雙向?qū)ňчl管連接到橋臂中性點(diǎn)，這些雙向?qū)ňчl管的作用是當(dāng)發(fā)生開路故障時(shí)，將故障橋臂連接到中性點(diǎn)上，并且故障橋臂的所有開關(guān)信號都被關(guān)閉。在這種情況下，只有2個(gè)可控橋臂，但負(fù)載繼續(xù)由3個(gè)平衡電流供電。以A相發(fā)生故障為例，B、C兩相橋臂可以輸出P、O、N 3種狀態(tài)，而故障相A相相當(dāng)于被強(qiáng)制輸出O狀態(tài)。

圖3 三電平容錯(cuò)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 基于容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略

當(dāng)IGBT發(fā)生故障時(shí)，逆變器的電壓輸出可能會受到嚴(yán)重影響，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以A相橋臂開關(guān)器件Sa2發(fā)生故障為例，逆變器失去了在調(diào)制區(qū)(六邊形)右側(cè)產(chǎn)生電壓矢量的能力，如圖4(a)所示。這意味著故障發(fā)生后三相逆變器的平衡運(yùn)行是不可能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)故障橋臂連接到直流母線的中性點(diǎn)時(shí)，硬件重構(gòu)后可用的9個(gè)電壓矢量在α-β平面的分布如圖4(b)所示。電壓矢量由2個(gè)中矢量(OPN、ONP)、6個(gè)小矢量(OON、ONN、POP、OOP、OPP、OPO)和1個(gè)零矢量(OOO)構(gòu)成。從圖4可以看出，有效矢量末端構(gòu)成一個(gè)菱形，菱形的內(nèi)切圓為最大線性調(diào)制區(qū)。

圖4 故障和容錯(cuò)控制狀態(tài)下的空間電壓矢量分布

以A相故障為例，得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，此時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)為三相八開關(guān)逆變器。

圖5 重構(gòu)后的三相八開關(guān)逆變器

定義開關(guān)函數(shù)Sx(x=b，c)為

(1)

負(fù)載相電壓Ua、Ub、Uc表示為

(2)

將電壓空間矢量Ur用負(fù)載相電壓表示：

(3)

將式(2)代入式(3)，可得拓?fù)渲貥?gòu)后的電壓矢量表達(dá)式為

(4)

若不考慮直流側(cè)兩電容電壓波動的情況，聯(lián)立式(1)和式(4)可得9種基本電壓矢量，如表2所示。

表2 逆變器基本電壓矢量

三相靜止到兩相靜止坐標(biāo)下的變換為

(5)

式中：Uα、Uβ為α-β坐標(biāo)系下的變量；Uan、Ubn、Ucn為三相靜止坐標(biāo)系下的變量。

NPC逆變器單功率器件故障有9種開關(guān)狀態(tài)，受控制的逆變器在故障狀態(tài)下不存在切換狀態(tài)冗余。正常逆變器的開關(guān)矢量呈六邊形，而故障下被控逆變器的開關(guān)矢量在空間上呈菱形。故障狀態(tài)下被控制的NPC逆變器線性調(diào)制區(qū)域?yàn)榱庑蝺?nèi)切圓的半徑，正常的NPC逆變器輸出電壓為Udc/2。被控制的NPC逆變器在功率裝置故障情況下可分為6個(gè)扇區(qū)，如圖6所示。

圖6 扇區(qū)分布

3 直流側(cè)中性點(diǎn)電壓平衡控制

在三電平逆變器理想運(yùn)行的條件下，三相參考相電壓和電流分別表示為

(6)

(7)

式中：Um和Im分別為參考電壓峰值和參考電流峰值；ω為角頻率；φ為功率因數(shù)角。

脈寬調(diào)制(PWM)載波周期Ts內(nèi)流經(jīng)直流側(cè)中性點(diǎn)的電流io表示為

io=ioa+iob+ioc=iadoa+ibdob+icdoc

(8)

式中：doa、dob、doc分別表示a，b，c三相連接至直流側(cè)中性點(diǎn)的占空比。

可表示為

(9)

當(dāng)逆變器發(fā)生斷路故障后，定義中性點(diǎn)電壓偏移量ΔUd=ud1-ud2：

(10)

