器件共享型三電平逆變器容錯控制

朱琴躍， 徐璟然， 譚喜堂， 李大荃， 黃修晗

(同濟大學 電子與信息工程學院, 上海 201804)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，多電平變流器在我國高速電氣化鐵路、城市軌道交通和新能源電動汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，其中有源中點鉗位型(ANPC)多電平逆變器因其性能穩(wěn)定、對損耗的平衡控制更加靈活等優(yōu)點已逐漸成為多電平逆變器的主流[3]。與其它傳統(tǒng)的如中點鉗位型(neutral point clamped，NPC)等多電平逆變器相比，由于在相同電平下ANPC逆變器的功率開關(guān)器件數(shù)目較多，系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也相對較高；若發(fā)生故障后不能及時處理，將影響整個電路的安全運行，甚至造成不可估量的損失。據(jù)統(tǒng)計，變流器中最易發(fā)生故障的是IGBT等功率開關(guān)器件[4]，其故障主要表現(xiàn)為開路和短路。而在實際應(yīng)用中，通常在IGBT兩側(cè)串聯(lián)快速熔斷器，當IGBT出現(xiàn)短路故障后會斷開電路轉(zhuǎn)化為開路故障。因此ANPC多電平逆變器運行過程中，如何對IGBT開路故障采取有效的容錯控制方法，以確保系統(tǒng)維持基本穩(wěn)定運行已成為近年來國內(nèi)外學者關(guān)注的問題。

目前，針對NPC三電平逆變器硬件冗余型容錯控制的研究較多，主要成果集中在開關(guān)冗余型、相冗余型兩方面。開關(guān)冗余型利用逆變器基本拓撲的冗余電壓矢量進行容錯控制[5-6]，不需要增加額外的開關(guān)管，成本較低；但由于故障后的冗余空間矢量較少，只能容錯特定類型的故障，其它類型的故障則需要降額運行。相冗余型則通過額外增加一個三電平橋臂實現(xiàn)容錯，當電路的某相橋臂出現(xiàn)故障時，用來替換故障相運行[7-8]，因而能夠?qū)蝹€橋臂內(nèi)的任意故障進行容錯且不會降額運行；但是所需功率開關(guān)管數(shù)量和成本會明顯增加，并且面對多橋臂故障時容錯能力不足。

相比于此，基本ANPC三電平逆變器憑借自身拓撲結(jié)構(gòu)的特點，通過合理控制鉗位IGBT的通斷，使逆變器具有一定的開路故障容錯能力，但對同一橋臂內(nèi)發(fā)生多個開關(guān)管開路故障的容錯能力有限，且容錯開關(guān)管承受的電壓有所升高[9-10]。針對此，Anderson V. Rocha提出了自愈型容錯拓撲[11]，通過在輸出端增加雙刀雙擲開關(guān)，利用橋臂自身冗余資源對橋臂內(nèi)發(fā)生的多種故障進行容錯，且不影響其他橋臂的正常工作。然而冗余器件的增加，一方面提高了逆變器控制的復雜性，另一方面增加了其體積和成本；同時非故障時多個IGBT處于閑置狀態(tài)，功率器件利用率低。

上述硬件冗余型容錯拓撲必須匹配相應(yīng)的容錯控制算法才能實現(xiàn)整個容錯過程，現(xiàn)有容錯控制策略為了簡化控制過程，往往先離線建立特定故障類型與其對應(yīng)的容錯拓撲重構(gòu)算法和PWM控制策略間的映射關(guān)系表[12-14]，供容錯控制時查表獲取相關(guān)信息，實現(xiàn)拓撲重構(gòu)和容錯運行。該方法雖然實現(xiàn)成本低，使用方便，但一旦系統(tǒng)發(fā)生非預期故障時便極有可能失去容錯能力，甚至會對系統(tǒng)造成破壞性后果。

為此，本文提出器件共享型ANPC三電平逆變器容錯拓撲，在對多類復雜故障進行容錯控制的基礎(chǔ)上，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本；同時為解決現(xiàn)有離線容錯控制算法對非預期復雜故障容錯能力較弱的問題，提出一種基于組合邏輯的自適應(yīng)容錯控制算法，根據(jù)故障類型和故障位置實時獲得合適的容錯控制所需的信息，實現(xiàn)容錯控制；最后，通過仿真與實驗驗證本文所提容錯拓撲及控制算法的正確性和有效性。

1 器件共享型ANPC拓撲的設(shè)計

1.1 器件共享型容錯拓撲的提出

所提出的ANPC三電平逆變器容錯拓撲主要基于器件共享的思想，使逆變器經(jīng)過重構(gòu)后實現(xiàn)同一個功率器件承擔兩相甚至是三相電流負荷的功能，以使逆變器在實現(xiàn)容錯的同時，減少閑置器件的數(shù)量。相應(yīng)容錯拓撲如圖1所示，其中虛線框內(nèi)是A相橋臂，與之關(guān)聯(lián)(B相橋臂)的重構(gòu)器件在圖中已用淺色點劃線框標出。

