多電平電壓源型逆變器的容錯(cuò)技術(shù)綜述

徐 帥 張建忠

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096)

0 引言

多電平電壓源型逆變器因具有控制方式多樣、輸出電流諧波含量低以及逆變效率高等良好特性已成為高壓大功率應(yīng)用的熱點(diǎn)，如高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、高壓直流輸電、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、超導(dǎo)儲(chǔ)能和大功率不間斷電源等領(lǐng)域［1-3］。受當(dāng)前電力電子技術(shù)水平整體限制，逆變器系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)低于機(jī)電裝置的其他部分。因此，在航空航天、電力系統(tǒng)和軍事裝備等對(duì)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行要求較高的場(chǎng)合，提高逆變器系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。采用容錯(cuò)技術(shù)是提高逆變器系統(tǒng)可靠性的主要途徑之一。故障容錯(cuò)技術(shù)包括故障檢測(cè)和診斷、故障隔離以及軟硬件冗余等，其中軟硬件冗余設(shè)計(jì)是故障容錯(cuò)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)［4-9］。

多電平逆變器的功率器件數(shù)量隨著逆變器電平數(shù)的增加而增加，這一方面大大增加了多電平逆變器發(fā)生故障的概率，另一方面，多電平逆變器本身具備一定的冗余能力，即通過電平數(shù)的降低可釋放部分冗余資源，從而保證系統(tǒng)故障下具備以較低電平數(shù)繼續(xù)運(yùn)行的能力。多電平逆變器故障下實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行的關(guān)鍵在于如何簡(jiǎn)單有效地利用這些資源且盡量減少負(fù)面效應(yīng)(如成本增加或增加設(shè)計(jì)與控制方面的難度［10-13］)。

逆變器常見的故障類型包括直流母線接地短路(F1)、直流母線電容短路(F2)、功率器件觸發(fā)脈沖丟失(F3)、功率器件短路(F4)、功率器件開路(F5)、逆變器橋臂短路(F6)、輸出交流側(cè)開路(F7)、相間短路(F8)以及單相對(duì)地短路(F9)等［12，13］。以三相變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電壓源型逆變器為例，常見故障類型的位置示意圖如圖1所示。

圖1 電壓源型逆變器故障示意圖Fig.1 Fault schematic diagram of voltage source inverter

本文主要研究多電平電壓源型逆變器功率器件開路和短路故障(F3～F6)的容錯(cuò)。由于功率器件短路故障發(fā)生的時(shí)間一般極短(10 μs 以內(nèi))，難以檢測(cè)，所以短路故障通常在電路中串聯(lián)快速熔斷器，從而轉(zhuǎn)換為開路故障［13］。

1 鉗位型多電平逆變器的容錯(cuò)

R.Spee 等［14］于1988年提出了一種容錯(cuò)型逆變器拓?fù)洌?yīng)用于直流無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。T.H.Liu 等［15，16］于1991年提出了在傳統(tǒng)兩電平三相逆變器中增加第四冗余橋臂的思想。基于冗余思想的提出，G.Sinha 等［16］于1995年提出利用多電平逆變器的自身冗余開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。近年來，各種多電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)浼翱刂品椒ㄏ嗬^被提出［17-39］。

1.1 二極管鉗位型三橋臂逆變器

傳統(tǒng)三電平二極管鉗位型逆變器拓?fù)淙鐖D2所示，由3 個(gè)橋臂組成三相輸出，每相橋臂由4 個(gè)絕緣柵雙極型晶閘管(Insulated Gate Bipolar Thyristor，IGBT)各反并聯(lián)一個(gè)二極管串聯(lián)組成，分壓電容C1=C2。Sx1～Sx4(x=a，b，c)中每?jī)蓚€(gè)功率器件處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，其中(Sx1，Sx3)和(Sx2，Sx4)為互補(bǔ)的開關(guān)對(duì)。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，輸出正電平、零電平和負(fù)電平3 種電平狀態(tài)。但是，當(dāng)功率器件發(fā)生開路或短路故障時(shí)，將使故障橋臂不能正常運(yùn)行，從而導(dǎo)致逆變器輸出電壓不平衡、輸出電流諧波畸變率增加、調(diào)制度降低以及逆變器效率降低等問題。例如Sa1發(fā)生開路故障時(shí)，A 相將不能輸出正電平，從而導(dǎo)致輸出的三相電壓、電流不平衡現(xiàn)象。

