面向復(fù)合故障的牽引逆變器四橋臂容錯控制

朱琴躍，管 蕾，譚喜堂，劉文龍，陶 靈

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

面向復(fù)合故障的牽引逆變器四橋臂容錯控制

朱琴躍，管 蕾，譚喜堂，劉文龍，陶 靈

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

針對牽引變流器中NPC型三電平逆變器在一相或兩相橋臂發(fā)生復(fù)合故障后的容錯控制問題，在給出三電平逆變器四橋臂容錯拓?fù)浼捌淇刂品绞降幕A(chǔ)上，通過分析逆變器主橋臂冗余矢量容錯能力，歸納出復(fù)合故障類型，并就不同類型故障提出相冗余與矢量冗余相結(jié)合的容錯控制策略，最終通過仿真建模對復(fù)合故障容錯控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，三電平逆變器兩相橋臂同時發(fā)生故障時可實(shí)現(xiàn)自動容錯，故障后系統(tǒng)仍可全額或降額持續(xù)運(yùn)行，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

三電平逆變器；復(fù)合故障；四橋臂拓?fù)?；容錯控制

目前，在高速動車組牽引傳動控制系統(tǒng)中，中點(diǎn)鉗位型 NPC（neutral point clamped）三電平逆變器憑借其功率管開關(guān)應(yīng)力低、拓?fù)漭^為穩(wěn)定以及諧波含量較少等優(yōu)勢已被廣泛用于牽引變流器的主體電路中。然而與兩電平相比，三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式都更為復(fù)雜，故其內(nèi)部器件發(fā)生故障的概率也大大增加，降低了列車安全運(yùn)行的可靠性。一般而言，在實(shí)際運(yùn)行過程中由于過壓、過流和過熱等情況導(dǎo)致牽引逆變器最易發(fā)生故障的部分主要為IGBT等開關(guān)器件［1］，而其故障類型則以開關(guān)管的開路和短路最為常見［2］。由于短路故障一般較難檢測，對其檢測通常可通過并聯(lián)熔絲等器件轉(zhuǎn)化為開路故障而進(jìn)行。因此，在牽引逆變器工作過程中如何快速而準(zhǔn)確地診斷開關(guān)管的開路故障并能在故障發(fā)生后采取有效的切換控制技術(shù)以確保系統(tǒng)維持基本穩(wěn)定運(yùn)行就顯得十分重要，其中開路故障后的容錯控制更是近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的研究問題。

迄今為止，眾多學(xué)者對NPC三電平逆變器的容錯控制進(jìn)行了研究，取得的成果主要如下：①基于逆變器自身冗余的空間電壓矢量進(jìn)行故障容錯控制［3-5］。該方法不需增加額外器件，成本較低，但由于故障后可用開關(guān)狀態(tài)數(shù)目減少，故在某些情況下系統(tǒng)需降額運(yùn)行甚至無法持續(xù)運(yùn)行。②重構(gòu)NPC逆變器拓?fù)涞娜蒎e控制。該方法需在系統(tǒng)中增加冗余器件，如利用雙向晶閘管來隔離故障橋臂［6］，或利用IGBT來代替每相橋臂上的二級管以增加空間電壓矢量狀態(tài)［7-8］，可有效避免容錯后系統(tǒng)的降額運(yùn)行，但卻使得一些半導(dǎo)體器件承受全部的直流母線電壓。③增加第4橋臂的容錯控制。該方法基于相冗余的思想實(shí)現(xiàn)硬件冗余容錯控制，即當(dāng)某一相中有器件發(fā)生故障時，第4橋臂可替換整個故障相，拓?fù)渲匦罗D(zhuǎn)化為一個標(biāo)準(zhǔn)的NPC三電平逆變器形式［9-11］。顯然，四橋臂的逆變器雖增加了成本，但卻避免了容錯后系統(tǒng)的降額運(yùn)行及器件承受高耐壓值的問題，目前來說是一個較為理想的容錯控制方案。然而，現(xiàn)有關(guān)于四橋臂容錯控制的研究主要針對于單相橋臂中單個器件發(fā)生故障的情況，而多相橋臂多個開關(guān)器件同時發(fā)生故障后的容錯控制還未見展開深入研究。