由圖1可知，器件共享型拓撲在基本ANPC拓撲基礎(chǔ)上，每相增設(shè)拓撲重構(gòu)開關(guān)器件：一個雙刀雙擲開關(guān)Sk、兩個雙向晶閘管Tku和Tkd以及兩個單向晶閘管Sku、Skd，k=a,b,c。各重構(gòu)開關(guān)器件的作用為：

圖1 器件共享型ANPC逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Fault-tolerant topology of the device-sharing ANPC inverter

雙刀雙擲開關(guān)用于在橋臂發(fā)生內(nèi)管故障后切換每相主橋臂內(nèi)管與箝位管在相輸出中的位置。以A相橋臂為例，雙刀雙擲開關(guān)用于選擇A相輸出位置：當開關(guān)Sa的動頭處在位置“1”時，功率器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4作為主橋臂，功率器件Ta5、Ta6起到鉗位作用；當開關(guān)Sa的動頭處在位置“2”時，功率器件Ta1、Ta4、Ta5、Ta6作為主橋臂，功率器件Ta2、Ta3起到鉗位作用。

雙向晶閘管用于在橋臂發(fā)生外管故障后將其他兩相的外管作為冗余器件代替故障外管。以B相外管與A相外管的連接為例，如圖1中點劃線框標注的重構(gòu)關(guān)聯(lián)器件所示，Tb1和Tb4為B相主橋臂外管，分別通過Tau、Tbu和Tad、Tbd與A相外管并聯(lián)；當A相外管發(fā)生開路故障時，B相外管可作為備用功率器件承擔A相外管的作用，提供A相電流通路。

與主橋臂內(nèi)管并聯(lián)的單向晶閘管用于在發(fā)生嚴重內(nèi)管故障的情況下對故障內(nèi)管進行隔離，避免在發(fā)生復雜相間多管故障時降額運行。

顯然，該拓撲同時利用三相相同位置的開關(guān)管互為冗余器件，相比于自愈型ANPC容錯拓撲每相橋臂均少用了2個IGBT，在降低成本縮小體積的同時，提高了功率器件的利用率；同時，在不降低系統(tǒng)輸出性能或少量降低輸出性能的情況下，能夠?qū)喂荛_路、雙管開路以及相間多管開路等復合故障進行容錯，具有更好的復合故障容錯能力。

1.2 容錯拓撲重構(gòu)方法

根據(jù)同時發(fā)生開路故障的IGBT數(shù)目及位置，將故障分為單管故障、相內(nèi)雙管故障、相間多管故障三類，下面闡述各類故障的容錯拓撲重構(gòu)方法。

1.2.1 單管故障拓撲重構(gòu)

以A相橋臂為例，根據(jù)其單管開路故障發(fā)生位置的不同，可分為外管、內(nèi)管和鉗位管故障三類，相應(yīng)的拓撲重構(gòu)示意分別如圖2(a)、(b)、(c)所示，其中實線和虛線分別表示拓撲重構(gòu)后故障橋臂輸出正電平“P”和零電平“O”的電流通路。

圖2 A相單管故障容錯拓撲重構(gòu)圖Fig.2 Fault-tolerant reconfiguration figure of the single-device fault in phase A

重構(gòu)方法如下：若A相橋臂外管Ta1發(fā)生開路故障，觸發(fā)雙向晶閘管Tau和Tbu導通，使B相外管Tb1作為冗余器件替代Ta1構(gòu)成A相正向“P”電平的電流通路，將原本Ta1的觸發(fā)信號作用于Tb1即可實現(xiàn)容錯運行。此情形下，由于經(jīng)由Tb1可同時在A相和B相輸出“P”電平，為避免B相輸出“P”電平而A相輸出非“P”電平時兩相相互影響，此時可限定A相只能使用Ta6和Ta3來輸出“O”電平，而當A相輸出“N”電平時則無影響。

若A相橋臂內(nèi)管Ta2發(fā)生開路故障，控制雙刀雙擲開關(guān)Sa的兩個動頭均切換到位置“2”，鉗位管Ta5、Ta6替換Ta2、Ta3變成主橋臂內(nèi)管，Ta2、Ta3轉(zhuǎn)變?yōu)殂Q位管，這樣可利用Ta3為零電平“O”的輸出提供通路。

若A相橋臂鉗位管Ta5發(fā)生開路故障，控制雙刀雙擲開關(guān)Sa、2個雙向晶閘管Tau和Tad均不動作，采用基本NPC三電平逆變器的控制策略保持正常電壓輸出。

由此可見，當逆變器發(fā)生單管故障時，只需進行簡單的拓撲重構(gòu)即可完成容錯，重構(gòu)后調(diào)制策略需發(fā)生一定改變。

1.2.2 相內(nèi)雙管故障拓撲重構(gòu)

ANPC三電平逆變器單相橋臂中共有6個IGBT，當有兩個功率開關(guān)同時發(fā)生故障時，考慮到開關(guān)位置的對稱性及容錯后運行狀態(tài)，可將單相橋臂的雙管故障分為五類。仍以A相為例，其雙管故障類型如表1所示，不同類型故障的拓撲重構(gòu)方法如下：