圖2 三電平二極管鉗位型逆變器拓?fù)銯ig.2 The topology of three-level diode-clamped inverter

三電平二極管鉗位型逆變器有33=27 種開關(guān)狀態(tài)組合，對(duì)應(yīng)27 個(gè)空間電壓矢量。當(dāng)功率器件發(fā)生故障時(shí)，可利用冗余的空間電壓矢量，使逆變器容錯(cuò)運(yùn)行［17，18］。例如當(dāng)Sa1發(fā)生短路故障時(shí)，A 相將不能輸出零電平，故障后可用的電壓空間矢量如圖3a 所示，圖中虛線所示矢量為故障后的不可用矢量。當(dāng)Sa2發(fā)生短路故障，A 相失去輸出負(fù)電平能力，重構(gòu)后電壓空間矢量如圖3b 所示。利用冗余矢量進(jìn)行容錯(cuò)，不需要增加額外器件，成本較低，但由于一些關(guān)鍵開關(guān)狀態(tài)的減少，逆變器故障重構(gòu)后最大調(diào)制度降低為正常時(shí)的一半。

圖3 故障后的空間電壓矢量圖Fig.3 Space voltage vector diagram after fault

圖3所示的逆變器軟件容錯(cuò)方法利用自身的冗余開關(guān)矢量可以容錯(cuò)功率器件的開路和短路故障，但重構(gòu)后的最大調(diào)制度和輸出電壓幅值降低，而且需要增大一些功率器件的耐壓值。通過增加一些開關(guān)器件進(jìn)行硬件容錯(cuò)是實(shí)現(xiàn)逆變器故障容錯(cuò)的行之有效的方法。圖4為兩種二極管鉗位三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)鋯蜗鄻虮劢Y(jié)構(gòu)［19-21］。

圖4 三電平二極管鉗位型容錯(cuò)拓?fù)鋯蜗鄻虮跢ig.4 Fault-tolerant single-phase bridge arm of three-level diode-clamped inverter

圖4a 是在傳統(tǒng)三電平二極管鉗位型拓?fù)浠A(chǔ)上，每相橋臂與直流母線中點(diǎn)之間增加一個(gè)雙向可控晶閘管，用來隔離故障橋臂［19］。例如當(dāng)A 相橋臂發(fā)生短路或開路故障時(shí)，觸發(fā)Ta導(dǎo)通隔離故障相，從而將A 相橋臂的輸出端連接至直流母線中點(diǎn)。采用該容錯(cuò)方案故障后功率器件不承受過電壓，因此不必增大功率器件的耐壓值。但故障橋臂連接至直流母線中點(diǎn)，將使輸出電壓不平衡。為了保證故障重構(gòu)后得到平衡的線電壓，需要采用改進(jìn)的調(diào)制策略，假設(shè)正常狀態(tài)下逆變器三相參考電壓為

當(dāng)A 相橋臂故障時(shí)，逆變器輸出相電壓va=0，調(diào)整B、C 間的相角從120°減小為60°，故障重構(gòu)后得到的等效平衡線電壓為

圖5為A 相橋臂故障重構(gòu)前后的電壓矢量圖，重構(gòu)后的平衡線電壓和等效平衡相電壓均降低為正常值的倍，逆變器降額運(yùn)行。

圖5 A 相橋臂故障重構(gòu)的電壓矢量圖Fig.5 The voltage phasor diagram of A-phase bridge arm after fault reconstruction

圖4b 所示的容錯(cuò)拓?fù)錇椴捎靡粚?duì)IGBT 代替相應(yīng)鉗位二極管。由于每相橋臂增加一對(duì)IGBT，增加了新的冗余開關(guān)狀態(tài)，這些開關(guān)狀態(tài)在正常運(yùn)行時(shí)用來平衡器件的功率損耗，可有效提高逆變器的輸出功率。當(dāng)橋臂故障時(shí)可利用開關(guān)組合將故障橋臂連接至直流母線中點(diǎn)［20，21］。例如當(dāng)功率器件Sa1開路或短路導(dǎo)致A 相橋臂故障時(shí)，觸發(fā)(Sa2、Sa5)或(Sa3、Sa6)導(dǎo)通，使A 相輸出端連接至直流母線中點(diǎn)。采用改進(jìn)的PWM 調(diào)制方法，如同圖4a 的容錯(cuò)拓?fù)淇傻玫狡胶獾木€電壓，而且不需要增加功率器件的耐壓值。圖4a 和圖4b 所示的兩種容錯(cuò)拓?fù)涔收现貥?gòu)后的最大調(diào)制度均降低為正常時(shí)的一半，平衡線電壓幅值降低為正常時(shí)的 1/ ■3倍。

為了解決逆變器輸出電壓和調(diào)制度降低的問題，文獻(xiàn)［22，23］在三電平NPC 型拓?fù)浠A(chǔ)上增加了快速熔斷器和晶閘管，兩種容錯(cuò)拓?fù)涞膯蜗鄻虮廴鐖D6所示。

圖6 三電平二極管鉗位型逆變器容錯(cuò)拓?fù)鋯蜗鄻虮?含快速熔斷器和晶閘管)Fig.6 Fault-tolerant single-phase bridge arm of three-level diode-clamped inverter(with fast fuse and thyristor)