為此，本文主要研究應(yīng)用于牽引變流器中的NPC三電平逆變器部分在一相或兩相橋臂發(fā)生開路復(fù)合故障的情況下，如何通過構(gòu)建四橋臂拓?fù)?，并結(jié)合逆變器自身空間電壓矢量冗余，提出復(fù)合故障下逆變器的容錯控制策略，以期更大程度地提高動車組牽引變流器的可靠性。

1 逆變器四橋臂拓?fù)錁?gòu)建及主橋臂容錯能力分析

1.1 第四橋臂的控制

所構(gòu)建的三電平逆變器四橋臂拓?fù)淙鐖D1所示。其中大虛線框內(nèi)為a、b、c三相主橋臂，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，可使每相橋臂的相電壓輸出3種狀態(tài)，即正端電壓P、負(fù)端電壓N和中點(diǎn)零電位0。第4橋臂與3個主橋臂的構(gòu)成相同，通過電感連接到逆變器中點(diǎn)［12］。該橋臂的主要目的是保證當(dāng)主橋臂中某個IGBT發(fā)生故障時，可切換至故障相，使逆變器仍能持續(xù)運(yùn)行；當(dāng)正常無故障運(yùn)行時，該橋臂可通過注入中點(diǎn)的局部平均電流補(bǔ)償不平衡電流，平衡中點(diǎn)電壓，從而抑制低頻電壓波動［13］。具體原理分析如下。

假設(shè)直流側(cè)中點(diǎn)不平衡時流入或流出三相主橋臂的中點(diǎn)電流分別為，對其進(jìn)行加權(quán)求和后可得流入或流出中點(diǎn)的局部平均電流為，具體可表示為

式中：dx為相x（x={a,b,c}）與中點(diǎn)相連時標(biāo)準(zhǔn)化的占空比；-為一個開關(guān)周期內(nèi)相x的局部平均電流。

圖1 三電平逆變器四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of three-level four-leg inverter

式中：Ts為采樣或開關(guān)周期；vC2為直流側(cè)電容C2兩端電壓的實(shí)際測量值；Vdc為直流側(cè)電壓。

表1 第4橋臂的開關(guān)狀態(tài)Tab.1 Switch state of the fourth-leg

圖2 1個開關(guān)周期內(nèi)第4橋臂波形Fig.2 Currentwaveform of the fourth leg during one switching period

由圖2可進(jìn)一步求得1個開關(guān)周期TS內(nèi)的iL為

1.2 主橋臂容錯能力分析

在系統(tǒng)正常工作的情況下，第4橋臂作為冗余相平衡直流側(cè)中點(diǎn)電位，其他3個主橋臂正常工作，每相均可以輸出3種狀態(tài)（P、N、0）的電壓，共可輸出33=27種狀態(tài)組合，每種開關(guān)狀態(tài)組合對應(yīng)一個空間電壓矢量，如圖3所示。

正常工作時，在α-β二維平面的全部27個空間電壓矢量如圖3（a）所示。從圖3（a）中可以看出，空間電壓矢量組存在一定的冗余性，當(dāng)某些矢量組合因故障而損失后，可利用冗余矢量進(jìn)行容錯控制，充分發(fā)揮逆變器自身的容錯能力。以a相橋臂上不同器件開路故障為例分析逆變器三相主橋臂自身的容錯能力。當(dāng)外橋臂開關(guān)器件如（Sa1）發(fā)生故障時，A相橋臂無法輸出P狀態(tài)，此時圖3（b）所示陰影覆蓋面積為無法合成矢量區(qū)域，則可合成的空間電壓矢量的范圍減小到中間小正六邊形區(qū)域內(nèi)，幅值降低一半，即故障后系統(tǒng)可以降額運(yùn)行。同樣，當(dāng)中間箝位二極管（如Da1）發(fā)生開路故障時，矢量圖如圖3（c）所示，故障后系統(tǒng)依然可以全額運(yùn)行。然而當(dāng)內(nèi)橋臂開關(guān)器件（如Sa2）發(fā)生故障時，從圖3（d）可以看出，陰影部分覆蓋大部分面積，逆變器將無法繼續(xù)合成旋轉(zhuǎn)矢量［14］。

將這3種故障總結(jié)為3種類型，不同情況下逆變器的容錯能力如表2所示。由表2可知，逆變器自身的冗余矢量對于不同故障狀態(tài)的容錯能力是不同的。按照容錯能力，將故障分為輕度故障、中度故障和重度故障。通過故障檢測技術(shù)加以判斷，盡可能只在輕度故障和中度故障情況下利用冗余電壓空間矢量進(jìn)行容錯控制；而對于重度故障的情況，則可以利用第4橋臂替換故障相的方式來進(jìn)行容錯控制。