表1 A相雙管故障分類

若發(fā)生①類、②類和③類故障時，根據(jù)上述單管故障的重構(gòu)方法，觸發(fā)相應(yīng)的雙刀雙擲開關(guān)或雙向晶閘管動作即可完成拓撲重構(gòu)，使逆變器恢復正常輸出。需要注意的是，當發(fā)生②類故障時，由于特定的功率器件在拓撲重構(gòu)后將在兩相間共享使用，為防止出現(xiàn)直通現(xiàn)象短接直流母線電容，需將故障相退化為兩電平輸出，其余兩相仍維持三電平輸出。而當發(fā)生①類和③類故障時，容錯控制方式與單相外管發(fā)生故障時一致，即使用與故障外管不相鄰的兩個內(nèi)管來輸出“O”電平。

若發(fā)生④類故障時，如A相內(nèi)管Ta5、Ta6同時發(fā)生故障，故障A相橋臂退化為基本NPC結(jié)構(gòu)，此時A相采用NPC基本控制策略，便可使其維持正常三電平輸出。

若發(fā)生⑤類故障中的Ta2和Ta6同時開路故障，此時不管如何切換開關(guān)Sa，主橋臂總會存在一個故障內(nèi)管，只能輸出“P”電平或“O”電平的一種，無法正常輸出電平，其空間電壓矢量分布如圖3所示。由此可見，該矢量序列將無法構(gòu)成圓形磁鏈對三相對稱負載進行控制。為避免采用傳統(tǒng)容錯控制方法使故障相輸出持續(xù)零電平并通過調(diào)整控制策略來實現(xiàn)降額運行，針對該類故障通過控制與主橋臂內(nèi)管并聯(lián)的單相可控晶閘管動作，實現(xiàn)拓撲重構(gòu)后仍能實現(xiàn)三電平輸出。相應(yīng)的拓撲重構(gòu)方法為：保持雙刀雙擲開關(guān)Sa不動作，觸發(fā)與Ta2并聯(lián)的單向晶閘管Sau導通，將原本開路的Ta2單向短路，從而維持三電平輸出。相應(yīng)的拓撲重構(gòu)示意如圖4所示，圖中實線路徑為續(xù)流管Da2和單向晶閘管Sau構(gòu)成的“P”電平雙向電流通路，虛線路徑為“O”電平的雙向電流通路，點劃線路徑為“N”電平的雙向電流通路。

圖3 Ta2、Ta6雙管故障空間矢量分布圖Fig.3 Space vector distribution of double-device fault Ta2、Ta6

圖4 Ta2、Ta6雙管故障拓撲重構(gòu)圖Fig.4 Topology reconstruction of double-device fault Ta2、Ta6

由此可見，上述①～④類雙管故障容錯后的故障橋臂可工作于三電平或兩電平狀態(tài)，調(diào)制比不降低，且每個IGBT只需承受Ud/2的電壓。而⑤類故障發(fā)生后，若橋臂外管的耐壓值具有一定的裕量，則容錯后能在不降低調(diào)制比和不降額的條件下實現(xiàn)三電平運行，此時橋臂外管的耐壓值將從Ud/2提高到Ud；否則可控制開關(guān)Sa的兩個動頭分別處在同側(cè)位置“1”和位置“2”，控制A相持續(xù)輸出“O”電平，實現(xiàn)降額運行。

1.2.3 相間多管故障拓撲重構(gòu)

此類故障可等效為多個單管故障和雙管故障的復合，采用前文所提方法，同時利用三相ANPC固有的互相冗余便能進行拓撲重構(gòu)，實現(xiàn)有效的容錯控制。

但若出現(xiàn)一種特殊故障情況，即當單相橋臂有3個及以上開關(guān)管同時發(fā)生故障，部分故障拓撲已經(jīng)失去容錯能力，可通過雙刀雙擲開關(guān)將故障相輸出直接與直流母線中點相連，實現(xiàn)降額運行。

如圖5所示，若A相內(nèi)管Ta1、Ta2、Ta6同時發(fā)生開路故障時，橋臂不能正常工作，空間電壓矢量分布如圖6所示。此時，可控制雙刀雙擲開關(guān)Sa動頭位置進行切換，將A相輸出端直接與直流母線中點相連，使故障相恒定輸出“O”電平，實現(xiàn)降額運行。容錯重構(gòu)后空間電壓矢量分布如圖7所示，其中虛線圓為降額后空間電壓矢量軌跡。

圖5 Ta1、Ta2、Ta6同時故障拓撲重構(gòu)圖Fig.5 Topology reconstruction of device fault Ta1、Ta2、 Ta6

圖6 Ta1、Ta2、Ta6同時故障空間矢量分布圖Fig.6 Space vector distribution of device fault Ta1、Ta2、Ta6

圖7 A相降額運行后的空間矢量分布圖Fig.7 Space vector distribution of derating operation in phase A