圖6a 所示的增加熔斷器型拓?fù)洌ㄟ^熔斷器和晶閘管與電容形成短路回路可有效隔離故障［22］。例如內(nèi)開關(guān)Sa2發(fā)生短路故障，當(dāng)輸出端需要輸出低電平時(shí)，Sa3和Sa4處于導(dǎo)通狀態(tài)，在不采取措施情況下C2、Sa2、Sa3、Sa4將構(gòu)成短路回路，在任何時(shí)刻都無法輸出低電平。因此當(dāng)檢測(cè)到Sa2短路故障時(shí)，立即觸發(fā)Ta1導(dǎo)通，使C1、Fa1、Ta1構(gòu)成局部短路回路，從而熔斷Fa1隔離故障。故障重構(gòu)過程如圖7所示，重構(gòu)后故障橋臂工作在高電平和低電平的兩電平狀態(tài)，解決了最大調(diào)制度降低的問題。但故障后一些功率器件仍會(huì)承受過電壓。

圖7 Sa2短路故障重構(gòu)前后的單相橋臂Fig.7 Single-phase bridge arm before and afterreconstruction under Sa2fault

圖6b 所示的增加熔斷器和有源開關(guān)型拓?fù)洌趫D6a 的基礎(chǔ)上用IGBT 代替了鉗位二極管［23］。該拓?fù)渚C合了圖4b 和圖6a 拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，可以容錯(cuò)單相橋臂上的多個(gè)故障或多相橋臂同時(shí)故障的情況，不僅解決了輸出電壓和最大調(diào)制度降低的問題，而且在一些故障情況下，使重構(gòu)后的拓?fù)淙赃\(yùn)行在三電平狀態(tài)。

圖6a 和圖6b 兩種拓?fù)浯嬖诘闹饕秉c(diǎn)為逆變器故障重構(gòu)后一些半導(dǎo)體器件需要承擔(dān)整個(gè)直流母線電壓，所以需要增大器件的耐壓值，因此也增加了成本。

1.2 飛跨電容鉗位型三橋臂逆變器的容錯(cuò)

圖8 飛跨電容鉗位型逆變器容錯(cuò)拓?fù)鋯蜗鄻虮跢ig.8 Fault-tolerant single-phase bridge arm of flying across capacitor-clamped inverter

圖8為飛跨電容型三橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)銩 相橋臂，每相橋臂的鉗位電容串聯(lián)一個(gè)雙向晶閘管，每個(gè)功率器件并聯(lián)一個(gè)雙向晶閘管，用來旁路相應(yīng)的故障器件［24，25］。該容錯(cuò)拓?fù)洳恍枰黾尤哂鄻虮郏涂梢匀蒎e(cuò)功率器件的開路和短路故障，使輸出三相電壓仍保持平衡。例如當(dāng)Sa1發(fā)生開路故障時(shí)，通過觸發(fā)Ta1將Sa1旁路，同時(shí)觸發(fā)Sa4導(dǎo)通、Tdc關(guān)斷，將內(nèi)橋臂的電容支路隔離，重構(gòu)后的逆變器運(yùn)行于傳統(tǒng)兩電平模式。隨著電平數(shù)的增加，輸出相同電壓下可能的開關(guān)組合類型增加。但該拓?fù)浯嬖诘娜秉c(diǎn)是重構(gòu)后Sa2和Sa3必須承擔(dān)兩倍于正常情況下的電壓幅值，增大了內(nèi)橋臂功率器件的耐壓要求。

基于三橋臂的逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌m然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要增加冗余橋臂，但存在的缺點(diǎn)是當(dāng)功率器件故障時(shí)，最大調(diào)制度及交流側(cè)輸出電壓幅值降低。由于逆變器容錯(cuò)拓?fù)涔收现貥?gòu)后調(diào)制度降低，并且逆變器在并網(wǎng)應(yīng)用中要求其調(diào)制度接近最大值，因此該容錯(cuò)方案不適用于并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中。

1.3 混合鉗位型四橋臂逆變器

文獻(xiàn)［22］提出了一種混合四橋臂三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌鐖D9所示。主橋臂為三電平二極管鉗位型逆變器橋臂，第四橋臂為飛跨電容型單相橋臂。在正常運(yùn)行模式下，第四橋臂為主橋臂提供一個(gè)可靠的中點(diǎn)電壓鉗位點(diǎn)。因?yàn)轱w跨電容可以改變流經(jīng)第四橋臂的電流iNP，所以當(dāng)直流側(cè)中點(diǎn)電壓發(fā)生偏差時(shí)，可通過調(diào)節(jié)流經(jīng)飛跨電容的電流iNP的大小和方向來平衡中點(diǎn)電壓［23］。

