基于冗余改進(jìn)通用型多電平可重構(gòu)仿真研究

呂飛 余鳳豪 張松濤 秦福星

（海軍蚌埠士官學(xué)校機(jī)電系，安徽蚌埠 233012）

0 引言

電力電子裝置輸出電能的容量越來越大、質(zhì)量越來越好、可靠性越來越高[1]。大容量是電力電子技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，而多電平變換技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高電壓大容量的關(guān)鍵[2]。隨著電平數(shù)的增多，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性增加，使變換裝置系統(tǒng)的可靠性降低[3]。

可重構(gòu)技術(shù)廣泛應(yīng)用于微處理器、航空航天以及企業(yè)制造等領(lǐng)域[4]?；诙嚯娖诫娏﹄娮幼儞Q裝置對(duì)可靠性的要求，把可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于電力電子變換裝置可靠性的提高。

1 改進(jìn)通用型多電平冗余重構(gòu)

通用型多電平變換器自身存在冗余資源，當(dāng)變換器的一部分發(fā)生故障時(shí)，可以利用冗余資源改變控制方式重構(gòu)余下部分實(shí)現(xiàn)發(fā)生故障電路的功能，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性。然而，通用型多電平變換器冗余重構(gòu)存在局限性。

文獻(xiàn)[5]提出了改進(jìn)通用型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1所示拓?fù)渑c圖1所示拓?fù)湎啾龋倪M(jìn)通用型增加了一對(duì)輔助開關(guān)對(duì)（Sa1，Da1）（Sa2，Da2）。同時(shí)，只保留了靠近直流的飛跨電容。

1.1 單個(gè)器件故障時(shí)冗余重構(gòu)

1.1.1 主開關(guān)故障

主開關(guān)斷路：以圖1為例，當(dāng)主開關(guān)器件有一個(gè)因故障斷路時(shí)，①輸出電平-E、0、E與余下開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。如表1可以通過選擇另一種開關(guān)組合狀態(tài)，使發(fā)生斷路的器件處于關(guān)斷狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)期望的輸出。②輸出電平 2E與余下開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系，由發(fā)生斷路的主開關(guān)決定，若Sp1發(fā)生斷路，則由Dn1和 Sc1、Sc2來代替Sp1，同時(shí)Sa1斷開；若Sp2發(fā)生斷路，則由Dc1和Sc3、Sc4來代替Sp2實(shí)現(xiàn)2E，同時(shí)Sa1斷開。③輸出電平-2E與余下開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系，也由發(fā)生斷路的主開關(guān)決定,若 Sn1發(fā)生斷路，則由Dp1和Sc1、Sc2來代替Sn1，同時(shí)Sa2斷開；若 Sn2發(fā)生斷路，則由 Dc2和 Sc5、Sc6來代替Sn2，同時(shí)Sa2斷開。

主開關(guān)短路：以圖1為例，當(dāng)主開關(guān)器件有一個(gè)因故障短路時(shí)，①輸出電平-E、0、E與余下開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所列。如表2可以通過選擇另一種開關(guān)組合狀態(tài)，使發(fā)生短路的器件處于導(dǎo)通狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)期望的輸出。②輸出電平-2E與余下開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系，由發(fā)生短路的主開關(guān)決定，若Sp1發(fā)生短路，則關(guān)斷Sn1，由Dp1和Sc1、Sc2來代替Sn1，同時(shí)Sa2斷開；若Sp2發(fā)生短路，則關(guān)斷Sn2，由Dc2和Sc5、Sc6來代替Sn2實(shí)現(xiàn)-2E，同時(shí)Sa2斷開。③輸出電平2E與余下開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系，也由發(fā)生短路的主開關(guān)決定，若Sn1發(fā)生短路，則關(guān)斷Sp1，由Dn1和Sc1、Sc2來代替Sp1，同時(shí)Sa1斷開；若Sn2發(fā)生短路，則關(guān)斷Sp2，由Dc1和Sc3、Sc4來代替Sp2，同時(shí)Sa1斷開。

圖1 單相5電平改進(jìn)通用型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 主開關(guān)斷路時(shí)輸出電壓Vo與開關(guān)組合狀態(tài)的關(guān)系（“#”表示斷路，“1”表示導(dǎo)通，“0”表示關(guān)斷）

表2 主開關(guān)短路時(shí)輸出電壓Vo與開關(guān)組合狀態(tài)的關(guān)系（“*”表示短路，“1”表示導(dǎo)通，“0”表示關(guān)斷）

1.1.2 箝位開關(guān)故障

箝位開關(guān)斷路：當(dāng)箝位開關(guān)斷路時(shí)，可以通過開關(guān)狀態(tài)組合的冗余性來實(shí)現(xiàn)電路的冗余功能。當(dāng)某一個(gè)箝位開關(guān)斷路時(shí)，改變開關(guān)狀態(tài)組合使該開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。

箝位開關(guān)短路：當(dāng)箝位開關(guān)短路時(shí)，也可以通過開關(guān)狀態(tài)組合的冗余性來實(shí)現(xiàn)電路的冗余功能。當(dāng)某一個(gè)箝位開關(guān)短路時(shí)，通過改變開關(guān)狀態(tài)組合使該開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