2 自適應(yīng)容錯控制算法

由上述分析可知，針對不同故障類型，需采用不同的容錯拓撲重構(gòu)方法。由于傳統(tǒng)離線控制算法主要采用針對不同故障類型建立對應(yīng)的容錯拓撲重構(gòu)算法和PWM控制策略間的映射關(guān)系表，當面向多相多管復合故障時，由于各種故障類型的組合多達上千種，由此建立的映射表規(guī)模龐大；且對一些非預期故障根本無法進行容錯。為此，提出了一種基于組合邏輯的自適應(yīng)容錯控制算法。如圖8所示，該算法主要包括拓撲重構(gòu)開關(guān)信號生成模塊、容錯控制開關(guān)狀態(tài)表生成模塊和PWM輸出控制模塊三部分。根據(jù)不同故障類型和故障位置，實時求解并獲得合適的容錯重構(gòu)開關(guān)驅(qū)動控制信息，生成有效的容錯控制開關(guān)狀態(tài)表，繼而輸出PWM控制信號，實現(xiàn)故障的實時容錯控制。

圖8 自適應(yīng)容錯控制算法結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of adaptive fault-tolerant control algorithm

下面將闡述各個模塊的算法設(shè)計及原理。為便于描述和分析，以下符號和變量將在下文被使用：

Fkp：第k相第p個IGBT開關(guān)管故障標志位，1為發(fā)生故障，0為正常。

Ck1、Ck2：第k相雙刀雙擲開關(guān)的動頭1、2的動作信號，1為動頭處于位置2，0為動頭處于位置1。

Bku、Bkd：第k相上、下兩個雙向晶閘管驅(qū)動信號，1為驅(qū)動導通，0為驅(qū)動關(guān)斷。

Dku、Dkd：第k相上、下兩個單向晶閘管的驅(qū)動信號，1為驅(qū)動導通，0為驅(qū)動關(guān)斷。

FTkp：重構(gòu)拓撲中第k相第p個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，1為導通，0為關(guān)斷。

STkp：等效的ANPC標準拓撲中第k相第p個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，1為導通，0為關(guān)斷。

為了便于討論和表達，規(guī)定k的取值為0、1、2、3、4，分別表示C相、A相、B相、C相、A相，例如k=1表示A相，則k-1表示C相，k+1表示B相；p=1,2,3,4,5,6。

2.1 拓撲重構(gòu)開關(guān)信號生成模塊

該模塊主要根據(jù)故障類型和故障位置生成容錯拓撲重構(gòu)方案，計算求解出拓撲重構(gòu)開關(guān)所需的觸發(fā)動作信號，以實現(xiàn)逆變器拓撲重構(gòu)。重構(gòu)開關(guān)信號共有三類：雙刀雙擲開關(guān)動作信號、雙向晶閘管和單向晶閘管驅(qū)動信號。其中雙刀雙擲開關(guān)的動作信號根據(jù)內(nèi)管故障情況而定，雙向晶閘管的驅(qū)動信號根據(jù)外管故障情況而定，單向晶閘管的驅(qū)動信號則由復雜多內(nèi)管故障情況而定，不同的故障類型有可能求解出相同的拓撲重構(gòu)方案。三類開關(guān)動作信號邏輯的推導與求解過程如下。

2.1.1 雙刀雙擲開關(guān)動作信號求解

雙刀雙擲開關(guān)的動作信號僅與內(nèi)管故障有關(guān)。用FIMk=Fk2+Fk3表示k相主橋臂內(nèi)管是否發(fā)生故障，用FICk=Fk5+Fk6表示k相鉗位內(nèi)管是否發(fā)生故障，其中“0”表示無故障，“1”表示故障。則內(nèi)管故障的容錯邏輯為：

IfFIMk=0,thenCk1Ck2=00；

IfFIMk=1&FICk=0，thenCk1Ck2=11；

IfFIMk=1&FICk=1，thenCk1Ck2=10。

根據(jù)邏輯對應(yīng)關(guān)系，同時綜合考慮具有更高優(yōu)先級的單向晶閘管驅(qū)動信號，因為一旦單向晶閘管動作則雙刀雙擲開關(guān)必須保持初始狀態(tài)，故可得Ck1、Ck2的邏輯表達式為：

Ck1=FIMk=(Fk2+Fk3)&

(1)

(2)

2.1.2 雙向晶閘管驅(qū)動信號求解

當發(fā)生外管故障時，可控制雙向晶閘管利用相間共享外管進行容錯。由于拓撲重構(gòu)后多個橋臂共用同一個外管，需要綜合考慮其他橋臂的故障情況來確定容錯重構(gòu)方案。下面以k相上橋臂雙向晶閘管Tku為例推導其驅(qū)動信號的邏輯表達式。根據(jù)k相上橋臂外管Tk1是否發(fā)生故障，分兩種情形分別討論。

情形1：若k相上橋臂外管Tk1故障，即Fk1=1，此時上橋臂雙向晶閘管一定參與容錯，即Bku=1。

情形2：若k相上橋臂外管Tk1未故障，即Fk1=0，表明此時定是在k相以外的其余兩相上橋臂發(fā)生外管開路故障。根據(jù)外管故障可能發(fā)生的位置，進一步分析如下：1)若k-1相發(fā)生故障，則k相上橋臂外管Tk1需要參與容錯，即Bku=1；2)若k+1相發(fā)生故障，則k相上橋臂外管Tk1不需要參與容錯，即Bku=0；3)若兩相同時發(fā)生故障，則非故障相外管同時承擔三相上橋臂外管的輸出，這種情況下Bku必然符合上述兩種條件的至少一種，所以一定導通。