圖9 混合鉗位型逆變器容錯(cuò)拓?fù)銯ig.9 Fault-tolerant topology of mix-clamped inverter

在任意一個(gè)主橋臂發(fā)生故障時(shí)，第四橋臂可以代替故障橋臂。例如當(dāng)功率器件Sa4開路時(shí)，觸發(fā)Sa2和Sa3導(dǎo)通，使A 相橋臂連接至第四橋臂的中點(diǎn)，從而第四橋臂將代替A 相橋臂運(yùn)行于三電平狀態(tài)。其他兩相主橋臂由于失去中點(diǎn)鉗位點(diǎn)，運(yùn)行于高電平、低電平的兩電平狀態(tài)。

第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)和電壓、電流關(guān)系如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)、NP 電壓和流經(jīng)NP 電流Tab.1 Switching state，voltage and current of neutral point

圖9所示的容錯(cuò)拓?fù)洌鋬?yōu)點(diǎn)是第四橋臂在正常運(yùn)行時(shí)為主橋臂提供一個(gè)可靠平衡的中點(diǎn)鉗位點(diǎn)，抑制了輸出電壓的低頻振蕩。但系統(tǒng)故障重構(gòu)后輸出電壓不平衡，需要改進(jìn)的調(diào)制策略來控制輸出電壓的平衡;而且故障后部分功率器件需要承擔(dān)整個(gè)直流母線電壓，增加了成本和損耗。

文獻(xiàn)［26，27］對(duì)文獻(xiàn)［22］中提出的混合四橋臂三電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)，增加了一個(gè)飛跨電容型冗余橋臂，并通過兩個(gè)反向串聯(lián)的IGBT 連接至直流母線的中點(diǎn)，圖10為A 相主橋臂和第四冗余橋臂的結(jié)構(gòu)。

圖10 混合鉗位型逆變器單相橋臂(含飛跨電容鉗位型橋臂)Fig.10 Fault-tolerant topology of mix-clamped inverter(with flying across capacitor-clamped bridge)

當(dāng)飛跨電容型冗余橋臂上功率器件故障導(dǎo)致橋臂故障時(shí)，熔斷F1，同時(shí)觸發(fā)Sa5和Sa6導(dǎo)通，Ta保持關(guān)斷狀態(tài)，從而將故障的冗余橋臂隔離，重構(gòu)后逆變器運(yùn)行于三電平狀態(tài)。當(dāng)A 相橋臂的Sa1發(fā)生短路故障時(shí)，首先，觸發(fā)正常兩相的下橋臂功率器件導(dǎo)通，然后觸發(fā)Sa2和Sa3導(dǎo)通，同時(shí)觸發(fā)冗余橋臂的下臂功率器件S3、S4和Ta導(dǎo)通，從而熔斷F1和Fa，隔離了故障，使輸出端連接至冗余橋臂的中點(diǎn)。當(dāng)Sa1發(fā)生開路故障時(shí)，觸發(fā)正常橋臂的兩個(gè)上臂功率器件導(dǎo)通，同時(shí)觸發(fā)Sa2、Sa3、Sa4和S1導(dǎo)通，從而熔斷F1，并使Sa5、Sa6和Ta一直保持導(dǎo)通狀態(tài)，重構(gòu)后逆變器運(yùn)行于三電平狀態(tài)。

圖10所示的容錯(cuò)拓?fù)鋬?yōu)點(diǎn)為故障重構(gòu)后仍可運(yùn)行于三電平狀態(tài);所有功率器件只需承擔(dān)1/2 的直流母線電壓;冗余橋臂中的功率器件工作在低頻狀態(tài)，所以功率損耗增加不大。但故障重構(gòu)后，輸出電壓仍存在低頻電壓振蕩問題。

文獻(xiàn)［28］提出了一種抑制NP 低頻電壓振蕩的三電平四橋臂逆變器拓?fù)洌鐖D11所示，增加一個(gè)二極管鉗位型第四橋臂，通過電感連接至直流母線中點(diǎn)。正常運(yùn)行狀態(tài)下，第四橋臂向鉗位點(diǎn)NP 注入電感電流iL來平衡鉗位點(diǎn)電壓VNP。平均電流計(jì)算公式如式(3)～式(5)所示。

圖11 三電平四橋臂二極管鉗位型逆變器容錯(cuò)拓?fù)銯ig.11 Fault-tolerant topology of three-level four-bridge diode-clamped inverter

表2 第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)Tab.2 Switching state of the fourth bridge

開關(guān)的開通時(shí)間ton在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)可通過式(6)計(jì)算，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流經(jīng)電感的電流波形如圖12所示。

圖12 第四橋臂電感電流波形圖Fig.12 The inductor current waveform of the fourth bridge

在開關(guān)周期開始時(shí)，電流為零，由主橋臂切換至第四橋臂是在零電流狀態(tài)(ZCS)下進(jìn)行的，因此，換相過程不產(chǎn)生開關(guān)損耗。

