一種考慮中點(diǎn)偏移的三電平逆變器容錯(cuò)控制策略

毛炳奎，成庶，陳特放，向超群

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一種考慮中點(diǎn)偏移的三電平逆變器容錯(cuò)控制策略

毛炳奎1，成庶2，陳特放1，向超群2

(1. 中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075； 2. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

對(duì)一種具有容錯(cuò)能力的NPC三電平逆變器進(jìn)行研究。分析傳統(tǒng)的SVPWM容錯(cuò)控制算法，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)SVPWM容錯(cuò)控制算法會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電位偏移。中點(diǎn)電位偏移會(huì)影響電壓矢量，進(jìn)一步導(dǎo)致線性調(diào)制區(qū)域減小。為了抑制中點(diǎn)電位偏移，提出在合適的扇區(qū)補(bǔ)償參考電壓幅值的策略，并給出補(bǔ)償量的計(jì)算方式。最后通過實(shí)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)工作的同時(shí)有效控制中點(diǎn)電位偏移。

NPC三電平逆變器；容錯(cuò)控制；中點(diǎn)電位補(bǔ)償

NPC三電平逆變器作為應(yīng)用最廣泛的一類三電平逆變器，可靠性一直是眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。發(fā)生故障需先進(jìn)行故障診斷再進(jìn)行容錯(cuò)控制。故障診斷與定位方法主要集中在開路方面，按使用信號(hào)不同可分為電流診斷法[1]與電壓診斷法[2?3]。電流診斷法不需利用額外傳感器但易受負(fù)載影響。電壓診斷法需要增加電壓傳感器。目前的故障診斷定位技術(shù)已經(jīng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)與定位故障。容錯(cuò)控制策略可以分為2類，一類是增加一個(gè)冗余橋臂[4?6]，正常時(shí)冗余橋臂用來平衡中點(diǎn)電位，故障時(shí)用來代替取代故障橋臂。另一類是利用冗余矢量進(jìn)行容錯(cuò)控制[7?11]。這類逆變器不增加冗余橋臂，故障后通過調(diào)整控制算法，利用冗余電壓矢量進(jìn)行控制。增加冗余橋臂會(huì)增加成本，逆變器結(jié)構(gòu)和控制變得更加復(fù)雜，利用冗余矢量進(jìn)行控制只需調(diào)整控制算法。利用冗余矢量進(jìn)行容錯(cuò)控制時(shí)，故障后的中點(diǎn)電位平衡是技術(shù)難題[12]。中點(diǎn)電位不平衡會(huì)影響輸出電壓波形質(zhì)量，降低逆變器輸出能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備停機(jī)[12?13]，這對(duì)一些對(duì)穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合是不允許的，如電網(wǎng)的并網(wǎng)過程。劉勇超等[7]利用SVPWM算法對(duì)逆變器進(jìn)行容錯(cuò)控制，并比較了與載波調(diào)制下的效果，但未涉及中點(diǎn)電位控制。LI 等[8]提出利用固有的冗余電壓矢量對(duì)NPC三電平逆變器在單相短路故障下進(jìn)行容錯(cuò)控制，故障后中點(diǎn)電位通過滑膜控制器來控制，該方法需要用到開關(guān)狀態(tài)信號(hào)和電流信號(hào)來計(jì)算中點(diǎn)電流。WANG 等[9]討論了單相開路和單管開路故障下的容錯(cuò)控制，對(duì)于單相開路往載波中注入零序電壓來抑制中點(diǎn)電位偏移，需要復(fù)雜的坐標(biāo)變化與零序電壓計(jì)算；對(duì)于單管開路，尋找損失小矢量的替代矢量來控制中點(diǎn)電位偏移，需要電流和電壓信號(hào)來選擇替代矢量。CHEN等[10]針對(duì)T型NPC三電平逆變器開路故障進(jìn)行分析，對(duì)于半橋臂開路，通過調(diào)整參考電壓幅值控制中點(diǎn)電位；對(duì)于NP開關(guān)開路，通過調(diào)節(jié)參考電壓的導(dǎo)通時(shí)間來控制。劉勇超[11]將模型預(yù)測(cè)的思想融入到NPC三電平逆變器的容錯(cuò)控制中，建立轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、中點(diǎn)電位平衡、定子磁鏈的預(yù)測(cè)模型，通過尋求最優(yōu)解來得到控制脈沖。但是模型預(yù)測(cè)需要建立精確的預(yù)測(cè)模型，代價(jià)函數(shù)的權(quán)重因子調(diào)節(jié)(P-Q問題)一直也沒有很好的解決方法，控制算法整體復(fù)雜度很高，對(duì)控制器性能要求很高。本文針對(duì)NPC三電平逆變器故障，提出一種考慮中點(diǎn)不平衡的容錯(cuò)控制算法。介紹NPC三電平逆變器及其容錯(cuò)拓?fù)?，推?dǎo)了其數(shù)學(xué)表達(dá)式。分析由于故障帶來的中點(diǎn)電位的影響，得出故障后中點(diǎn)電位偏移原因和這種偏移對(duì)逆變器輸出能力的影響。提出補(bǔ)償中點(diǎn)電位的控制策略。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略能夠在逆變器故障后保障逆變器運(yùn)行的同時(shí)補(bǔ)償中點(diǎn)電位偏移。

