一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)?/h1>
2016-10-28 05:42:33邱世廣李思光
工礦自動(dòng)化 2016年10期
邱世廣，李思光
(濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州 256603)
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一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)?/p>
邱世廣，李思光
(濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州256603)
針對(duì)逆變器的器件故障較難準(zhǔn)確定位的問題，提出一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)?。利用該拓?fù)涓淖儠r(shí)使用的開關(guān)器件可對(duì)逆變器器件短路或開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而為逆變器的容錯(cuò)控制提供依據(jù)。該拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)半橋臂替換，最多可對(duì)逆變器3個(gè)橋臂同時(shí)進(jìn)行容錯(cuò)控制。
三電平逆變器；容錯(cuò)控制；半橋臂替換；四橋臂
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.0959.006.html
[1]提出了一種基于不對(duì)稱橋臂的三電平四橋臂容錯(cuò)拓?fù)?，冗余橋臂僅使用2只IGBT串聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)IGBT需獨(dú)立承擔(dān)整個(gè)直流母線電壓。參考文獻(xiàn)[2]提出一種三電平三橋臂容錯(cuò)控制方法，該方法將箝位二極管反并聯(lián)IGBT，若任一橋臂發(fā)生故障，可利用附加IGBT將故障相直接接到直流母線中點(diǎn)，但此時(shí)逆變器應(yīng)降額運(yùn)行。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種具有電感型冗余橋臂的容錯(cuò)拓?fù)?，該拓?fù)涞娜哂鄻虮墼诠收习l(fā)生前具有保證逆變器母線中點(diǎn)電壓平衡的作用，故障發(fā)生后，可直接利用冗余橋臂替換故障橋臂，但該方法僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)故障橋臂的替換。本文提出了一種三電平四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)洌撏負(fù)淇蓪?shí)現(xiàn)對(duì)逆變器故障橋臂的半橋臂替換，最多可對(duì)逆變器的3個(gè)橋臂同時(shí)進(jìn)行容錯(cuò)控制。
逆變器的器件故障較難準(zhǔn)確定位，尤其是短路故障，亟需簡(jiǎn)單可靠的故障檢測(cè)方法，利用熔斷器可將短路故障轉(zhuǎn)換為開路故障再定位，但較難準(zhǔn)確計(jì)算熔斷器的熔斷值。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種準(zhǔn)確定位開路IGBT的方法，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，參考文獻(xiàn)[5]提出通過檢測(cè)直流母線中點(diǎn)電壓偏移的方法定位開路IGBT，該方法簡(jiǎn)單，但僅能對(duì)逆變器一相IGBT開路進(jìn)行定位。在本文提出的容錯(cuò)拓?fù)渲?，利用容錯(cuò)控制時(shí)的附加器件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器所有橋臂故障器件的準(zhǔn)確定位，而且可以判定具體為短路故障還是開路故障。
1 三電平NPC逆變器主電路及容錯(cuò)拓?fù)?/h2>
1.1主電路
三電平NPC逆變器主電路如圖1所示，本文中的上、下橋臂均包含2只IGBT和1只箝位二極管，以a相為例，上橋臂包括Sa1，Sa2，VDa1，下橋臂包括Sa3，Sa4，VDa2。
圖1 三電平NPC逆變器主電路
三電平NPC逆變器的3種相輸出電壓對(duì)應(yīng)其每相的3種工作狀態(tài)。以a相為例，設(shè)直流母線電壓為Ud，若Sa1，Sa2同時(shí)導(dǎo)通，則a相輸出電壓為Ud；若Sa2，Sa3同時(shí)導(dǎo)通，則a相輸出電壓為Ud/2；若Sa3，Sa4同時(shí)導(dǎo)通，則a相輸出電壓為0。
1.2容錯(cuò)拓?fù)?/p>
三電平NPC逆變器四橋臂容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D2所示，其中a相、b相、c相為逆變器的3個(gè)主橋臂，g相為逆變器的冗余橋臂。開關(guān)SxH，SxL(x=a,b,c)分別用于故障時(shí)斷開逆變器各主橋臂的上、下橋臂；開關(guān)Sx-gH，Sx-gL分別用于故障時(shí)將各相輸出至冗余橋臂的上、下橋臂；晶閘管Sx-o用于故障時(shí)將逆變器各相接至直流母線中點(diǎn)，晶閘管Sg-o在逆變器無故障時(shí)開通；逆變器可通過冗余橋臂實(shí)現(xiàn)直流母線中點(diǎn)電壓平衡控制，開關(guān)SgH-gL用于將冗余橋臂上、下橋臂分開進(jìn)行故障替換。
圖2 三電平NPC逆變器四橋臂容錯(cuò)拓?fù)?/p>
2 逆變器故障定位
若檢測(cè)到逆變器三相輸出側(cè)的電流異常，而逆變器直流母線電壓正常，則多為逆變器主電路故障，即逆變電路的IGBT或箝位二極管發(fā)生短路或開路故障，此時(shí)逆變器必須停止運(yùn)行，自動(dòng)完成故障定位與相應(yīng)容錯(cuò)控制后再繼續(xù)運(yùn)行。本文提出的三電平NPC逆變器容錯(cuò)拓?fù)淇蓪?duì)逆變電路的故障器件定位至每一相的上、下橋臂，進(jìn)而為逆變電路的容錯(cuò)控制提供依據(jù)。為方便分析，以a相為例(b相、c相與a相類似)，設(shè)a相輸出電流為ia，母線中點(diǎn)輸出電流為io。