1.4 三相四橋臂并網(wǎng)型逆變器的容錯(cuò)

文獻(xiàn)［28-34］研究了應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的三電平四橋臂容錯(cuò)技術(shù)。圖13為三電平二極管鉗位型并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)洹Ｄ孀兤魍負(fù)溆? 個(gè)二極管鉗位型橋臂構(gòu)成，直流母線由兩個(gè)分裂式電容串聯(lián)組成，交流側(cè)通過輸出電感連接至電網(wǎng)。

圖13 三電平二極管鉗位型并網(wǎng)逆變器拓?fù)銯ig.13 The topology of three-level diode-clamped grid-connected inverter

1.4.1 電感電流注入型

文獻(xiàn)［28，29］提出了含連接電感的三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌鐖D14所示，在基本三電平二極管鉗位型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浠A(chǔ)上，第四橋臂中點(diǎn)通過電感連接至直流母線中點(diǎn)，主橋臂的輸出端通過開關(guān)連接至第四橋臂中點(diǎn)。正常狀態(tài)下，R1、Ra1、Rb1、Rc1處于閉合狀態(tài)，Ra2、Rb2、Rc2處于斷開狀態(tài)，因?yàn)槊肯嗟倪B接開關(guān)是串聯(lián)的，所以減少了寄生電感的影響。

當(dāng)A 相主橋臂發(fā)生故障時(shí)，控制開關(guān)R1和Ra1斷開、Ra2閉合，隔離A 相橋臂，第四橋臂替代A 相橋臂，重構(gòu)后的拓?fù)溥\(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)三電平狀態(tài)。

當(dāng)?shù)谒臉虮郯l(fā)生故障時(shí)，控制開關(guān)R1斷開，隔離第四橋臂，重構(gòu)后保持標(biāo)準(zhǔn)三電平NPC 運(yùn)行。但電容電壓將失去平衡能力，鉗位點(diǎn)NP 仍存在低頻電壓振蕩現(xiàn)象。因此應(yīng)采用抑制NP 低頻電壓振蕩和平衡電容電壓的調(diào)制策略。控制NP 電壓平衡的同時(shí)也會(huì)增加正常橋臂的功率器件損耗，所以在故障狀態(tài)下，調(diào)制策略應(yīng)同時(shí)兼顧逆變器中點(diǎn)電壓平衡和功率器件損耗。其次，因?yàn)檫B接開關(guān)的響應(yīng)速度較慢，故障重構(gòu)需要數(shù)十毫秒的時(shí)間，這樣會(huì)使故障橋臂的一些功率器件承受整個(gè)直流母線電壓，從而會(huì)增加一定的功率損耗。

圖14 電感電流注入型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)銯ig.14 The inductor current injection type three-level four-bridge inverter topology

1.4.2 有源鉗位型

圖15為有源鉗位型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌?8］，采用IGBT 代替三相主橋臂中相應(yīng)的鉗位二極管，避免了功率器件的過電壓現(xiàn)象。

圖15 有源鉗位型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)銯ig.15 The active-clamped three-level four-bridge inverter topology

當(dāng)?shù)谒臉虮郯l(fā)生故障時(shí)，控制開關(guān)R1斷開隔離第四橋臂，逆變器重構(gòu)后保持標(biāo)準(zhǔn)三電平運(yùn)行。當(dāng)主橋臂某一相功率器件故障時(shí)，控制故障相輸出端連接至第四橋臂中點(diǎn)。例如當(dāng)Sa1發(fā)生短路故障時(shí)，觸發(fā)Sa3、Sa6導(dǎo)通，使故障相輸出端連接至直流母線中點(diǎn)，避免了功率器件承受整個(gè)直流母線電壓的情況。但重構(gòu)后的最大調(diào)制度降低為正常時(shí)的一半，從而輸出電壓幅值和輸出功率降低，限制了其應(yīng)用范圍。

1.4.3 電氣隔離型

圖16為電氣隔離型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌?8］，在保留各種容錯(cuò)功能的基礎(chǔ)上，在逆變器交流側(cè)輸出電感和電網(wǎng)或電機(jī)系統(tǒng)之間增加了雙向晶閘管、快速熔斷器和接觸器，隔離故障過程中可以避免過高的dv/dt 所帶來的晶閘管不理想換相問題。

圖16 電氣隔離型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)銯ig.16 Fault-tolerant topology of electric isolation type three-level four bridge inverter