圖3 NPC三電平逆變器不同情況下的空間矢量Fig.3 Space vectors of three-level NPC inverter under different conditions

表2 不同故障時3個主橋臂容錯能力Tab.2 Summary of fault-tolerant ability of three main legs with different kinds of fault

2 三電平逆變器復(fù)合故障分析及容錯控制策略

2.1 復(fù)合故障分析

在逆變器運(yùn)行過程中，如果其單個開關(guān)器件或二極管發(fā)生故障，則利用第4橋臂直接替換故障相橋臂。而當(dāng)逆變器中2個開關(guān)器件同時發(fā)生故障時，需要就不同的故障類型采取不同容錯控制方式。

根據(jù)以上分析，可能出現(xiàn)的復(fù)合故障類型如下：①故障類型1，兩故障器件位于同一相橋臂；②故障類型2~7，兩故障器件位于不同相橋臂，故障類型如表3所示，表中■表示其中一相發(fā)生對應(yīng)級別的故障。

以a、b兩相橋臂發(fā)生復(fù)合故障為例，故障類型1～7所對應(yīng)的開路故障器件分別可以為：Sa1、Sa2，Da1、Db1，Sa1、Sb1，Sa2、Sb2，Da1、Sb1，Da1、Sb2，Sa1、Sb2。

表3 兩故障器件位于不同相橋臂時的故障類型Tab.3 Fault types of the situation that the two faults are happened in different legs

圖4 三電平逆變器四橋臂容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Four-leg fault-tolerant topology of three-level inverter

2.2 容錯拓?fù)浼捌淇刂撇呗?/p>

2.2.1 容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖1所示四橋臂拓?fù)潆娐分性鲈O(shè)接觸器R1、Rx1和Rx2（x={a,b,c}）所形成的容錯拓?fù)淙鐖D4所示，基于此便可實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生時的拓?fù)渲貥?gòu)，以實(shí)現(xiàn)故障橋臂的容錯替換。重構(gòu)過程如下。

假設(shè)相x（x={a,b,c}）中某一開關(guān)器件發(fā)生開路故障，則斷開接觸器Rx1，使故障橋臂與整個拓?fù)鋽嚅_；若斷開接觸器R1，則將第4橋臂通過電感連接到直流側(cè)中點(diǎn)的支路斷開，此時電感電流iL被切斷，不再具有平衡中點(diǎn)電位的作用；若閉合接觸器Rx2，則以第4橋臂替換斷開的故障橋臂，同時用故障橋臂的控制信號替換四橋臂原本的控制信號，此時負(fù)載電流ix通過接觸器Rx2流向直流側(cè)中點(diǎn)。

然而，重構(gòu)后拓?fù)鋵⒉辉贀碛兄悬c(diǎn)電壓平衡能力，直流側(cè)電容中點(diǎn)將會發(fā)生低頻電壓波動。如果第4橋臂中出現(xiàn)IGBT故障，則可使此橋臂停止工作，逆變器將保持標(biāo)準(zhǔn)NPC逆變器結(jié)構(gòu)持續(xù)工作。另外，由于短路故障較難檢測，故障后對系統(tǒng)的破壞較為嚴(yán)重，通常采取并聯(lián)如熔絲等器件將短路故障轉(zhuǎn)化為開路故障，故本文的容錯控制方法均針對開路故障而言。

2.2.2 容錯控制策略

當(dāng)逆變器發(fā)生復(fù)合故障后，系統(tǒng)將選擇不同方式進(jìn)行容錯控制。對于復(fù)合故障類型1，直接采用第4橋臂替換故障相，便可持續(xù)全額運(yùn)行。對于后6種復(fù)合故障類型故障分布在兩相橋臂上，考慮到對不同故障等級逆變器主橋臂的容錯能力不同，為盡可能保持系統(tǒng)全額持續(xù)運(yùn)行，選擇將相對較重的故障相采用第4橋臂替換，相對較輕的相采用冗余矢量容錯。如圖5所示，矢量冗余控制優(yōu)先從左邊選取，第4橋臂替換優(yōu)先從右邊選取。

