雙PWM功率變換器容錯(cuò)策略的比較

陸 茵

（湖北省建筑設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430212）

西方國家在PWM功率變換器的容錯(cuò)控制方面的研究起步較早，且主要針對逆變側(cè)，采用將故障相的端點(diǎn)接至母線中點(diǎn)的方法。國內(nèi)針對電力電子故障容錯(cuò)的研究多與國外類似，而對整流側(cè)功率管故障的容錯(cuò)策略以及整流逆變同時(shí)故障時(shí)的一體化容錯(cuò)策略少有研究。文章對一體化容錯(cuò)后重構(gòu)的三相雙PWM系統(tǒng)特點(diǎn)及其性能進(jìn)行了比較分析，并針對不同功率變換器故障情況下采用的容錯(cuò)策略進(jìn)行了總結(jié)。

1 容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡介

功率管的開路故障可以分為以下幾種情況：

（1）整流側(cè)一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，其可能的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種：①采用單相整流容錯(cuò)；②接至母線電容中點(diǎn)容錯(cuò)；③接至逆變側(cè)橋臂容錯(cuò)。

（2）逆變側(cè)一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，其可能的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種：①電機(jī)單相運(yùn)行容錯(cuò)；②接至母線電容中點(diǎn)容錯(cuò)；③接至整流側(cè)橋臂容錯(cuò)。

（3）整流側(cè)兩個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，其可能的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有2種：①分別接至母線電容中點(diǎn)和逆變側(cè)橋臂容錯(cuò)；②單相整流容錯(cuò)運(yùn)行。

（4）逆變側(cè)兩個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，其可能的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種：①單相整流-接電容中性點(diǎn)逆變?nèi)蒎e(cuò)；②單相整流-電機(jī)單向運(yùn)行容錯(cuò)；③連接至整流橋和電容中性點(diǎn)容錯(cuò)。

（5）整流側(cè)和逆變側(cè)分別有一個(gè)橋臂發(fā)生故障時(shí)，其可能的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種：①單相整流-接電容中性點(diǎn)逆變?nèi)蒎e(cuò)；②單相整流-電機(jī)單向運(yùn)行容錯(cuò)；③整流側(cè)與逆變側(cè)均接至電容中性點(diǎn)。

2 容錯(cuò)控制策略的比較分析

2.1 電機(jī)單相容錯(cuò)運(yùn)行

逆變側(cè)單橋臂故障時(shí)，采用電機(jī)單相運(yùn)行的容錯(cuò)方式時(shí)Q1Q4和Q2Q3兩組功率器件同時(shí)通斷，且同一橋臂兩個(gè)開關(guān)管件交替通斷，控制信號的產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)電路相對簡單。但是仍然存在以下問題：由于電機(jī)的主繞組和副繞組電流在相位仍不可避免的存在差值，因此會有電流流向中性點(diǎn)N，其大小為主繞組和副繞組電流之和。中性點(diǎn)的電流使逆變器輸出電壓波動(dòng)加大，同時(shí)可以看到d、q軸上的實(shí)際電流分量存在兩倍電磁頻率的波動(dòng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩也存在兩倍電磁頻率的波動(dòng)，如公式（1）（2）所示。

2.2 整流側(cè)接至母線電容中點(diǎn)容錯(cuò)運(yùn)行

整流側(cè)單橋臂故障時(shí)采用將故障相連接至電容中性點(diǎn)的容錯(cuò)方式。由于電源的一相直接與兩電容相接，電源相電流就會流經(jīng)電容使其電壓產(chǎn)生波動(dòng)，要使系統(tǒng)正常工作必須采取相應(yīng)補(bǔ)償措施來平衡兩分裂電容電壓。

電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系為：

電磁轉(zhuǎn)矩公式：

對于接入電容中性點(diǎn)的容錯(cuò)方法，電機(jī)的相端點(diǎn)接入母線電容中點(diǎn)導(dǎo)致的母線電壓存在波動(dòng)：

式中：UC2為兩個(gè)分裂母線電容的下半個(gè)，C2為其電容值。

在規(guī)則采樣SPWM中，相電壓的諧波解析表達(dá)式為：

式中：Vdc為母線電壓值。母線電壓的波動(dòng)會導(dǎo)致相電壓的波動(dòng)從而造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，A相電壓值為：

將式（8）代入式（5），若不采取補(bǔ)償措施，則轉(zhuǎn)矩電壓的波動(dòng)情況為：

為了補(bǔ)償電容電壓不平衡造成影響，可在輸出的給定線電壓值中加入電容偏差電壓：

2.3 逆變側(cè)接至整流側(cè)橋臂容錯(cuò)運(yùn)行

逆變側(cè)單橋臂故障時(shí)，將逆變側(cè)的故障端接至整流側(cè)橋臂，使得整流側(cè)和逆變側(cè)共用一個(gè)橋臂。電動(dòng)機(jī)電流模型滿足關(guān)系式：

離散化處理：

式中：θ為轉(zhuǎn)子磁鏈的位置；Lr為轉(zhuǎn)子電感；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Fs為轉(zhuǎn)子磁鏈角頻率與額定角頻率之比；ωn為額定電角頻率；n為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比。整流側(cè)電壓矢量頻率與逆變側(cè)頻率不同時(shí)，V*g10、V*g20、V*g30、V*l10、V*l20含有兩種不同的頻率，導(dǎo)致整流側(cè)的網(wǎng)側(cè)電流失控。

2.4 整流側(cè)單相整流容錯(cuò)運(yùn)行

針對整流部分一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，采用單相整流容錯(cuò)運(yùn)行。此時(shí)母線電壓的魯棒性較正常運(yùn)行情況下差，并且會存在一定的兩倍網(wǎng)頻的波動(dòng)。

在給定轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)，母線電容波動(dòng)會比正常運(yùn)行時(shí)增大將近一倍。同時(shí)控制器對于輸入為正弦信號相應(yīng)會較慢，且需要在網(wǎng)側(cè)使用鎖相環(huán)定向電壓相位。采用三相四開關(guān)整流時(shí)電壓輸出量最小值為1080V，采用單相整流時(shí)電壓輸出量最小值為310V。

3 結(jié)束語

整流側(cè)一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，將故障橋臂輸入端接至母線電容中點(diǎn)，否則采用整流側(cè)單相整流運(yùn)行的策略；整流側(cè)兩個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，將故障輸入端的一個(gè)端點(diǎn)接至母線電容中點(diǎn)，整流側(cè)按單相半橋運(yùn)行。逆變側(cè)一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，故障相端點(diǎn)改接至母線電容中點(diǎn)；逆變側(cè)兩個(gè)橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，可以將故障一相端點(diǎn)接至電容母線中點(diǎn)，另一端接至整流側(cè)的一個(gè)橋臂。整流側(cè)和逆變側(cè)分別有一個(gè)橋臂發(fā)生故障時(shí)，整流側(cè)和逆變側(cè)故障端均接至電容中性點(diǎn)，否則采用整流側(cè)單相整流運(yùn)行、逆變側(cè)接至電容中性點(diǎn)。