1.1.3 輔助開關(guān)故障

輔助開關(guān)斷路：當(dāng) Sal或 Sa2斷路時(shí)，-2E和 2E仍然可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于中間的輸出電平，如果電流路徑必需包括Sc3或Sc4，當(dāng)Sal斷路時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)就會(huì)無效；如果電流路徑必需包括Sc5或Sc6，當(dāng)Sa2斷路時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)就會(huì)無效。Sal或 Sa2斷路時(shí)，開關(guān)狀態(tài)的有效性如表3中所示。符號(hào)Y表示開關(guān)狀態(tài)是有效的，符號(hào)N表示開關(guān)狀態(tài)是無效的。從表3中可以看出，Sal或 Sa2發(fā)生斷路時(shí)，每個(gè)輸出電平都存在有效的開關(guān)狀態(tài)。

輔助開關(guān)短路：由于裝置正常運(yùn)行時(shí)輔助開關(guān)Sa1、Sa2一直導(dǎo)通，所以輔助開關(guān)短路不影響裝置性能。

表3 輔助開關(guān)斷路時(shí)輸出電壓Vo與開關(guān)組合狀態(tài)的關(guān)系

1.2 多個(gè)器件故障時(shí)冗余重構(gòu)

對(duì)于多個(gè)的器件同時(shí)發(fā)生故障，電路的工作情況取決于不同的故障模式。開關(guān)Sp4，Sc7-Sc12和Sn4需要用于電容的電壓平衡，所以它們的故障會(huì)導(dǎo)致電容電壓的不平衡而使電路無效。當(dāng)Sp3和Sn3發(fā)生故障時(shí)，-2E和2E難以實(shí)現(xiàn)，拓?fù)湓谶@種情況下就沒有重構(gòu)能力。

對(duì)于同一柱上，并且同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷的多個(gè)器件，如（Sp2，Sc2），（Sc1，Sn2），（Sc3，Sc5）。如果它們同時(shí)發(fā)生斷路（或短路），我們可以通過選擇使它們關(guān)斷（或?qū)ǎ┑臓顟B(tài)來實(shí)現(xiàn)期望的輸出電壓。

對(duì)于同一柱上相鄰的兩個(gè)開關(guān)發(fā)生短路故障，如（Sp1，Sn1），（Sp2，Sc1），（Sc1，Sc2），那么電路將沒有重構(gòu)能力。

綜上分析可得，當(dāng)開關(guān)管斷路時(shí)，重構(gòu)余下開關(guān)狀態(tài)，使故障器件處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)短路時(shí)，重構(gòu)余下開關(guān)狀態(tài)，使故障器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；輔助開關(guān)只有在主開關(guān)或箝位開關(guān)故障且輸出最高與最低電平時(shí)關(guān)斷，其他情況一直導(dǎo)通。

2 仿真驗(yàn)證

對(duì)于圖1所示的單相五電平變換電路，采用基于載波的消諧波 PWM（SHPWM）調(diào)制方法進(jìn)行仿真研究。仿真參數(shù)：幅度調(diào)制比Ma為0.9，頻率調(diào)制比Mf為10。

電路在正常工作情況下，Sp1-Sp4的門極信號(hào)及輸出電壓Vo的仿真波形如圖2所示。

當(dāng)Sp1斷路時(shí)，輸出2E電平，Snl要一直保持導(dǎo)通，Sc2的觸發(fā)信號(hào)為Scl與Sp1觸發(fā)信號(hào)相或。由于在輸出2E時(shí)，Sp2和Scl同時(shí)導(dǎo)通，為了防止Cl、C4直接并在導(dǎo)通的開關(guān)器件兩端，此時(shí)需要使 Sal處于關(guān)斷狀態(tài)，而在其它情況下一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以 Sal的觸發(fā)信號(hào)由 Spl觸發(fā)信號(hào)取反得到。其它器件的觸發(fā)信號(hào)保持不變。在這種情況下，Sp2-Sp4、Sn1、Sc2、Sa1的觸發(fā)信號(hào)以及輸出電壓Vo的仿真波形如圖3所示。

圖2 正常時(shí)Sp1-Sp4觸發(fā)信號(hào)與輸出電壓波形

當(dāng)Sc1斷路時(shí)，Sp1和Sp2的觸發(fā)信號(hào)互換，由Sn1、Sp2、Sn3、Sn4的組合狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)-E的輸出而使Sc1處于關(guān)斷狀態(tài)。其他觸發(fā)信號(hào)不變。Sp1-Sp4的門極信號(hào)以及輸出電壓Vo的仿真波形如圖4所示。

仿真結(jié)果及以上分析表明，當(dāng)主開關(guān)Sp1和箝位開關(guān)Sc1斷路時(shí)，通過改變控制方式，用其它器件代替故障器件來實(shí)現(xiàn)期望輸出的各個(gè)電平，可得到與正常情況相同的輸出。用相同的方法，可以仿真分析其它開關(guān)器件故障下的情況。

圖3 Sp1斷路時(shí)相關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)與輸出電壓波形

3 結(jié)論

可重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)冗余是關(guān)鍵，特別是故障可重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，因此裝置的冗余設(shè)計(jì)是裝置重構(gòu)的首要問題。本文以通用型及改進(jìn)通用型多電平變換裝置為對(duì)象，采用改變控制方式，重構(gòu)冗余的開關(guān)狀態(tài)，代替故障器件，實(shí)現(xiàn)期望的輸出，并仿真驗(yàn)證。

圖4 Sc1斷路時(shí)相關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)與輸出電壓波形

[1] 周觀允. 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[C]. 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第七次全國(guó)會(huì)議論文集.西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2000: 53-56.

[2] Rodriguez J, Lai J S. Multilevel inverters:a survey of topologies,coutrols,and applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49（4）:724-738.

[3] 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.

[4] 王珍熙. 可靠性-冗余及容錯(cuò)技術(shù)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1991: 5-15.

[5] 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.