2.1短路故障定位
若Sa1與VDa1同時(shí)短路，Sa4與VDa2同時(shí)短路，Sa1—Sa4同時(shí)短路，即母線直流電容短路，短時(shí)間內(nèi)會(huì)燒毀部分或全部短路功率器件，從而將短路故障變?yōu)殚_路故障。a相各功率開關(guān)器件短路故障定位方法見表1。
表1 a相各功率開關(guān)器件短路故障定位方法
2.2開路故障定位
a相IGBT開路故障定位方法見表2。若Sa1與Sa2正常，則需測(cè)試VDa1是否開路；若VDa1開路，還需替換a相上橋臂。VDa1開路測(cè)試方法：先開通開關(guān)Sg1，Sg2，Sg-o，對(duì)電感L1預(yù)通電，使其完成儲(chǔ)能，再開通SaH，Sa-gH，Sa2，關(guān)斷Sg1，Sg2。若a相電流傳感器能夠檢測(cè)到相應(yīng)電流，則VDa1正常，否則a相上橋臂故障。同理，若Sa3與Sa4正常，則需測(cè)試VDa2是否開路，若VDa2開路，還需替換a相下橋臂。VDa2的測(cè)試方法與VDa1相似，只不過對(duì)L1預(yù)通電時(shí)應(yīng)該先開通Sg3，Sg4，SgH-gL。
表2 a相IGBT開路故障定位方法
3 各工作狀態(tài)下的容錯(cuò)拓?fù)?/h2>
3.1逆變器無故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
各開關(guān)的狀態(tài)：開關(guān)SaH，SbH，ScH，SaL，SbL，ScL，SgH-gL全部閉合；開關(guān)Sa-gH，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL全部斷開；雙向晶閘管Sg-o開通；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o全部關(guān)斷。逆變器無故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D3所示。
圖3 逆變器無故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若未檢測(cè)到逆變器故障，電路拓?fù)渑c參考文獻(xiàn)[3]提出的三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)湎嗤?，通過控制Sg1，Sg2同時(shí)導(dǎo)通或Sg3，Sg4同時(shí)導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器母線中點(diǎn)電壓的平衡控制，而且在開關(guān)周期開始時(shí)電流為零，由主橋臂切換至冗余橋臂是在零電流條件下進(jìn)行的，換相過程沒有開關(guān)損耗。
3.2單相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
以a相上橋臂故障為例，各開關(guān)的狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SaL，SbL，ScL，Sa-gH全部閉合；開關(guān)SaH，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關(guān)斷。單相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D4所示。
若通過前面提出的故障器件定位方法來確定任一相的上橋臂或下橋臂故障，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D4所示狀態(tài)，容錯(cuò)控制后逆變器無需降額運(yùn)行。
圖4 單相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
3.3單相上、下橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
各開關(guān)的狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SbL，ScL，Sa-gH，SgH-gL全部閉合；開關(guān)SaH，SaL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關(guān)斷。單相上、下橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D5所示。
圖5 單相上、下橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若通過前面提出的故障器件定位方法確定任一相的上橋臂和下橋臂故障，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D5所示狀態(tài)，容錯(cuò)控制后逆變器無需降額運(yùn)行。
3.4兩相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
以a相上橋臂，b相下橋臂故障為例，各開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SaL，ScL，Sa-gH，Sb-gL全部閉合；開關(guān)SaH，SbL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關(guān)斷。兩相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D6所示。