從式(10)分析可知，中性點(diǎn)電壓偏移量與流經(jīng)直流側(cè)的電流有關(guān)，在理想的運(yùn)行狀態(tài)下io和電容電壓偏移量為零。在非理想的情況下，三電平逆變器發(fā)生故障進(jìn)行容錯(cuò)控制后，導(dǎo)致流經(jīng)直流側(cè)中性點(diǎn)的平均電流不為零，應(yīng)根據(jù)三相電流和電容電壓計(jì)算出中性點(diǎn)電流，然后調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)三電平逆變器在容錯(cuò)控制模式下的平穩(wěn)運(yùn)行。

將式(9)代入式(10)，可以將中性點(diǎn)電流io表示為

(11)

(12)

式中：C為直流側(cè)電容值；mx=2uxm/Udc，0

由式(12)可以看出，零序電壓分量u0由2部分構(gòu)成：(1)由調(diào)制指數(shù)、調(diào)制電壓的方向和電流計(jì)算得到，用以平衡直流側(cè)電容電壓；(2)直流側(cè)電容電壓偏差Δudc產(chǎn)生的反饋控制分量，可以有效地消除電容電壓和低頻電壓引起的偏差。

(13)

(14)

需要注入直流側(cè)的零序電壓u0更改為

(15)

表3為每個(gè)扇區(qū)的切換模式。每個(gè)扇區(qū)有3個(gè)矢量序列，控制的NPC逆變器輸出電壓由參考電壓矢量的相鄰矢量組成。

表3 電壓矢量作用順序

4 仿真分析

利用MATLAB/Simulink對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證容錯(cuò)控制方法的可行性。負(fù)載為三相對稱阻感負(fù)載，P=50 kW，fN=50 Hz，仿真時(shí)間0.2 s，開路模擬故障信號加入時(shí)間0.06 s，容錯(cuò)控制時(shí)間0.06 s。以Sa2出現(xiàn)開路故障狀態(tài)為例，輸出相電壓如圖7所示。故障信號加入之前，相電壓三相平衡，0.06 s之后，A相的相電壓波形嚴(yán)重畸變，正半周幅值幾乎為0，B、C兩相輸出的波形受到的影響相對較小。

圖7 Sa2開路故障狀態(tài)下輸出相電壓

4.1 調(diào)制度大于0.5仿真結(jié)果

圖8 容錯(cuò)控制后輸出相電壓(調(diào)制度為0.86)

4.2 調(diào)制度小于0.5時(shí)仿真結(jié)果

圖9 容錯(cuò)控制后輸出相電壓(調(diào)制度為0.22)

故障信號加入之前，相電壓保持三相平衡，輸出為五電平0、±1/6Udc、±1/3Udc。在t=0.06 s時(shí)，加入故障并進(jìn)行容錯(cuò)控制，觀察容錯(cuò)控制后的波形可以發(fā)現(xiàn)，相電壓輸出仍為五電平，與故障發(fā)生前保持一致。

將三電平逆變器調(diào)制度保持在0.5以下，可以通過提高母線直流電壓或者降低參考電壓的方法，保證容錯(cuò)前后電壓的幅值、正弦度等性能基本不變。功率器件發(fā)生開路故障后，切除故障橋臂，將故障相負(fù)載直接與直流側(cè)電容中性點(diǎn)相連，相對于母線中性點(diǎn)其他相能輸出+Udc、0、-Udc三電平，但故障橋臂只能輸出零電平，如圖10所示。

圖10 拓?fù)渲貥?gòu)后容錯(cuò)相電壓

中性點(diǎn)電壓平衡控制后電容電壓如圖11所示，在0.6 s時(shí)，采用中性點(diǎn)電壓補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)了電容電壓的平衡，降低電壓波紋，有效地抑制了電容電壓的波動。

圖11 中性點(diǎn)電壓平衡控制后電容電壓

5 結(jié) 語

本文提出了一種適用于單功率設(shè)備故障條件下連續(xù)運(yùn)行的NPC三電平逆變器容錯(cuò)控制策略。詳細(xì)分析了其工作原理。采用改進(jìn)的SVPWM控制策略，可以有效地驅(qū)動NPC逆變器。對比研究了不同調(diào)制比下的容錯(cuò)結(jié)果。該方法提供恒定幅值的正弦相電流，同時(shí)抑制了電容電壓的波動。仿真驗(yàn)證表明三相八開關(guān)拓?fù)渲貥?gòu)逆變器具有良好的容錯(cuò)性能。該容錯(cuò)控制方法成本低，控制靈活，具有良好的應(yīng)用前景。