三相八開關逆變器的容錯控制策略*

吳 寧， 時維國

(大連交通大學 電氣信息工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引 言

中性點箝位型(NPC)三電平逆變器由于輸出諧波含量低、電壓利用率高、開關損耗小等優點，已經成功應用于鐵路電氣化、高壓特高壓直流輸電、新能源發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施加的電壓應力較小，適用于高功率場景。在關鍵應用中使用逆變器意味著內部功率器件故障會導致性能下降甚至工作過程中斷，造成嚴重的經濟損失或安全事故[4]。因此，三電平逆變器的容錯控制對提高系統的可靠性具有重大意義。

通過設計具有容錯能力的電力電子系統，可以將逆變器內部故障的后果降至最低，允許逆變器繼續保持運行，直到故障被修復。可以顯著減少故障的影響，大大提高系統的可靠性，避免巨大的經濟損失。

多電平變換器拓撲主要可分為“三橋臂”和“四橋臂”2種方法[5-8]。文獻[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[10]在給出三電平逆變器四橋臂容錯拓撲及其控制方式的基礎上，就不同類型故障提出相冗余與矢量冗余相結合的容錯控制策略，最終通過仿真建模對復合故障容錯控制策略進行驗證，結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撲過于復雜。文獻[11]在“四橋臂”拓撲結構的基礎上進行研究，當功率器件出現故障時，把負載通過開關控制連接到一個不對稱橋臂，第四橋臂由2個功率器件構成，采用的器件數量相對較少且能保障系統運行。

文獻[12]采用一種基于拓撲理論的逆變器容錯控制方法，在功率器件旁并聯額外的功率器件，當故障逆變器的額定輸出降低時，通過改變連接的結構來保持三相平衡輸出，加強逆變器的可靠性。這種方法需要的功率器件較多，成本過高。文獻[13]提出在合適的扇區補償參考電壓幅值的策略，并通過試驗驗證該容錯控制策略能夠在逆變器故障后保障逆變器繼續工作。文獻[14]采用“三橋臂”容錯方法，故障發生時將故障橋臂與直流母線中性點連接。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的運行。文獻[15]調整空間矢量脈寬調制(SVPWM)的正負小矢量分次運行時間，使平衡點上下兩電容充放電時間保持一致，仿真驗證表明該方法能夠抑制中性點電壓波動。

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

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個開關器件(Sx1～Sx4，x=a,b,c)、6個箝位二極管(VDx1，VDx2)、2個電容(C1,C2)組成，如圖1所示。

圖1 NPC三電平逆變器的電路拓撲結構

NPC三電平逆變器每相有3種工作狀態：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。輸出電位和開關狀態如表1所示。

表1 逆變器輸出電位和開關狀態

三電平逆變器空間矢量分布如圖2所示，NPC逆變器具有27種開關狀態組合，對應27個空間電壓矢量。根據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

逆變器容錯能力的主要目標是保證系統在故障狀態下持續運行。故障狀態下輸出電壓不正確，輸出電流不對稱，并且在直流鏈路的中性點出現電壓不平衡。如果單個開關設備在Sx1和Sx4之間發生開路故障，則輸出端子必須連接到直流鏈路的中性點。圖3為基于拓撲重構的電路結構圖，每一相橋臂通過雙向導通晶閘管連接到橋臂中性點，這些雙向導通晶閘管的作用是當發生開路故障時，將故障橋臂連接到中性點上，并且故障橋臂的所有開關信號都被關閉。在這種情況下，只有2個可控橋臂，但負載繼續由3個平衡電流供電。以A相發生故障為例，B、C兩相橋臂可以輸出P、O、N 3種狀態，而故障相A相相當于被強制輸出O狀態。

圖3 三電平容錯逆變器拓撲結構

2 基于容錯拓撲結構的控制策略

當IGBT發生故障時，逆變器的電壓輸出可能會受到嚴重影響，降低系統的穩定性。以A相橋臂開關器件Sa2發生故障為例，逆變器失去了在調制區(六邊形)右側產生電壓矢量的能力，如圖4(a)所示。這意味著故障發生后三相逆變器的平衡運行是不可能實現的。當故障橋臂連接到直流母線的中性點時，硬件重構后可用的9個電壓矢量在α-β平面的分布如圖4(b)所示。電壓矢量由2個中矢量(OPN、ONP)、6個小矢量(OON、ONN、POP、OOP、OPP、OPO)和1個零矢量(OOO)構成。從圖4可以看出，有效矢量末端構成一個菱形，菱形的內切圓為最大線性調制區。