圖6 兩相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若確定逆變器其中一相的上橋臂、另一相的下橋臂均有故障器件，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D6所示狀態(tài)，容錯(cuò)控制后逆變器無需降額運(yùn)行。由于冗余橋臂只可同時(shí)替換一個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂，故若有兩相同時(shí)出現(xiàn)上橋臂故障或下橋臂故障，則冗余橋臂只可替換一個(gè)，另一個(gè)可參考三相故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法，將故障橋臂直接連接到逆變器直流母線中點(diǎn)，但此時(shí)逆變器需降額運(yùn)行。
3.5三相故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
以a相上橋臂、b相下橋臂、c相故障為例，各開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SaL，ScL，Sa-gH，Sb-gL全部閉合；開關(guān)SaH，SbL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sc-o導(dǎo)通；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sg-o全部關(guān)斷。三相故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D7所示。
圖7 三相故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若確定逆變器其中一相的上橋臂、另一相的下橋臂均有故障器件，剩余一相也有故障器件，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D7所示狀態(tài)。此時(shí)c相直接連接到逆變器直流母線中點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[6-8]對(duì)該故障容錯(cuò)方法進(jìn)行了研究，容錯(cuò)控制后逆變器控制時(shí)需調(diào)整a相、b相的相角，而且容錯(cuò)控制后逆變器應(yīng)降額運(yùn)行。
4 結(jié)語(yǔ)
提出了一種可實(shí)現(xiàn)半橋臂替換的三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)洌迷撏負(fù)涓淖儠r(shí)使用的開關(guān)器件可對(duì)逆變器短路或開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確
定位，從而為逆變器的容錯(cuò)控制提供依據(jù)。該容錯(cuò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了以下功能：含有一個(gè)冗余橋臂，若逆變器無故障，則通過對(duì)該冗余橋臂的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三電平NPC逆變器中點(diǎn)電壓平衡的控制；可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中出現(xiàn)故障的上橋臂和下橋臂分別進(jìn)行替換，也可實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋臂替換；若逆變器出現(xiàn)2個(gè)上橋臂或下橋臂同時(shí)故障，該容錯(cuò)拓?fù)淇赏ㄟ^容錯(cuò)控制保證逆變器繼續(xù)工作，但此時(shí)需要將其中一個(gè)故障橋臂的輸出接至逆變器直流母線中點(diǎn)，逆變器也需降額運(yùn)行；最多可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器三相出現(xiàn)故障時(shí)的容錯(cuò)控制，但逆變器需降額運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
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A fault-tolerance topology of three-level four-leg NPC inverter
QIU Shiguang,LI Siguang
(Department of Electrical Engineering,Binzhou University,Binzhou 256603,China)
In view of problem that it is difficult to accurately locate device failure of inverter,a fault tolerance topology of three-level four-leg NPC inverter was proposed.In the topology,short-circuit fault and open-circuit fault can be located accurately by switching device used when topology changes,so as to provide a basis for fault-tolerant control of inverter.The topology enables half-leg replacement,and can achieve fault-tolerant control of up to three inverter legs at the same time.
three-level inverter; fault-tolerant control; replacement of half-leg; four-leg
1671-251X(2016)10-0070-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.016
邱世廣，李思光.一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)鋄J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：70-73.