綜上可知，共有兩種情況需要上橋臂雙向晶閘管參與容錯，由此可得其驅(qū)動信號Bku的邏輯表達式為

(3)

同理，可得下橋臂雙向晶閘管驅(qū)動信號Bkd的邏輯表達式為

(4)

2.1.3 單向晶閘管驅(qū)動信號求解

當發(fā)生雙管故障中第⑤類雙內(nèi)管故障后，使用雙刀雙擲開關(guān)無法使故障相得到健康的兩個主橋臂內(nèi)管，需要觸發(fā)對應(yīng)的單向晶閘管導通將故障主橋臂內(nèi)管短路，與續(xù)流二極管一起構(gòu)成電流的雙向通路。因此單向晶閘管的驅(qū)動信號比雙刀雙擲開關(guān)和雙向晶閘管動作信號具有更高優(yōu)先級。由此可得單向晶閘管驅(qū)動信號Dku、Dkd的邏輯表達式分別為：

Dku=Fk2&(Fk5Fk6)；

(5)

Dkd=Fk3&(Fk5Fk6)。

(6)

2.2 容錯控制開關(guān)狀態(tài)表生成模塊

當逆變器進行拓撲重構(gòu)后，橋臂輸出特定電平所對應(yīng)的IGBT開關(guān)狀態(tài)也會發(fā)生改變，如何確定一組可用的開關(guān)狀態(tài)是容錯控制要解決的一個關(guān)鍵問題。容錯控制開關(guān)狀態(tài)表生成模塊根據(jù)容錯拓撲重構(gòu)方案以及三類拓撲重構(gòu)開關(guān)動作信號，生成有效的IGBT開關(guān)狀態(tài)表來控制電平輸出。

具體操作過程為：1)根據(jù)故障類型和故障位置，排除故障開關(guān)管后，隨機生成一組基于重構(gòu)拓撲的IGBT開關(guān)狀態(tài)表；2)對拓撲重構(gòu)信息進行融合，根據(jù)重構(gòu)開關(guān)動作信號，將重構(gòu)拓撲的開關(guān)狀態(tài)經(jīng)過變換等效成標準ANPC三電平逆變器的IGBT開關(guān)狀態(tài)；3)通過與標準拓撲開關(guān)狀態(tài)表進行匹配比較，判斷當前給定的重構(gòu)拓撲開關(guān)狀態(tài)是否符合要求，校驗?zāi)芊裾_輸出對應(yīng)電平，若能則表明步驟1)中隨機生成的基于重構(gòu)拓撲的開關(guān)狀態(tài)表有效，否則返回執(zhí)行步驟1)繼續(xù)求解。

上述步驟2)主要依據(jù)重構(gòu)拓撲中IGBT開關(guān)管在第k相輸出電平時的作用進行開關(guān)狀態(tài)表的等效轉(zhuǎn)換，使重構(gòu)拓撲中的每一個IGBT開關(guān)狀態(tài)均可通過組合邏輯等效轉(zhuǎn)換成標準三電平ANPC拓撲的某一IGBT開關(guān)狀態(tài)。下面推導并給出各IGBT開關(guān)狀態(tài)等效轉(zhuǎn)換的邏輯表達式。

在進行開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換前，需先對拓撲重構(gòu)開關(guān)的動作信號進行預處理。其中單向晶閘管驅(qū)動信號Dku、Dkd僅作用于部分復雜內(nèi)管故障，且動作后鎖定Tk2和Tk3為主橋臂內(nèi)管，因此內(nèi)管和鉗位管控制信號不需要改變，該動作信號對容錯控制開關(guān)沒有影響；而雙向晶閘管(上橋臂)驅(qū)動信號以及雙刀雙擲開關(guān)動作信號的功能如表2和表3所示。

表2 Bku不同組合及其功能

表3 Ck1和Ck2不同組合及其功能

由此可見，若設(shè)FTkp為重構(gòu)拓撲中第k相第p個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，STkp為等效轉(zhuǎn)換后標準ANPC拓撲中第k相第p個IGBT的開關(guān)狀態(tài)，以外管Tk1為例，等效轉(zhuǎn)換后的開關(guān)狀態(tài)STk1受到以下3個因素的影響：1)受拓撲重構(gòu)前Tk1開關(guān)狀態(tài)FTk1的影響。若FTk1=1，則STk1=1。2)受雙向晶閘管開關(guān)狀態(tài)的影響。由表2可知，雙向晶閘管的開關(guān)狀態(tài)決定了是否有外管被多相橋臂所共用，例如TauTbuTcu=110，則A、B兩相共用外管Ta1或Tb1，故可得STa1=STb1=FTa1+FTb1。3)受雙刀雙擲開關(guān)工作狀態(tài)的影響。由表3可知，一般的，雙刀雙擲開關(guān)的兩個動頭會同時處于位置1或2；當發(fā)生無法容錯故障必須降額運行時，兩個動頭會分別切換至位置1和2，此時，故障相輸出被直接連接至直流母線中性點，該相所有的IGBT均處于關(guān)斷狀態(tài)。