例如當(dāng)逆變器主橋臂的功率器件故障時(shí)，熔斷相應(yīng)的熔斷器，在不影響正常功率器件的情況下，將故障與電網(wǎng)或電機(jī)系統(tǒng)隔離。例如Sa1發(fā)生故障時(shí)，觸發(fā)雙向晶閘管Ta、Tb、Tc導(dǎo)通，通過形成局部短路從而熔斷至少兩相的熔斷器。一旦熔斷器被熔斷，打開R1和Ra1，并閉合開關(guān)Ra2、Ra3、Rb3、Rc3，此時(shí)，A 相橋臂被隔離，第四橋臂代替A 相橋臂，系統(tǒng)重構(gòu)后運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)三電平狀態(tài)。當(dāng)?shù)谒臉虮鄣哪硞€(gè)功率器件故障時(shí)(開路或短路)，必須停止該橋臂的換相，重構(gòu)后逆變器仍運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)三電平狀態(tài)。

圖16所示的逆變器容錯(cuò)拓?fù)溆捎谌蹟嗥骱碗p向晶閘管在電網(wǎng)側(cè)，使逆變器拓?fù)渑c熔斷器的熔斷過程形成了隔離，因此可以防止晶閘管承受較大的dv/dt，從而有效避免了換相失敗的問題。

圖14所示的含連接電感型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障重構(gòu)過程中不需要改變調(diào)制度，也不需要增加快速熔斷器。但故障重構(gòu)后的一些器件會(huì)承受過電壓，需要增加功率器件的耐壓值，從而增加了逆變器成本，也限制了其應(yīng)用范圍。圖15所示的有源鉗位型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)涔收现貥?gòu)后避免了器件的過電壓，不需要增大功率器件的耐壓值，降低了逆變器成本。但當(dāng)主橋臂故障時(shí)，重構(gòu)后的調(diào)制度降低為正常時(shí)的一半，輸出功率和輸出電壓幅值降低。圖16所示的電氣隔離型三電平四橋臂逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌粌H避免了功率器件的過電壓，而且系統(tǒng)重構(gòu)后調(diào)制度不變。因此該容錯(cuò)拓?fù)涞膽?yīng)用范圍較廣泛。表3 為上述鉗位型逆變器容錯(cuò)拓?fù)涞男阅鼙容^。

表3 鉗位型逆變器容錯(cuò)拓?fù)浔容^Tab.3 Comparation of fault-tolerant clamped inverter topology

2 級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的容錯(cuò)

目前，級(jí)聯(lián)型多電平逆變器逐漸被應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合(如高壓直流輸電，柔性交流輸電等)。級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的模塊化使其更容易實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行［35-40］。

2.1 采用硬件冗余單元

文獻(xiàn)［9，35］研究了級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的容錯(cuò)技術(shù)，其基本思想是采用硬件冗余單元實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。容錯(cuò)型級(jí)聯(lián)11 電平逆變器拓?fù)淙鐖D17所示，每相有5 個(gè)正常單元模塊和一個(gè)冗余單元模塊，冗余單元模塊在逆變器正常運(yùn)行時(shí)均處于旁路狀態(tài)。帶旁路開關(guān)的子單元模塊如圖18所示。該容錯(cuò)方法不需要增加冗余器件，而且重構(gòu)后逆變器輸出功率不變。

圖17 容錯(cuò)型級(jí)聯(lián)多電平逆變器Fig.17 Fault-tolerant cascade multilevel inverter

圖18 級(jí)聯(lián)多電平逆變器單元Fig.18 Cascade multilevel inverter unit

級(jí)聯(lián)型多電平逆變器中單元模塊的故障隔離方法有3 種:①采用旁路開關(guān);②單元模塊輸出端并聯(lián)一個(gè)三端雙向可控開關(guān)元件;③控制故障單元模塊中正常功率器件的通斷。冗余模塊的投入過程為:當(dāng)A 相橋臂一個(gè)單元模塊a1故障時(shí)，將a1的旁路開關(guān)T 置于f，同時(shí)將ra模塊的旁路開關(guān)置于n，此時(shí)冗余模塊代替了故障模塊，逆變器運(yùn)行于容錯(cuò)模式，如圖17所示。還可通過控制故障單元中正常工作的功率器件的開關(guān)狀態(tài)隔離故障，如圖18中功率器件S1開路故障時(shí)，控制S3和S4導(dǎo)通，同時(shí)控制S2關(guān)斷，從而隔離了故障單元。表4 為各種故障狀態(tài)下IGBT 的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

表4 故障狀態(tài)下IGBT 的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)Tab.4 Gate drive signals of switches under switching faults

由于級(jí)聯(lián)多電平逆變器在輸出串聯(lián)、功率器件的故障診斷、故障模塊的隔離及冗余模塊的投入過程需要一定時(shí)間，因此，級(jí)聯(lián)多電平逆變器從故障狀態(tài)切換到容錯(cuò)運(yùn)行狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)短暫的缺電現(xiàn)象。為了減小或消除缺電時(shí)間，應(yīng)研究更為先進(jìn)的故障診斷、故障隔離及故障重構(gòu)方法。

