基于冗余改進通用型多電平可重構仿真研究

呂飛 余鳳豪 張松濤 秦福星

（海軍蚌埠士官學校機電系，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、質量越來越好、可靠性越來越高[1]。大容量是電力電子技術未來的主要發展方向，而多電平變換技術成為實現高電壓大容量的關鍵[2]。隨著電平數的增多，電路拓撲結構和控制的復雜性增加，使變換裝置系統的可靠性降低[3]。

可重構技術廣泛應用于微處理器、航空航天以及企業制造等領域[4]。基于多電平電力電子變換裝置對可靠性的要求，把可重構技術應用于電力電子變換裝置可靠性的提高。

1 改進通用型多電平冗余重構

通用型多電平變換器自身存在冗余資源，當變換器的一部分發生故障時，可以利用冗余資源改變控制方式重構余下部分實現發生故障電路的功能，保證系統正常運行，提高系統可靠性。然而，通用型多電平變換器冗余重構存在局限性。

文獻[5]提出了改進通用型多電平拓撲結構。如圖1所示。

圖1所示拓撲與圖1所示拓撲相比，改進通用型增加了一對輔助開關對（Sa1，Da1）（Sa2，Da2）。同時，只保留了靠近直流的飛跨電容。

1.1 單個器件故障時冗余重構

1.1.1 主開關故障

主開關斷路：以圖1為例，當主開關器件有一個因故障斷路時，①輸出電平-E、0、E與余下開關狀態對應關系如表1所列。如表1可以通過選擇另一種開關組合狀態，使發生斷路的器件處于關斷狀態來實現期望的輸出。②輸出電平 2E與余下開關狀態對應關系，由發生斷路的主開關決定，若Sp1發生斷路，則由Dn1和 Sc1、Sc2來代替Sp1，同時Sa1斷開；若Sp2發生斷路，則由Dc1和Sc3、Sc4來代替Sp2實現2E，同時Sa1斷開。③輸出電平-2E與余下開關狀態對應關系，也由發生斷路的主開關決定,若 Sn1發生斷路，則由Dp1和Sc1、Sc2來代替Sn1，同時Sa2斷開；若 Sn2發生斷路，則由 Dc2和 Sc5、Sc6來代替Sn2，同時Sa2斷開。

主開關短路：以圖1為例，當主開關器件有一個因故障短路時，①輸出電平-E、0、E與余下開關狀態對應關系如表2所列。如表2可以通過選擇另一種開關組合狀態，使發生短路的器件處于導通狀態來實現期望的輸出。②輸出電平-2E與余下開關狀態對應關系，由發生短路的主開關決定，若Sp1發生短路，則關斷Sn1，由Dp1和Sc1、Sc2來代替Sn1，同時Sa2斷開；若Sp2發生短路，則關斷Sn2，由Dc2和Sc5、Sc6來代替Sn2實現-2E，同時Sa2斷開。③輸出電平2E與余下開關狀態對應關系，也由發生短路的主開關決定，若Sn1發生短路，則關斷Sp1，由Dn1和Sc1、Sc2來代替Sp1，同時Sa1斷開；若Sn2發生短路，則關斷Sp2，由Dc1和Sc3、Sc4來代替Sp2，同時Sa1斷開。

圖1 單相5電平改進通用型拓撲結構

表1 主開關斷路時輸出電壓Vo與開關組合狀態的關系（“#”表示斷路，“1”表示導通，“0”表示關斷）

表2 主開關短路時輸出電壓Vo與開關組合狀態的關系（“*”表示短路，“1”表示導通，“0”表示關斷）

1.1.2 箝位開關故障

箝位開關斷路：當箝位開關斷路時，可以通過開關狀態組合的冗余性來實現電路的冗余功能。當某一個箝位開關斷路時，改變開關狀態組合使該開關處于關斷狀態。

箝位開關短路：當箝位開關短路時，也可以通過開關狀態組合的冗余性來實現電路的冗余功能。當某一個箝位開關短路時，通過改變開關狀態組合使該開關處于導通狀態。

1.1.3 輔助開關故障

輔助開關斷路：當 Sal或 Sa2斷路時，-2E和 2E仍然可以實現。對于中間的輸出電平，如果電流路徑必需包括Sc3或Sc4，當Sal斷路時，相應的開關狀態就會無效；如果電流路徑必需包括Sc5或Sc6，當Sa2斷路時，相應的開關狀態就會無效。Sal或 Sa2斷路時，開關狀態的有效性如表3中所示。符號Y表示開關狀態是有效的，符號N表示開關狀態是無效的。從表3中可以看出，Sal或 Sa2發生斷路時，每個輸出電平都存在有效的開關狀態。