綜上分析，可得等效轉(zhuǎn)換后Tk1的開關(guān)狀態(tài)表達式為

STk1=((FTa1Bau+FTb1Bbu+FTc1Bcu)×

(7)

同理，可以推導出其他IGBT開關(guān)狀態(tài)的等效轉(zhuǎn)換邏輯表達式，如表4所示。在容錯拓撲重構(gòu)中，根據(jù)上述推導而出的開關(guān)狀態(tài)等效轉(zhuǎn)換關(guān)系，可將重構(gòu)拓撲中每個IGBT開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的等效開關(guān)狀態(tài)，再將此與表5所示的標準ANPC三電平拓撲的開關(guān)狀態(tài)表進行匹配比較，若等效轉(zhuǎn)換后的開關(guān)狀態(tài)為表5的子集，則當前給定的重構(gòu)拓撲開關(guān)狀態(tài)表是可用的，否則需要重新給定。

表4 開關(guān)管等效轉(zhuǎn)換邏輯表達式

表5 標準ANPC三電平逆變器開關(guān)狀態(tài)表

2.3 PWM輸出控制模塊

PWM輸出控制模塊是在傳統(tǒng)SVPWM控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同故障類型確定不同的SVPWM容錯算法，生成相應(yīng)的容錯用空間電壓矢量序列，繼而產(chǎn)生不同的PWM輸出脈沖。根據(jù)不同容錯方案對逆變器輸出性能的影響，可采用以下3種PWM控制算法。

1)對稱全額運行模式。用于控制單管故障、①,③,④,⑤類雙管故障、部分相間多管故障等大部分故障類型，容錯后三相均工作于三電平狀態(tài)，三電平SVPWM控制算法不變，采用傳統(tǒng)三電平SVPWM算法。

2)不對稱工作模式。用于控制②類雙管故障和部分相間多管故障，容錯后故障相工作于兩電平，其余兩相工作于三電平，最大調(diào)制比不降低，采用不對稱三電平SVPWM控制算法[15]。不對稱三電平SVPWM控制算法采用五段式脈沖序列。

3)降額運行模式。用于控制無法有效容錯的部分相間多管故障，通過雙刀雙擲開關(guān)直接將故障相連接至直流母線中性點，其余兩相工作于三電平狀態(tài)，最大調(diào)制比降為0.5，采用兩電平SVPWM控制算法[16]。

3 仿真與實驗

3.1 自適應(yīng)控制算法仿真驗證

為了驗證所提容錯拓撲和控制算法的有效性和可行性，首先使用MATLAB/ Simulink搭建了器件共享型ANPC三電平逆變器容錯拓撲主電路仿真模型。

首先設(shè)置故障標志矩陣Fault_info=[0 0 0 0 0 0, 0 0 0 0 0 0, 0 0 0 0 0 0 ]用來表示18個IGBT故障標志，其中1表示故障，0表示正常；以矩陣BTTs[ ]表示6個雙向晶閘管動作信號，以矩陣Cons[ ]表示雙刀雙擲開關(guān)6個動頭的動作信號，以矩陣TTs[ ]表示6個單向晶閘管動作信號。接著對雙刀雙擲開關(guān)、雙向晶閘管以及單向晶閘管的動作信號進行求解，輸出動作標志矩陣；然后將Fault_info，BTTs，Cons，TTs矩陣信號作為輸入變量求解出開關(guān)狀態(tài)表LookupTable，它包含根據(jù)重構(gòu)信息得出的27個矢量所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)信號；最后匹配比較并確定LookupTable是否有效。

下面以A相發(fā)生故障為例，檢驗自適應(yīng)控制算法在各類故障下的計算結(jié)果。

3.1.1 單相兩外管故障

Ta1、Ta4發(fā)生開路故障時Fa1=Fa4=1，函數(shù)輸入變量為Fault_info=[ 1 0 0 1 0 0,0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0]，求解得到雙刀雙擲開關(guān)、雙向晶閘管以及單向晶閘管的動作信號如下：

BTTs=[1 1 1 1 0 0];Cons=[0 0 0 0 0 0];TTs=[0 0 0 0 0 0]。

分析所得矩陣可知，對應(yīng)雙向晶閘管驅(qū)動信號B1u、B2u、B1d、B2d為1，動作為導通閉合，雙刀雙擲開關(guān)、單向晶閘管未發(fā)生動作，即A、B兩相共用上橋臂外管Tb1及下橋臂外管Tb4。根據(jù)前文分析，該重構(gòu)結(jié)果滿足對應(yīng)故障容錯的拓撲重構(gòu)需求。

圖9所示為該故障下開關(guān)狀態(tài)表的求解結(jié)果。左側(cè)矩陣為重構(gòu)拓撲的開關(guān)狀態(tài)表，右側(cè)矩陣為將其等效轉(zhuǎn)換為標準ANPC拓撲的開關(guān)狀態(tài)表。觀察A相輸出P,N,O三種電平時的開關(guān)狀態(tài)(圖中分別由方框圈出并標記)，可以看出，左側(cè)矩陣第1、4列始終為0，表明故障器件Ta1、Ta4處于開路狀態(tài)。在A相信號上疊加B相外管Tb1、Tb4的開關(guān)狀態(tài)信號，即得右側(cè)等效矩陣，其中A相的N電平為[1 0 1 1 0 0] [0 0 1 1 0 0 ]，O電平為[1 0 1 0 0 1] [0 1 0 1 1 0]，P電平為[1 1 0 0 0 0]，均為表5子集。因此可判斷左邊矩陣為可用矩陣。