2.2 旁路正常單元

當(dāng)某相橋臂多個(gè)單元模塊同時(shí)故障時(shí)，冗余單元無法補(bǔ)償故障，導(dǎo)致每相橋臂的單元模塊數(shù)量不同，逆變器將運(yùn)行在不平衡狀態(tài)。通過旁路正常相正常運(yùn)行模塊可以平衡三相橋臂的單元模塊數(shù)量，從而在不改變調(diào)制方法的情況下使逆變器輸出三相平衡電壓。如圖17所示的級(jí)聯(lián)11 電平逆變器，圖19a 為正常狀態(tài)下的矢量圖。當(dāng)B 相橋臂1 個(gè)模塊、C 相橋臂2 個(gè)模塊同時(shí)故障時(shí)，其矢量圖如圖19b 所示，分別旁路A 相2 個(gè)和B 相1 個(gè)正常模塊，此時(shí)逆變器降額運(yùn)行于平衡狀態(tài)。采用旁路正常單元法重構(gòu)后的電壓矢量圖如圖20a 所示，輸出線電壓降低了40%。采用基波相移補(bǔ)償法重構(gòu)后的矢量圖如圖20b 所示。

圖19 級(jí)聯(lián)11 電平逆變器的電壓矢量圖Fig.19 The voltage phasor diagram of 11-level cascade inverter

圖20 級(jí)聯(lián)11 電平逆變器的電壓矢量圖Fig.20 The voltage phasor diagram of 11-level cascade inverter

2.3 基波相移補(bǔ)償方法

當(dāng)逆變器由于故障而不平衡運(yùn)行時(shí)，將輸出三相不等幅的線電壓。文獻(xiàn)［36］提出了基波相移補(bǔ)償方法(Fundamental Phase-shift Compensation，F(xiàn)PSC)，即利用正常單元模塊，通過調(diào)整三相參考電壓之間的相位差，從而得到較大的平衡線電壓。不同的故障下，三相之間的相位差計(jì)算如下

式中:Va、Vb、Vc分別為三相電壓的幅值;α、β、γ分別為三相間的相位差。

對(duì)于一個(gè)級(jí)聯(lián)11 電平的逆變器，每相橋臂含有5 個(gè)級(jí)聯(lián)的單元模塊。當(dāng)B 相橋臂1 個(gè)模塊、C 相橋臂2 個(gè)模塊同時(shí)故障時(shí)，采用基波相移補(bǔ)償方法調(diào)整三相電壓之間的相位差，從而得到平衡的線電壓，重構(gòu)后的電壓矢量圖如圖20b 所示。重構(gòu)后線電壓幅值從8.66(pu)降低為6.67(pu)，線電壓幅值僅降低了23%。

由圖20a 和20b 可知，相比于旁路正常單元的容錯(cuò)方法，采用FPSC 方法可大大提高重構(gòu)后的輸出電壓幅值。表5 為幾種故障情況下，采用FPSC 方法重構(gòu)后的線電壓和線電壓變化率。由表中第4 種故障情況可知，F(xiàn)PSC 方法并不能在所有的故障情況下都能得到最大輸出線電壓。

表5 級(jí)聯(lián)11 電平各種故障的情況比較(FPSC 方法)Tab.5 Compensation of fault conditions of cascade 11-level inverter(FPSC method)

2.4 改進(jìn)的FPSC 方法

文獻(xiàn)［37，38］提出了一種改進(jìn)的FPSC 方法。將兩個(gè)含有較少正常單元的橋臂之間相位差調(diào)整為180°，并相應(yīng)減小另外一相的電壓幅值，可得到平衡的線電壓，并適合于各種故障的情況。例如A 相含有最多的正常單元，重構(gòu)后A 相電壓幅值和各相之間的相位差計(jì)算公式為

如表5 中第3 種故障情況，B 相3 個(gè)和C 相2 個(gè)模塊同時(shí)發(fā)生故障，采用改進(jìn)的FSPC 法，首先調(diào)整B 相和C 相的相位差為180°，并減小A 相的電壓幅值，使逆變器輸出平衡的線電壓。圖21a 為級(jí)聯(lián)11 電平逆變器矢量示意圖。圖21b 和圖21c 為分別采用FPSC 方法和改進(jìn)的FSPC 方法重構(gòu)后的電壓矢量圖。與FPSC 方法相比，改進(jìn)的FPSC 方法使輸出線電壓幅值增大了15%。FPSC 方法及其改進(jìn)的方法使故障重構(gòu)后線電壓幅值均有所降低。由于故障導(dǎo)致中性點(diǎn)發(fā)生位移，重構(gòu)后的負(fù)載功率因數(shù)降低。