圖4 故障和容錯控制狀態下的空間電壓矢量分布

以A相故障為例，得到的拓撲結構如圖5所示，此時拓撲結構重構為三相八開關逆變器。

圖5 重構后的三相八開關逆變器

定義開關函數Sx(x=b，c)為

(1)

負載相電壓Ua、Ub、Uc表示為

(2)

將電壓空間矢量Ur用負載相電壓表示：

(3)

將式(2)代入式(3)，可得拓撲重構后的電壓矢量表達式為

(4)

若不考慮直流側兩電容電壓波動的情況，聯立式(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下的變換為

(5)

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

NPC逆變器單功率器件故障有9種開關狀態，受控制的逆變器在故障狀態下不存在切換狀態冗余。正常逆變器的開關矢量呈六邊形，而故障下被控逆變器的開關矢量在空間上呈菱形。故障狀態下被控制的NPC逆變器線性調制區域為菱形內切圓的半徑，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個扇區，如圖6所示。

圖6 扇區分布

3 直流側中性點電壓平衡控制

在三電平逆變器理想運行的條件下，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為功率因數角。

脈寬調制(PWM)載波周期Ts內流經直流側中性點的電流io表示為

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

(8)

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

可表示為

(9)

當逆變器發生斷路故障后，定義中性點電壓偏移量ΔUd=ud1-ud2：

(10)

從式(10)分析可知，中性點電壓偏移量與流經直流側的電流有關，在理想的運行狀態下io和電容電壓偏移量為零。在非理想的情況下，三電平逆變器發生故障進行容錯控制后，導致流經直流側中性點的平均電流不為零，應根據三相電流和電容電壓計算出中性點電流，然后調整開關狀態，實現三電平逆變器在容錯控制模式下的平穩運行。

將式(9)代入式(10)，可以將中性點電流io表示為

(11)

(12)

式中：C為直流側電容值；mx=2uxm/Udc，0

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

(13)

(14)

需要注入直流側的零序電壓u0更改為

(15)

表3為每個扇區的切換模式。每個扇區有3個矢量序列，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對整個系統進行仿真，驗證容錯控制方法的可行性。負載為三相對稱阻感負載，P=50 kW，fN=50 Hz，仿真時間0.2 s，開路模擬故障信號加入時間0.06 s，容錯控制時間0.06 s。以Sa2出現開路故障狀態為例，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開路故障狀態下輸出相電壓

4.1 調制度大于0.5仿真結果

圖8 容錯控制后輸出相電壓(調制度為0.86)

4.2 調制度小于0.5時仿真結果

圖9 容錯控制后輸出相電壓(調制度為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，加入故障并進行容錯控制，觀察容錯控制后的波形可以發現，相電壓輸出仍為五電平，與故障發生前保持一致。

將三電平逆變器調制度保持在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，保證容錯前后電壓的幅值、正弦度等性能基本不變。功率器件發生開路故障后，切除故障橋臂，將故障相負載直接與直流側電容中性點相連，相對于母線中性點其他相能輸出+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 拓撲重構后容錯相電壓

中性點電壓平衡控制后電容電壓如圖11所示，在0.6 s時，采用中性點電壓補償的方法，實現了電容電壓的平衡，降低電壓波紋，有效地抑制了電容電壓的波動。

圖11 中性點電壓平衡控制后電容電壓

5 結 語

本文提出了一種適用于單功率設備故障條件下連續運行的NPC三電平逆變器容錯控制策略。詳細分析了其工作原理。采用改進的SVPWM控制策略，可以有效地驅動NPC逆變器。對比研究了不同調制比下的容錯結果。該方法提供恒定幅值的正弦相電流，同時抑制了電容電壓的波動。仿真驗證表明三相八開關拓撲重構逆變器具有良好的容錯性能。該容錯控制方法成本低，控制靈活，具有良好的應用前景。