圖9 Ta1、Ta4故障下重構(gòu)拓撲的開關(guān)狀態(tài)表及其等效轉(zhuǎn)換Fig.9 Switch state of reconfiguration topology and its equivalent transformation of device fault Ta1、Ta4

3.1.2 單相內(nèi)外兩管故障

Ta1、Ta3發(fā)生開路故障時Fa1=Fa3=1，函數(shù)輸入變量為Fault_info=[ 1 0 1 0 0 0,0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0]，求解得到雙刀雙擲開關(guān)、雙向晶閘管以及單向晶閘管的動作信號為：BTTs=[1 1 0 0 0 0]，Cons=[1 1 0 0 0 0],TTs=[0 0 0 0 0 0]。

分析所得矩陣可知，雙向晶閘管動作信號B1u、B2u為均1，處于閉合狀態(tài)；雙刀雙擲開關(guān)Sa的動頭打到位置“2”。即A、B兩相共用上橋臂外管Tb1，功率器件Ta1、Ta4、Ta5、Ta6變成主橋臂，功率器件Ta2、Ta3起到鉗位作用。由前文分析可知，該重構(gòu)結(jié)果滿足對應(yīng)故障容錯的拓撲重構(gòu)需求。

圖10所示選取開關(guān)狀態(tài)表中3個典型開關(guān)狀態(tài)進行分析，可以看出，左側(cè)矩陣中第1、3列始終為0，表明故障器件Ta1、Ta3處于開路狀態(tài)。在A相信號上疊加B相外管Tb1的開關(guān)狀態(tài)信號，并交換A相第2、5列及第3、6列，即得右側(cè)等效矩陣，其開關(guān)狀態(tài)均為表5子集。因此可判斷左邊矩陣為可用矩陣。

圖10 Ta1、Ta3故障下重構(gòu)拓撲的部分開關(guān)狀態(tài)表及其等效轉(zhuǎn)換Fig.10 Switch state of reconfiguration topology and its equivalent transformation of device fault Ta1、Ta3

其它故障類型的計算過程與上述故障均類似，此處不再贅述。

3.2 故障容錯控制仿真

由于逆變器三相對稱，以A相故障為例，共模擬了4種故障容錯，其中單管故障1種，相內(nèi)雙管復合故障1種，相間多管復合故障2種。相應(yīng)的仿真參數(shù)如表6所示，仿真時均假設(shè)t=0.02 s時發(fā)生故障，t=0.04 s時投入容錯。

表6 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.2.1 單管故障

圖11為A相外管Ta1發(fā)生開路故障后的容錯過程示意。由圖可見，當發(fā)生外管故障后，故障期間A相無法正常輸出“P”電平，當負載電流過零后，A相輸出出現(xiàn)持續(xù)的“O”電平，同時A相負載電流開始發(fā)生畸變，0.04 s容錯投入后，B相外管Tb1代替Ta1，A相輸出恢復正常。

圖11 外管Ta1開路故障容錯過程Fig.11 Fault-tolerant operation of single-device Ta1 open-circuit fault

3.2.2 相內(nèi)雙管故障

圖12為A相內(nèi)外雙管發(fā)生開路故障后的容錯過程示意。由圖可見，當Ta1、Ta3發(fā)生故障后，故障期間A相無法正常出“P”電平，輸出電流為正時，A相被強制輸出“O”電平；電流衰減到零后，由于Ta3故障，無法輸出“N”電平，A相輸出電平被強制拉高，同時影響B(tài)、C兩相輸出電流失衡。0.04 s容錯投入后，外管Tb1被A、B兩相共享，Ta5、Ta6取代Ta2、Ta3成為主橋臂內(nèi)管進行輸出，采用不對稱SVPWM控制策略進行輸出，容錯后三相輸出電流恢復平衡。

圖12 相內(nèi)雙管Ta1、Ta3開路故障容錯過程Fig.12 Fault-tolerant operation of double-device Ta1、Ta3 open-circuit fault in one phase