2016-06-14；
2016-08-22；責(zé)任編輯：胡嫻。
國(guó)家安全監(jiān)管總局2015安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(shandong-0056-2015AQ)；濱州學(xué)院青年人才創(chuàng)新工程科研基金項(xiàng)目(BZXYQNLG201204)。
邱世廣(1981-)，男，山東諸城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹懈邏鹤冾l器、多電平變換器，E-mail:qiusg1980@126.com。
TD608
A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 09:59
0引言
近年來，隨著電力電子器件制造技術(shù)的進(jìn)步和控制技術(shù)的發(fā)展，以三電平NPC逆變器為代表的多電平逆變器得到了越來越多的應(yīng)用。但由于應(yīng)用三電平逆變器的電力電子器件數(shù)目較兩電平逆變器多2倍，所以三電平逆變器的故障更多。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于逆變器的可靠性要求越來越高，因此，具有合適的容錯(cuò)控制技術(shù)對(duì)于多電平逆變器的應(yīng)用和推廣具有重要的意義。
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邱世廣，李思光
(濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州 256603)
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三電平逆變器；容錯(cuò)控制；半橋臂替換；四橋臂
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[1]提出了一種基于不對(duì)稱橋臂的三電平四橋臂容錯(cuò)拓?fù)?，冗余橋臂僅使用2只IGBT串聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)IGBT需獨(dú)立承擔(dān)整個(gè)直流母線電壓。參考文獻(xiàn)[2]提出一種三電平三橋臂容錯(cuò)控制方法，該方法將箝位二極管反并聯(lián)IGBT，若任一橋臂發(fā)生故障，可利用附加IGBT將故障相直接接到直流母線中點(diǎn)，但此時(shí)逆變器應(yīng)降額運(yùn)行。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種具有電感型冗余橋臂的容錯(cuò)拓?fù)?，該拓?fù)涞娜哂鄻虮墼诠收习l(fā)生前具有保證逆變器母線中點(diǎn)電壓平衡的作用，故障發(fā)生后，可直接利用冗余橋臂替換故障橋臂，但該方法僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)故障橋臂的替換。本文提出了一種三電平四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)洌撏負(fù)淇蓪?shí)現(xiàn)對(duì)逆變器故障橋臂的半橋臂替換，最多可對(duì)逆變器的3個(gè)橋臂同時(shí)進(jìn)行容錯(cuò)控制。
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1 三電平NPC逆變器主電路及容錯(cuò)拓?fù)?/h2>
1.1主電路
三電平NPC逆變器主電路如圖1所示，本文中的上、下橋臂均包含2只IGBT和1只箝位二極管，以a相為例，上橋臂包括Sa1，Sa2，VDa1，下橋臂包括Sa3，Sa4，VDa2。
圖1 三電平NPC逆變器主電路
三電平NPC逆變器的3種相輸出電壓對(duì)應(yīng)其每相的3種工作狀態(tài)。以a相為例，設(shè)直流母線電壓為Ud，若Sa1，Sa2同時(shí)導(dǎo)通，則a相輸出電壓為Ud；若Sa2，Sa3同時(shí)導(dǎo)通，則a相輸出電壓為Ud/2；若Sa3，Sa4同時(shí)導(dǎo)通，則a相輸出電壓為0。
1.2容錯(cuò)拓?fù)?/p>
三電平NPC逆變器四橋臂容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D2所示，其中a相、b相、c相為逆變器的3個(gè)主橋臂，g相為逆變器的冗余橋臂。開關(guān)SxH，SxL(x=a,b,c)分別用于故障時(shí)斷開逆變器各主橋臂的上、下橋臂；開關(guān)Sx-gH，Sx-gL分別用于故障時(shí)將各相輸出至冗余橋臂的上、下橋臂；晶閘管Sx-o用于故障時(shí)將逆變器各相接至直流母線中點(diǎn)，晶閘管Sg-o在逆變器無故障時(shí)開通；逆變器可通過冗余橋臂實(shí)現(xiàn)直流母線中點(diǎn)電壓平衡控制，開關(guān)SgH-gL用于將冗余橋臂上、下橋臂分開進(jìn)行故障替換。
圖2 三電平NPC逆變器四橋臂容錯(cuò)拓?fù)?/p>
2 逆變器故障定位
若檢測(cè)到逆變器三相輸出側(cè)的電流異常，而逆變器直流母線電壓正常，則多為逆變器主電路故障，即逆變電路的IGBT或箝位二極管發(fā)生短路或開路故障，此時(shí)逆變器必須停止運(yùn)行，自動(dòng)完成故障定位與相應(yīng)容錯(cuò)控制后再繼續(xù)運(yùn)行。本文提出的三電平NPC逆變器容錯(cuò)拓?fù)淇蓪?duì)逆變電路的故障器件定位至每一相的上、下橋臂，進(jìn)而為逆變電路的容錯(cuò)控制提供依據(jù)。為方便分析，以a相為例(b相、c相與a相類似)，設(shè)a相輸出電流為ia，母線中點(diǎn)輸出電流為io。
2.1短路故障定位
若Sa1與VDa1同時(shí)短路，Sa4與VDa2同時(shí)短路，Sa1—Sa4同時(shí)短路，即母線直流電容短路，短時(shí)間內(nèi)會(huì)燒毀部分或全部短路功率器件，從而將短路故障變?yōu)殚_路故障。a相各功率開關(guān)器件短路故障定位方法見表1。
表1 a相各功率開關(guān)器件短路故障定位方法
2.2開路故障定位
