基于PEM中性點移位載波調制可重構控制仿真研究

張松濤，呂 飛，吉 哲

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基于PEM中性點移位載波調制可重構控制仿真研究

張松濤，呂 飛，吉 哲

（海軍士官學校，安徽蚌埠 233012）

電力電子變換裝置的重要發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，是實現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劣的重要性能指標。該文以電力電子模塊多電平變換裝置的可重構控制途徑為基礎，分析出了中性點移位加故障模塊旁路重構法，計算出了多種故障狀態下的中性點移位參數，提出了兩種中性點移位載波調制（CPSPWM、SFO-CPSPWM）電力電子模塊可重構控制策略，并進行了兩種控制策略的對比仿真。仿真結果驗證了兩種載波調制可重構控制策略的有效性及正確性。

電力電子模塊 可重構控制 中性點移位 載波相移脈寬調制 開關頻率優化脈寬調制

0 前言

可靠性是衡量多電平變換裝置性能優劣的重要指標，將故障單元旁路是級聯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，多電平變換裝置是由多個基本單元形成的，因此可以將多電平變換裝置的拓撲結構和控制策略的研究，統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標準化、通用化電力電子模塊按某種方式組合而成。級聯型多電平變換裝置能充分體現電力電子模塊化設計，日益受到廣泛關注[3-5]。

本文從電力電子模塊出發，以電力電子模塊多電平變換裝置的可重構控制途徑為基礎，分析出了中性點移位加故障模塊旁路重構法，計算出了多種故障狀態下的中性點移位參數，提出了兩種中性點移位載波調制的電力電子模塊可重構控制策略，并以三相級聯11電平變換裝置可重構控制為例，進行了兩種載波調制策略的對比仿真。仿真結果驗證了控制策略的有效性及兩種載波調制分析的正確性。

1 基于電力電子模塊（PEM）可重構途徑

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的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的集成。

電力電子模塊包括功率半導體器件、電平轉換、門極驅動電路、保護電路、傳感器、電源及無源器件等。電力電子模塊有兩個接口，分別是能量接口和通訊接口。通過接口，多個電力電子模塊構成電力電子系統。電力電子模塊最重要的特點是其元件和組裝技術標準化。由于電力電子模塊具有通用性、標準化和模塊化的特點，使其構成的電力電子變化裝置具有了可重構性。

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 中性點移位加故障模塊旁路重構法

模塊化變換裝置發生故障時，通過觸發旁路開關，將裝置中的故障模塊切除，同時采用適當控制策略控制正常的剩余模塊，確保裝置實現基本功能。

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，當接觸器線圈得電，其觸點動作。正常時，接觸器線圈不得電，其常閉觸點閉合。模塊發生故障時，相應模塊接觸器線圈得電，其常閉觸點斷開，常開觸點閉合，將該模塊旁路出電力電子系統，且不影響其它模塊的運行。系統的可靠性通過故障模塊旁路法能大大提高。

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

中性點移位利用變換器的星形點不連接到電機中性點，而且是浮動的，其可以偏離電機中性點。在變換器三相輸出相電壓不平衡的情況下，通過調整變換器三相輸出電壓的相位角，可以獲得三相對稱的線電壓。

圖2 中性點移位矢量圖

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

設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量模塊故障情況下，獲得最大對稱線電壓輸出時的變換器中性點移位的參數。

表1列出了單相模塊數為5，三相故障模塊總數不超過3情況下，所有故障的中性點移位參數。

2 基于PEM級聯多電平可重構控制策略

2.1 中性點移位載波相移脈寬調制

2.2 中性點移位載波相移-開關優化脈寬調制

CPSPWM具有輸出諧波小的優點，SFOPWM具有直流電壓利用率高和線性調制范圍寬的優點[11]。因此，對于級聯多電平變換裝置，可以綜合兩種方法，即中性點移位載波相移-開關優化脈寬調制(SFO-CPSPWM)，從而兼具兩者優點。

圖3 中性點移位載波調制（CPSPWM或SFO-CPSPWM）框圖

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

3 仿真分析驗證

仿真對象：模塊化三相級聯11電平變換裝置。

仿真參數：單相模塊數為5,頻率調制比f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，載波調制信號及變換器輸出線、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 模塊故障中性點移位載波調制信號及輸出線、相電壓波形

圖5為變換裝置電力電子模塊故障時，載波調制信號及變換器輸出線、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中性點移位載波相移脈寬調制（CPSPWM）和中性點移位載波相移-開關優化脈寬調制（SFO-CPSPWM）方法均能實現模塊化級聯多電平變換裝置的正?？刂?；②圖4（b）所示，當a大于1時，其輸出電壓出現飽和現象，可見，CPSPWM方法的線性幅度調制比最大為1；③圖4（c）所示，a為1.2時，輸出電壓沒有出現飽和，SFO-CPSPWM方法的最大線性幅度調制大于1。

圖5分析可得：①中性點移位載波相移脈寬調制（CPSPWM）和中性點移位載波相移-開關優化脈寬調制（SFO-CPSPWM）方法均能進行故障控制，在故障模塊旁路后實現對稱的線電壓輸出；②變換器相與相之間的故障模塊個數相差越小，輸出對稱線電壓質量越好（圖5（a）、圖5（b））；③中性點移位CPSPWM方法，當幅度調制比a大于對應故障的V值（表1）時，會出現飽和現象，進入過調制區；④中性點移位SFO-CPSPWM方法，即使幅度調制比a大于中對應故障的V值時，也沒有進入過調制區。

4 結論

本文以電力電子模塊多電平變換裝置的可重構控制途徑為基礎，分析出了中性點移位加故障模塊旁路重構法，計算出多種故障狀態下的中性點移位參數，提出中性點移位載波相移脈寬調制（CPSPWM）與中性點移位載波相移-開關頻率優化脈寬調制（SFO-CPSPWM）兩種基于電力電子模塊可重構控制策略，以三相級聯11電平變換裝置可重構控制為例，進行了兩種載波調制策略的對比仿真。仿真結果驗證了中性點移位載波組調制控制策略的有效性及兩種載波調制理論分析的正確性?；陔娏﹄娮幽K可重構變換裝置系統方案設計及實現將作為下一步研究內容。

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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。