輔助開關短路：由于裝置正常運行時輔助開關Sa1、Sa2一直導通，所以輔助開關短路不影響裝置性能。

表3 輔助開關斷路時輸出電壓Vo與開關組合狀態的關系

1.2 多個器件故障時冗余重構

對于多個的器件同時發生故障，電路的工作情況取決于不同的故障模式。開關Sp4，Sc7-Sc12和Sn4需要用于電容的電壓平衡，所以它們的故障會導致電容電壓的不平衡而使電路無效。當Sp3和Sn3發生故障時，-2E和2E難以實現，拓撲在這種情況下就沒有重構能力。

對于同一柱上，并且同時導通和關斷的多個器件，如（Sp2，Sc2），（Sc1，Sn2），（Sc3，Sc5）。如果它們同時發生斷路（或短路），我們可以通過選擇使它們關斷（或導通）的狀態來實現期望的輸出電壓。

對于同一柱上相鄰的兩個開關發生短路故障，如（Sp1，Sn1），（Sp2，Sc1），（Sc1，Sc2），那么電路將沒有重構能力。

綜上分析可得，當開關管斷路時，重構余下開關狀態，使故障器件處于關斷狀態；當開關短路時，重構余下開關狀態，使故障器件處于導通狀態；輔助開關只有在主開關或箝位開關故障且輸出最高與最低電平時關斷，其他情況一直導通。

2 仿真驗證

對于圖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）調制方法進行仿真研究。仿真參數：幅度調制比Ma為0.9，頻率調制比Mf為10。

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

當Sp1斷路時，輸出2E電平，Snl要一直保持導通，Sc2的觸發信號為Scl與Sp1觸發信號相或。由于在輸出2E時，Sp2和Scl同時導通，為了防止Cl、C4直接并在導通的開關器件兩端，此時需要使 Sal處于關斷狀態，而在其它情況下一直處于導通狀態，所以 Sal的觸發信號由 Spl觸發信號取反得到。其它器件的觸發信號保持不變。在這種情況下，Sp2-Sp4、Sn1、Sc2、Sa1的觸發信號以及輸出電壓Vo的仿真波形如圖3所示。

圖2 正常時Sp1-Sp4觸發信號與輸出電壓波形

當Sc1斷路時，Sp1和Sp2的觸發信號互換，由Sn1、Sp2、Sn3、Sn4的組合狀態來實現-E的輸出而使Sc1處于關斷狀態。其他觸發信號不變。Sp1-Sp4的門極信號以及輸出電壓Vo的仿真波形如圖4所示。

仿真結果及以上分析表明，當主開關Sp1和箝位開關Sc1斷路時，通過改變控制方式，用其它器件代替故障器件來實現期望輸出的各個電平，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器件故障下的情況。

圖3 Sp1斷路時相關器件的觸發信號與輸出電壓波形

3 結論

可重構的實現冗余是關鍵，特別是故障可重構的實現，因此裝置的冗余設計是裝置重構的首要問題。本文以通用型及改進通用型多電平變換裝置為對象，采用改變控制方式，重構冗余的開關狀態，代替故障器件，實現期望的輸出，并仿真驗證。

圖4 Sc1斷路時相關器件的觸發信號與輸出電壓波形

[1] 周觀允. 電力電子技術在電力系統的應用[C]. 中國電工技術學會電力電子學會第七次全國會議論文集.西安: 西安交通大學出版社, 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技術研究[D]. 杭州:浙江大學, 2002.

[4] 王珍熙. 可靠性-冗余及容錯技術[M]. 北京: 航空工業出版社, 1991: 5-15.

[5] 陳阿蓮. 新型多電平變換器組合拓撲結構和多電平變換器的容錯技術[D]. 杭州: 浙江大學, 2005.