a相IGBT開路故障定位方法見表2。若Sa1與Sa2正常，則需測(cè)試VDa1是否開路；若VDa1開路，還需替換a相上橋臂。VDa1開路測(cè)試方法：先開通開關(guān)Sg1，Sg2，Sg-o，對(duì)電感L1預(yù)通電，使其完成儲(chǔ)能，再開通SaH，Sa-gH，Sa2，關(guān)斷Sg1，Sg2。若a相電流傳感器能夠檢測(cè)到相應(yīng)電流，則VDa1正常，否則a相上橋臂故障。同理，若Sa3與Sa4正常，則需測(cè)試VDa2是否開路，若VDa2開路，還需替換a相下橋臂。VDa2的測(cè)試方法與VDa1相似，只不過對(duì)L1預(yù)通電時(shí)應(yīng)該先開通Sg3，Sg4，SgH-gL。
表2 a相IGBT開路故障定位方法
3 各工作狀態(tài)下的容錯(cuò)拓?fù)?/h2>
3.1逆變器無故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
各開關(guān)的狀態(tài)：開關(guān)SaH，SbH，ScH，SaL，SbL，ScL，SgH-gL全部閉合；開關(guān)Sa-gH，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL全部斷開；雙向晶閘管Sg-o開通；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o全部關(guān)斷。逆變器無故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D3所示。
圖3 逆變器無故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若未檢測(cè)到逆變器故障，電路拓?fù)渑c參考文獻(xiàn)[3]提出的三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)湎嗤?，通過控制Sg1，Sg2同時(shí)導(dǎo)通或Sg3，Sg4同時(shí)導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器母線中點(diǎn)電壓的平衡控制，而且在開關(guān)周期開始時(shí)電流為零，由主橋臂切換至冗余橋臂是在零電流條件下進(jìn)行的，換相過程沒有開關(guān)損耗。
3.2單相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
以a相上橋臂故障為例，各開關(guān)的狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SaL，SbL，ScL，Sa-gH全部閉合；開關(guān)SaH，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關(guān)斷。單相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D4所示。
若通過前面提出的故障器件定位方法來確定任一相的上橋臂或下橋臂故障，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D4所示狀態(tài)，容錯(cuò)控制后逆變器無需降額運(yùn)行。
圖4 單相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
3.3單相上、下橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
各開關(guān)的狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SbL，ScL，Sa-gH，SgH-gL全部閉合；開關(guān)SaH，SaL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關(guān)斷。單相上、下橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D5所示。
圖5 單相上、下橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若通過前面提出的故障器件定位方法確定任一相的上橋臂和下橋臂故障，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D5所示狀態(tài)，容錯(cuò)控制后逆變器無需降額運(yùn)行。
3.4兩相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
以a相上橋臂，b相下橋臂故障為例，各開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SaL，ScL，Sa-gH，Sb-gL全部閉合；開關(guān)SaH，SbL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關(guān)斷。兩相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D6所示。
圖6 兩相半橋臂故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若確定逆變器其中一相的上橋臂、另一相的下橋臂均有故障器件，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D6所示狀態(tài)，容錯(cuò)控制后逆變器無需降額運(yùn)行。由于冗余橋臂只可同時(shí)替換一個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂，故若有兩相同時(shí)出現(xiàn)上橋臂故障或下橋臂故障，則冗余橋臂只可替換一個(gè)，另一個(gè)可參考三相故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法，將故障橋臂直接連接到逆變器直流母線中點(diǎn)，但此時(shí)逆變器需降額運(yùn)行。
3.5三相故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
以a相上橋臂、b相下橋臂、c相故障為例，各開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)：開關(guān)SbH，ScH，SaL，ScL，Sa-gH，Sb-gL全部閉合；開關(guān)SaH，SbL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sc-o導(dǎo)通；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sg-o全部關(guān)斷。三相故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D7所示。