3.2.3 相間復合多管故障

圖13(a)、(b)分別為發(fā)生相間四管和五管開路故障后的容錯過程示意。由圖13(a)可見，由于A、B、C三相均有IGBT故障，所以故障期間三相都無法正常輸出，同時三相電流畸變較大，每相故障特征與對應(yīng)的單管或雙管故障類似；0.04 s進行容錯控制后，三相輸出電壓和輸出電流都恢復正常，能夠在不降低系統(tǒng)輸出性能的情況下使系統(tǒng)恢復三相三電平對稱輸出。由圖13(b)可見，當A相同時發(fā)生三管故障后，故障期間A相輸出波形與Ta2、Ta6故障時相同，這是因為Ta2管一旦故障同時影響“P”、“O”電平的輸出，從而覆蓋了Ta1管的故障特征；B相由于Tb2管故障也無法輸出“P”電平，同時受A、B兩相電流影響，C相電流畸變嚴重。在進行容錯拓撲重構(gòu)時，由于無論如何重構(gòu)A相均無法輸出雙向可控的“P”電平，無法求解到有效的拓撲重構(gòu)和開關(guān)狀態(tài)表，因此只能降額容錯運行，控制雙刀雙擲開關(guān)將A相直接連接到直流母線中性點，采用退化SVPWM控制策略進行輸出，A相輸出恒定的“O”電平，B、C兩相正常輸出三電平，犧牲故障相電壓輸出，保證三相電流的對稱輸出。

圖13 相間多管開路故障容錯過程Fig.13 Fault-tolerant operation of multi-device open-circuit fault among three phases

上述各仿真結(jié)果表明所提容錯控制方法具有容錯各類開關(guān)管開路故障的能力。

3.3 實驗結(jié)果

為了對上述諸多仿真結(jié)果進行實驗驗證，搭建了器件共享型容錯ANPC三電平逆變器小功率實驗系統(tǒng)。如圖14所示，實驗系統(tǒng)主電路中IGBT采用Infineon公司的兩單元模塊FF75R12RT4，控制電路中DSP控制板采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F28335。具體實驗參數(shù)為：直流母線電壓Ud=96 V，直流側(cè)電容C1=C2=750 μF，負載電阻阻值為2.5 Ω，負載電感為13.8 mH，載波頻率為1 250 Hz，三相輸出電壓基頻為50 Hz，調(diào)制比m=0.8。

圖14 實驗系統(tǒng)實物圖Fig.14 Hardware of experimental system

圖15為A相Ta1發(fā)生開路故障后，在投入容錯前后逆變器三相輸出電壓波形。設(shè)置故障發(fā)生時刻起運行兩個基波周期后投入容錯控制，由圖可見，容錯投入后，A相輸出恢復正常，其他相輸出也未受任何影響，與仿真結(jié)果一致。

圖15 Ta1單管故障容錯過程三相輸出電壓波形Fig.15 Output voltage waveform of three phases when tolerating single-device fault Ta1

圖16為Ta1、Ta3發(fā)生開路故障后，投入容錯前后逆變器三相輸出電壓波形。從圖中可以看出，容錯投入后，故障相電壓恢復三電平或兩電平運行，非故障相仍保持三電平輸出，與仿真結(jié)果一致。

圖16 Ta1、Ta3雙管故障容錯前后三相輸出電壓波形Fig.16 Output voltage waveform of three phases when tolerating double-device fault Ta1、Ta3

圖17為Ta1、Ta2、Tb1、Tc2多個開關(guān)管同時發(fā)生開路故障后，投入容錯前后逆變器三相輸出電壓波形。由圖可見，容錯投入后，三相輸出電壓均恢復正常，能夠在不降低系統(tǒng)輸出性能的情況下使系統(tǒng)恢復三相三電平對稱輸出，與仿真結(jié)果一致。由此表明，所提容錯控制方法對于此類相間多管故障，可以實現(xiàn)三相全額容錯運行。

圖17 Ta1、Ta2、Tb1、Tc2相間多管故障容錯前后三相輸出電壓波形Fig.17 Output voltage waveform of three phases when tolerating multi-device fault among three phases Ta1、Ta2、Tb1、Tc2

圖18為Ta1、Ta2、Ta6、Tb2、Tc2多個開關(guān)管同時發(fā)生開路故障后，投入容錯前后逆變器三相輸出電壓波形。由圖可見，容錯投入后，控制雙刀雙擲開關(guān)將A相直接連接到直流母線中性點，同時采用降額SVPWM控制策略，可使A相恒定輸出“O”電平，B、C兩相恢復正常運行，與仿真結(jié)果一致。進一步表明所提容錯控制方法對于此類相間多管故障容錯的有效性。

圖18 Ta1、Ta2、Ta6、Tb2、Tc2相間多管故障容錯前后三相輸出電壓波形Fig.18 Output voltage waveform of three phases when tolerating multi-device fault among three phases Ta1、Ta2、Ta6、Tb2、Tc2

4 結(jié) 論

本文以ANPC三電平逆變器為研究對象，提出了器件共享型ANPC三電平逆變器容錯拓撲，并提出了基于組合邏輯的自適應(yīng)容錯控制算法，通過仿真和實驗可得到如下結(jié)論：

1)本文所提容錯拓撲可在不降低逆變器輸出性能的條件下對單管、相內(nèi)雙管以及相間多管開路故障進行容錯，器件利用率高，冗余成本較低。

2)本文所提自適應(yīng)容錯控制算法能夠根據(jù)故障位置實時求解拓撲重構(gòu)所需的各類重構(gòu)開關(guān)動作信號，生成等效開關(guān)狀態(tài)表，能夠適應(yīng)復雜的故障模式，具有實用價值。

3)本文所搭建的降功率實驗系統(tǒng)實驗結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果一致，驗證了本文所提出的容錯拓撲以及算法的有效性。