1 NPC三電平逆變器作原理

1.1 NPC三電平逆變器工作原理分析

典型的NPC三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，定義開關(guān)函數(shù)

由式(1)中的開關(guān)函數(shù)可知，逆變器共有27種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)27個(gè)電壓矢量。分析圖1中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以得到式(2)，描述了U與電容電壓和開關(guān)函數(shù)的關(guān)系。式(3)為相電壓與的關(guān)系。式(4)為負(fù)載相電壓與電壓矢量的關(guān)系。將式(2)~(3)代入式(4)可以得到開關(guān)函數(shù)與電壓矢量的關(guān)系，如圖2。

=，，(2)

圖2 NPC三電平逆變器電壓空間矢量圖

在圖2的27個(gè)矢量中，可以分為4組，6個(gè)大矢量、6個(gè)中矢量、12個(gè)小矢量以及3個(gè)0矢量。定義電流由逆變器流向負(fù)載為相電流正方向，電流流出電容中點(diǎn)為中點(diǎn)電i正方向?？梢缘玫矫總€(gè)電壓矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流，表1所示。

表1中大矢量和0矢量對(duì)中點(diǎn)電流沒有影響，小矢量是成對(duì)出現(xiàn)的，成對(duì)小矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響相反，中矢量對(duì)中點(diǎn)電流有影響，但是沒有成對(duì)的中矢量。

1.2 容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒故障容錯(cuò)能力，有學(xué)者提出了圖3的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給每相橋臂增加一組熔斷絲，這組熔斷絲在發(fā)生故障時(shí)，可以用來隔離故障相；另外給每一相增加了一條連接到電容中點(diǎn)的可控支路，正常時(shí)該支路不工作，當(dāng)某相發(fā)生故障時(shí)，該支路用來將故障相負(fù)載連接到電容中點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障后的拓?fù)渲貥?gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于增加冗余橋臂而言，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)逆變器故障的容錯(cuò)能力強(qiáng)，單相的開路故障或短路故障，均可以隔離故障相。

圖3的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，3個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)是相同的，只需分析一相即可。以A相為例，當(dāng)A相橋臂發(fā)生故障時(shí)，F1與F2會(huì)斷開，將A相橋臂與直流母線隔離，T會(huì)開通，將A相負(fù)載連接到電容中點(diǎn)。

圖3 具有容錯(cuò)能力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 電壓矢量與中點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 故障后中點(diǎn)電位分析

2.1 故障后中點(diǎn)電位偏移對(duì)電壓矢量的影響

表2 中點(diǎn)電位偏移后電壓矢量

另外，3個(gè)矢量表達(dá)式滿足式(11)，說明這3個(gè)電壓矢量在1條直線上。同理可以發(fā)現(xiàn)，和3組矢量分別在3條直線上。這4條直線組成一個(gè)菱形。

(a) Δu=0；(b) Δu＞0；(c) Δu＜0

2.2 故障后中點(diǎn)電位偏移原因分析

故障后常采用的控制算法SVPWM算法，下面分析這種算法對(duì)電容電壓的影響。該算法的作用原理為式(12)。

為了計(jì)算中點(diǎn)電流，定義電流從逆變器流向負(fù)載為正方向，令

2.3 中點(diǎn)電位偏移對(duì)輸出能力的影響

R為菱形內(nèi)切圓半徑。

(a) Δ=0；(b) Δ＞0；(c) Δ＜0

圖5 中點(diǎn)電位偏移對(duì)逆變器輸出能力影響

Fig. 5 Mid-point potential shift impact on the inverter output capacity

由此可知，無論中點(diǎn)電位偏高還是偏低，均會(huì)降低逆變器的輸出能力，因此需要保證故障后逆變器的輸出能力，必須控制中點(diǎn)電位。

3 提出的控制策略

應(yīng)用型本科食品專業(yè)教師，不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還需要有實(shí)踐能力，通過與企業(yè)合作，教師和企業(yè)技術(shù)人員能夠一同參與科研項(xiàng)目的開發(fā)與研究，促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，提高了教師的業(yè)務(wù)能力和實(shí)踐能力，加快了教師隊(duì)伍的建設(shè)。