圖7 三相故障時(shí)的容錯(cuò)拓?fù)?/p>
若確定逆變器其中一相的上橋臂、另一相的下橋臂均有故障器件，剩余一相也有故障器件，則容錯(cuò)拓?fù)淇晒ぷ饔趫D7所示狀態(tài)。此時(shí)c相直接連接到逆變器直流母線中點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[6-8]對(duì)該故障容錯(cuò)方法進(jìn)行了研究，容錯(cuò)控制后逆變器控制時(shí)需調(diào)整a相、b相的相角，而且容錯(cuò)控制后逆變器應(yīng)降額運(yùn)行。
4 結(jié)語(yǔ)
提出了一種可實(shí)現(xiàn)半橋臂替換的三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)洌迷撏負(fù)涓淖儠r(shí)使用的開關(guān)器件可對(duì)逆變器短路或開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確
定位，從而為逆變器的容錯(cuò)控制提供依據(jù)。該容錯(cuò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了以下功能：含有一個(gè)冗余橋臂，若逆變器無故障，則通過對(duì)該冗余橋臂的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三電平NPC逆變器中點(diǎn)電壓平衡的控制；可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中出現(xiàn)故障的上橋臂和下橋臂分別進(jìn)行替換，也可實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋臂替換；若逆變器出現(xiàn)2個(gè)上橋臂或下橋臂同時(shí)故障，該容錯(cuò)拓?fù)淇赏ㄟ^容錯(cuò)控制保證逆變器繼續(xù)工作，但此時(shí)需要將其中一個(gè)故障橋臂的輸出接至逆變器直流母線中點(diǎn)，逆變器也需降額運(yùn)行；最多可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器三相出現(xiàn)故障時(shí)的容錯(cuò)控制，但逆變器需降額運(yùn)行。
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A fault-tolerance topology of three-level four-leg NPC inverter
QIU Shiguang,LI Siguang
(Department of Electrical Engineering,Binzhou University,Binzhou 256603,China)
In view of problem that it is difficult to accurately locate device failure of inverter,a fault tolerance topology of three-level four-leg NPC inverter was proposed.In the topology,short-circuit fault and open-circuit fault can be located accurately by switching device used when topology changes,so as to provide a basis for fault-tolerant control of inverter.The topology enables half-leg replacement,and can achieve fault-tolerant control of up to three inverter legs at the same time.
three-level inverter; fault-tolerant control; replacement of half-leg; four-leg
1671-251X(2016)10-0070-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.016
邱世廣，李思光.一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯(cuò)拓?fù)鋄J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：70-73.
2016-06-14；
2016-08-22；責(zé)任編輯：胡嫻。
國(guó)家安全監(jiān)管總局2015安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(shandong-0056-2015AQ)；濱州學(xué)院青年人才創(chuàng)新工程科研基金項(xiàng)目(BZXYQNLG201204)。
邱世廣(1981-)，男，山東諸城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹懈邏鹤冾l器、多電平變換器，E-mail:qiusg1980@126.com。
TD608
A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 09:59
0引言
近年來，隨著電力電子器件制造技術(shù)的進(jìn)步和控制技術(shù)的發(fā)展，以三電平NPC逆變器為代表的多電平逆變器得到了越來越多的應(yīng)用。但由于應(yīng)用三電平逆變器的電力電子器件數(shù)目較兩電平逆變器多2倍，所以三電平逆變器的故障更多。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于逆變器的可靠性要求越來越高，因此，具有合適的容錯(cuò)控制技術(shù)對(duì)于多電平逆變器的應(yīng)用和推廣具有重要的意義。
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