圖21 級(jí)聯(lián)11 電平逆變器的電壓矢量圖Fig.21 The voltage phasor diagram of 11-level cascade inverter

2.5 直流母線電壓重構(gòu)法

文獻(xiàn)［39］提出直流母線電壓重構(gòu)的方法，增加故障相中正常模塊的直流側(cè)電壓，使三相的直流側(cè)輸入電壓總和保持不變，從而使重構(gòu)后輸出電壓保持不變。例如級(jí)聯(lián)7 電平逆變器C 相C2和C3模塊發(fā)生故障被旁路時(shí)，調(diào)整C 相C1模塊的直流側(cè)電壓值為正常值的3 倍，使逆變器直流側(cè)輸入電壓總和保持不變，從而故障重構(gòu)后輸出電壓不變。重構(gòu)前后的電壓相量圖分別如圖22a 和圖22b 所示。

直流側(cè)電壓的升高將導(dǎo)致功率器件電壓應(yīng)力增大。文獻(xiàn)［40，41］提出采用FPSC 法和直流側(cè)電壓重構(gòu)法相結(jié)合的容錯(cuò)方法，通過增加故障相和正常相正常模塊的直流側(cè)電壓值，使總輸入電壓值保持不變，例如C 相兩個(gè)模塊發(fā)生故障被旁路，調(diào)整三相之間的相角，并增大三相橋臂正常模塊的直流側(cè)電壓值，使逆變器輸出平衡的線電壓。重構(gòu)后的電壓相量圖如圖22c所示。該改進(jìn)的控制方法減小了故障相模塊中功率器件的電壓應(yīng)力。

圖22 級(jí)聯(lián)7 電平逆變器的電壓矢量圖Fig.22 The voltage phasor diagram of 7-level cascade inverter

文獻(xiàn)［42-44］介紹了應(yīng)用于無功靜止同步補(bǔ)償裝置的級(jí)聯(lián)多電平逆變器容錯(cuò)技術(shù)。H 橋單元模塊作為有源整流器控制H 橋模塊的電流，用來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善各單元模塊的直流側(cè)電壓。當(dāng)檢測(cè)到某一相單元模塊故障時(shí)，增大該故障相正常單元模塊的直流側(cè)參考電壓，使故障前后直流側(cè)參考電壓值總和不變，從而在不降低輸出功率的情況下，使逆變器運(yùn)行于容錯(cuò)狀態(tài)。但故障相重構(gòu)后H 橋單元模塊中功率器件的電壓、電流應(yīng)力將會(huì)增大。

3 結(jié)論

本文主要對(duì)鉗位型和級(jí)聯(lián)型多電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)浼叭蒎e(cuò)控制方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)。從總體上看，未來的研究趨勢(shì)大致為以下幾方面:

1)研究先進(jìn)的故障監(jiān)測(cè)和診斷方法。在可靠性要求較高的場(chǎng)合，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，要求系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)并隔離故障，同時(shí)這也是實(shí)施容錯(cuò)控制的前提。

2)定量分析逆變器故障容錯(cuò)的暫態(tài)過程，采取適當(dāng)措施盡可能減少重構(gòu)時(shí)間，不致引發(fā)其他故障而使系統(tǒng)癱瘓。

3)提出新型容錯(cuò)型多電平逆變器拓?fù)洹Ｊ怪梢匀蒎e(cuò)單相多處功率器件故障和多相的功率器件同時(shí)故障。雖然傳統(tǒng)多電平逆變器自身為容錯(cuò)運(yùn)行提供了大量冗余資源，但冗余意味著成本的增加，應(yīng)考慮費(fèi)效比的問題，而且故障后的控制方法較為復(fù)雜。

4)采用硬件和軟件相結(jié)合的技術(shù)來優(yōu)化逆變器系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。研究定量評(píng)估、分析逆變器容錯(cuò)設(shè)計(jì)可靠性的方法。

5)深入研究模塊化多電平逆變器的容錯(cuò)技術(shù)。提高單元模塊的可靠性，研究單元模塊內(nèi)部和外部相結(jié)合的容錯(cuò)技術(shù)，并深入分析故障容錯(cuò)對(duì)逆變器交流側(cè)輸出功率、直流側(cè)電壓利用率及輸出電能質(zhì)量的影響。

6)研究并網(wǎng)發(fā)電可再生能源系統(tǒng)逆變器的故障診斷與容錯(cuò)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和應(yīng)用研究，取得了一定成果。并網(wǎng)逆變器的輸入(可再生能源)和輸出(電網(wǎng))復(fù)雜的暫態(tài)環(huán)境使內(nèi)部故障檢測(cè)和容錯(cuò)過程變得較復(fù)雜。因此，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的容錯(cuò)技術(shù)具有廣闊的理論和應(yīng)用研究空間。

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