圖6 中點(diǎn)電位偏移補(bǔ)償策略

圖7 補(bǔ)償量滯環(huán)控制器

當(dāng)負(fù)載為電機(jī)時(shí)，式(28)中值為將電機(jī)負(fù)載等效為阻感負(fù)載時(shí)的電阻值，很難計(jì)算值?？梢詫?28)變形為(30)，將，和s的求值問題轉(zhuǎn)換為k的調(diào)節(jié)問題。對(duì)于電機(jī)負(fù)載，不同工況，不同的電壓閾值需要引入的補(bǔ)償量也不同，在難以準(zhǔn)確確定補(bǔ)償量的時(shí)候，就可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)k的值，而k的調(diào)節(jié)只要滿足能夠補(bǔ)償中點(diǎn)電壓的情況下，盡可能取較小的值即可。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出的控制策略的正確性，搭建基于dSPACE的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8。直流電源使用600 V可調(diào)電源，控制器為dSPACE，控制周期為5 kHz。逆變器主電路拓?fù)銲GBT為FF100R12RT4，中間由兩個(gè)相同的電容串聯(lián)組成，每個(gè)電容13 600 uF。負(fù)載為4 kW三相異步電機(jī)。將沒有補(bǔ)償中點(diǎn)偏移和本文提出的補(bǔ)償中點(diǎn)偏移的容錯(cuò)方法進(jìn)行對(duì)比，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 410 rpm，轉(zhuǎn)矩為5 N·m，在t1時(shí)刻進(jìn)行容錯(cuò)控制。補(bǔ)償量按式(30)計(jì)算，其中參數(shù)k=5。

圖8 dSPACE實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)

圖9 未補(bǔ)償電容電壓波形

圖10 未補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩波形

圖12~13為本文提出的補(bǔ)償了中點(diǎn)電位偏移的容錯(cuò)控制策略效果。滯環(huán)控制器設(shè)定值上限為5 V，下限為1 V。圖12電容電壓在閾值內(nèi)波動(dòng)，在t1時(shí)進(jìn)行容錯(cuò)控制，電容電壓偏差未達(dá)到閾值上限，補(bǔ)償量沒有作用，電容1兩端電壓升高，電容2兩端電壓下降，中點(diǎn)電位偏低。到t2時(shí)偏移達(dá)到5 V，補(bǔ)償量開始作用，電容電壓逐漸恢復(fù)平衡，到t3時(shí)達(dá)到中點(diǎn)電位偏移只有1 V，到達(dá)閾值下限，停止補(bǔ)償。停止補(bǔ)償后電容電壓又開始偏移，到t4時(shí)再次達(dá)到5 V，補(bǔ)償量又開始作用，電容電壓開始恢復(fù)，到t5時(shí)達(dá)到1 V，補(bǔ)償策略停止作用?？梢钥闯鲅a(bǔ)償策略可以很好地將電容電壓控制在滯環(huán)區(qū)間內(nèi)。圖13為補(bǔ)償策略作用后的轉(zhuǎn)矩圖，在t2~t3和t4~t5之間轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)引入補(bǔ)償量的作用，帶來的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，與第3節(jié)中提到的一致。t2~t3區(qū)間的轉(zhuǎn)矩平均值eave=5.45，最大值Tmax=6.79，最大時(shí)波動(dòng)為35.8%，平均值為9%。最大波動(dòng)出現(xiàn)時(shí)間很短，波動(dòng)平均值很小，屬于可接受范圍。圖14為轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)速一直穩(wěn)定在1 410 rpm。

圖11 未補(bǔ)償轉(zhuǎn)速波形

圖12 補(bǔ)償后電容電壓波形

圖13 補(bǔ)償后轉(zhuǎn)矩波形

圖14 補(bǔ)償后轉(zhuǎn)速波形

5 結(jié)論

1) NPC三電平逆變器傳統(tǒng)容錯(cuò)控制策略沒有考慮中點(diǎn)電位控制，存在中點(diǎn)電位偏移現(xiàn)象。

2) 中點(diǎn)電位偏移造成中間電容分壓不均，降低線性調(diào)制度區(qū)間，限制逆變器的輸出能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大，使得設(shè)備停機(jī)。