對后6種復(fù)合故障情況進(jìn)行容錯控制之后，系統(tǒng)的運(yùn)行情況及容錯控制方式如下：

圖5 復(fù)合故障容錯控制策略Fig.5 Fault-tolerant control strategy for the composite fault

（1）容錯控制后系統(tǒng)全額運(yùn)行。對應(yīng)復(fù)合故障類型2、5、6，具體方式為對發(fā)生輕度故障的相進(jìn)行矢量冗余容錯，另外一相采用第4橋臂替換，容錯后系統(tǒng)依然可以全額運(yùn)行。例如：a相橋臂的鉗位二極管發(fā)生開路故障，b相為內(nèi)橋臂開關(guān)器件發(fā)生故障（Da1，Sb2發(fā)生故障），則需對a相采取矢量冗余容錯，對b相采用第4橋臂替換。

（2）容錯控制后系統(tǒng)降額運(yùn)行。對應(yīng)復(fù)合故障類型3、7，具體方式為對發(fā)生中度故障的相進(jìn)行矢量冗余容錯，另外一相采用第4橋臂替換。容錯后系統(tǒng)雖無法全額運(yùn)行，但依然可以保證持續(xù)運(yùn)行。例如：a相橋臂的內(nèi)橋臂開關(guān)器件發(fā)生開路故障，b相為外橋臂開關(guān)器件發(fā)生故障 （Sa2,Sb1發(fā)生故障），則需對b相采取矢量冗余容錯，對a相采用第四橋臂替換。

（3）系統(tǒng)無法運(yùn)行。對應(yīng)復(fù)合故障類型4，即使利用第4橋臂替換其中的一相主橋臂，另一相橋臂依然無法依靠自身的冗余矢量實(shí)現(xiàn)容錯，因此系統(tǒng)無法持續(xù)運(yùn)行，需要采取其他方式對拓?fù)溥M(jìn)行重構(gòu)。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述所提容錯控制策略的有效性，本文針對CRH2A型動車組牽引變流器的逆變器部分基于Matlab軟件搭建了三電平四橋臂容錯拓?fù)淇刂品抡婺Ｐ停?5，16］。模型中主電路拓?fù)浼捌淇刂撇呗砸约胺抡鎱?shù)均與牽引逆變器實(shí)際系統(tǒng)基本一致，且為便于觀察仿真輸出結(jié)果，采用了理想的阻感性負(fù)載。具體仿真參數(shù)為：中間直流電壓Vdc=3 000 V，中間支撐電容C1=C2=4.25 mF，中點(diǎn)電感L=0.375 mH，阻感性負(fù)載的電阻和電感分別為5 Ω和12 mH，開關(guān)頻率fs=5 kHz，三相輸出電壓基頻為50 Hz。

3.1 單相橋臂故障容錯仿真分析

當(dāng)故障發(fā)生在單相橋臂上時，為保證逆變器的全額運(yùn)行，直接采用第四橋臂替換故障相。以外橋臂開關(guān)器件Sb1開路故障為例，假設(shè)系統(tǒng)在t=0.02 s時發(fā)生故障，t=0.04 s進(jìn)行容錯，則輸出線電壓、負(fù)載電流仿真波形如圖6所示。

圖6 單相故障容錯控制仿真波形Fig.6 Simulation waveforms with fault-tolerant control of single-phase fault

由圖可知，當(dāng)t=0.02 s發(fā)生故障后輸出波形產(chǎn)生畸變；而當(dāng)t=0.04 s時系統(tǒng)利用第四橋臂代替故障橋臂實(shí)現(xiàn)容錯控制，此時系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€標(biāo)準(zhǔn)三橋臂的NPC逆變器，因此系統(tǒng)重新全額運(yùn)行，輸出電壓及電流波形均恢復(fù)正常狀態(tài)。

3.2 兩相橋臂故障容錯仿真分析

（1）容錯后系統(tǒng)全額運(yùn)行。假設(shè)逆變器兩相故障橋臂中至少有一相為輕度故障。以復(fù)合故障類型6：a相的鉗位二極管開路故障，b相的內(nèi)橋臂開關(guān)器件Da1，Sb2開路故障為例進(jìn)行仿真，故障后a相利用自身冗余矢量進(jìn)行容錯，b相橋臂利用第4橋臂替換。假設(shè)系統(tǒng)在t=0.02 s時發(fā)生故障，t=0.04 s進(jìn)行容錯，則仿真波形如圖7所示。

由圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生復(fù)合故障且其中一相為輕度故障后，電壓及電流波形均發(fā)生較為嚴(yán)重的畸變，然而當(dāng)t=0.04 s進(jìn)行自動容錯控制后，系統(tǒng)依然可以全額運(yùn)行。

圖7 復(fù)合故障全額運(yùn)行容錯控制仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of composite fault with fault-tolerant in full operation

（2）容錯后系統(tǒng)降額運(yùn)行。兩相故障橋臂中均沒有輕度故障，至少有一相中度故障。以復(fù)合故障類型3：a相的外橋臂開關(guān)器件開路故障，b相為外橋臂開關(guān)器件Sa1，Sb1發(fā)生故障為例進(jìn)行仿真，則故障后a相利用自身冗余矢量進(jìn)行容錯，b相橋臂利用第4橋臂替換，則仿真波形如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)t=0.04 s進(jìn)行自動容錯后，系統(tǒng)可以降額運(yùn)行，輸出電壓和負(fù)載電流的幅值均降低為正常運(yùn)行情況下的一半。

圖8 復(fù)合故障降額運(yùn)行容錯控制仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of composite fault with fault-tolerant control in derate operation

3.3 直流側(cè)中點(diǎn)電位波動仿真

圖9所示為t=0.04 s時第4橋臂直接替換故障橋臂后逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電壓波動情況。

顯然，由圖可以看出，第4橋臂替換后，原本抑制直流側(cè)中點(diǎn)波動的作用不再有效，中點(diǎn)電位波動顯著增加，可知系統(tǒng)正常運(yùn)行時，第4橋臂起到了平衡中點(diǎn)電位的作用，與理論分析相吻合。

圖9 第4橋臂替換后中點(diǎn)電位波動Fig.9 Neutral point voltage fluctuation with the replacement of the fourth-leg

4 結(jié)論

（1）逆變器正常運(yùn)行情況下，第4橋臂拓?fù)浼翱刂品绞接行б种屏四孀兤髦绷鱾?cè)中點(diǎn)電位波動，為主橋臂提供了可靠的鉗位點(diǎn)。

（2）逆變器發(fā)生復(fù)合故障時，所提容錯方案將冗余相與冗余矢量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)容錯效果。在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，較大程度上解決了復(fù)合故障的容錯問題。

（3）通過Matlab仿真驗(yàn)證了所提控制策略的正確性。當(dāng)逆變器復(fù)合故障發(fā)生在不同橋臂上時，通過容錯控制可使系統(tǒng)持續(xù)全額或降額運(yùn)行。

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Four-leg Fault-tolerant Control of Traction Inverter for Composite Fault

ZHU Qinyue,GUAN Lei,TAN Xitang,LIU Wenlong,TAO Ling
（School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China）

For the problem of fault-tolerant control when the composite fault occurs in one or two phase of NPC three-level traction inverter,the four-leg fault-tolerant topology and its control mode of the three-level inverter is presented.On analyzing the fault-tolerant ability of three main legs with their redundant vectors,the composite fault of invert is classified.And the corresponding fault-tolerant control strategy with the combination of redundant vector and redundant phase is also put forward for the different types of fault.Finally,a simulation is built to verify the validity of the control strategy hereof.The result shows that the fault-tolerant control could be put into the inverter system automatically when the fault happens on two phase simultaneously.And after that,the inverter could keep running in full or derate operation,which means the control strategy above is effective.

three-level inverter;composite fault;four-leg topology;fault-tolerant control

朱琴躍

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.059

TM 464

A

朱琴躍（1970-），女，博士，副教授，研究方向：電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，電力電子控制技術(shù)，E-mail:zqymelisa@ #edu.cn。

管蕾（1993-），女，通信作者，碩士研究生，研究方向：電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，電力電子控制技術(shù)，E-mail：18817 871203@163.com。

譚喜堂（1969-），男，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)仿真與控制，電力牽引與傳動控制，E-mail:xttan@#edu.cn。

劉文龍（1993-），男，碩士研究生，研究方向：電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，電力電子控制技術(shù)，E-mail：1252766@tong ji.edu.cn。

陶靈（1994-），女，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)仿真與控制，電力牽引與傳動控制，E-mail：18817871062@163.com。

2016-11-29