3) 分析了中點(diǎn)電位偏移原因，并提出了在合適的區(qū)間補(bǔ)償參考電壓的方式，補(bǔ)償中點(diǎn)電位偏移。并考慮到補(bǔ)償量對(duì)系統(tǒng)控制精度的影響，通過引入滯環(huán)控制器來降低這種影響。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了補(bǔ)償策略能夠在故障后保證一定輸出能力的同時(shí)補(bǔ)償中點(diǎn)電位偏移。

[1] 戴晨曦, 劉志剛, 胡軻珽. 關(guān)于高鐵CRH2型動(dòng)車組逆變器故障診斷研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2016, 33(4): 217?222. DAI Chenxi, LIU Zhigang, HU Keting. Research of fault diagnosis for the high-speed railway CRH2 EMUs Inverters[J]. Computer Simulation, 2016, 33(4): 217?222.

[2] LIN S, LIU Z, HU K. Traction inverter open switch fault diagnosis based on Choi–Williams distribution spectral kurtosis and wavelet-packet energy shannon entropy[J]. Entropy, 2017, 19(9): 504?522.

[3] HU K, LIU Z, LIN S. Wavelet entropy-based traction inverter open switch fault diagnosis in high-speed railways[J]. Entropy, 2016, 18(3): 78.

[4] 陳丹江, 葉銀忠. 三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)涞亩噍d波控制策略[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 49(6): 907?912. CHEN Danjiang, YE Yinzhong. Multi-carrier control strategy for a three-level inverter tolerant topology[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2015, 49(6): 907?912.

[5] 陳丹江, 葉銀忠, 華容. NPC三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)浼捌淇刂蒲芯縖J]. 控制工程, 2014, 21(2): 258?262. CHEN Danjiang, YE Yinzhong, HUA Rong. Fault –tolerant topology and control technique for NPC three-level inverter[J]. Control Engineering of China, 2014, 21(2): 258?262.

[6] Sahraoui K, Gaoui B, Mokrani L, et al. Fault tolerant control of redundant topology of PWM AC-DC-AC converter supplying an electromechanical drive[C]// International Conference on Modelling, Identification and Control. IEEE, 2017.

[7] 劉勇超, 葛興來, 馮曉云. 兩電平與三電平NPC逆變器單橋臂故障重構(gòu)拓?fù)銼VPWM算法比較研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(3): 775?783. LIU Yongchao, GE Xinglai, FENG Xiaoyun. Comparison study of SVPWM algorithms of the post-fault reconfigured topologies for two-level and three-level NPC inverters with failure of a leg[J]. Proceeding of the CSEE, 2016, 36(3): 775?783.

[8] LI S, XU L. Strategies of fault tolerant operation for three-level PWM inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(4): 933?940.

[9] WANG Z, WANG Y, CHEN J, et al. Fault tolerant control of NPC three-level inverters fed double-stator-winding PMSM drives based on vector space decomposition[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 99: 1.

[10] CHEN J, CHEN A, XING X, et al. Fault-tolerant control strategy for T-type three-level inverter with neutral-point voltage balancing[C]// Applied Power Electronics Conference and Exposition. IEEE, 2017: 3420?3425.

[11] 劉勇超. 八開關(guān)三相逆變器脈寬調(diào)制和預(yù)測(cè)控制算法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2016. LIU Yongchao. Investigation of pulse-width modulation and predictive control algorithms for eight-switch three- phase inverters[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2016.

[12] Mirafzal B. Survey of fault-tolerance techniques for three-phase voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5192?5202.

[13] Ceballos S, Pou J, Robles E, et al. Performance evaluation of fault-tolerant neutral-point-clamped converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(8): 2709?2718.

A fault tolerant control strategy considering mid-point offset for three-lever inverter

MAO Bingkui1, CHENG Shu2, CHEN Tefang1, XIANG Chaoqun2

(1. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

A kind of neutral-point-clamped (NPC) three-level inverter which has fault tolerant capability is studied in this paper.It can be seen the neutral-point potential is offset under the traditional SVPWM strategy. Voltage vectors is influenced by the offset. And it will reduce the linear modulaion area. In order to surpress the neutral point potential offset, it proposes a strategy that compemsate the amplitude of the reference voltage according to the region. Besides, this paper gives way to calculate the compensation. Last ,experiment results show the proposed strategy can both ensure the inverter continue to be operated and effectively control the neutral-point potential offset.

NPC three-level inverter; fault tolerant control; neutral point potential compensation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.030

TM464

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0509 ? 09

2018?03?01

國家重點(diǎn)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016YFB1200401)

成庶(1981?)，男，湖南長沙人，副教授，從事電力牽引及傳動(dòng)控制研究；E?mail：chengshu@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)