级联多电平变换器CPSPWM可重构控制研究

吕飞，张松涛，余凤豪，吉哲

(海军蚌埠士官学校机电系，安徽 蚌埠 233012)

0 引言

电力电子的发展要求电力电子装置输出电能的容量越来越大、质量越来越好、可靠性越来越高。多电平变换技术成为实现高电压大容量的关键［1］。随着电平数的增多，电路拓扑结构和控制的复杂性增加，使变换装置系统的可靠性降低［2-3］。多电平变换装置的可靠性是衡量装置优劣的重要性能，级联多电平变换装置利用故障单元旁路技术可提高可靠性。

可重构技术广泛应用于微处理器、航空航天以及制造等领域［4-5］。基于多电平变换装置对可靠性的要求，将可重构技术应用于电力电子变换装置可靠性的提高。级联多电平变换器的显著特点就是其内在的重构能力，即故障单元旁路技术。当检测到级联的某单元发生故障时，触发旁路开关，切除故障单元，同时重构余下单元改变控制策略，保证装置能在不掉电的情况下实现基本功能。为提高变换器系统的可靠性，研究人员进行了大量的工作［6-8］。

文章分析了级联多电平变换装置的可重构途径，推导了中性点移位重构技术及计算参数的公式，提出了基于中性点移位的载波相移脉宽调制(CPSPWM)方法，并分别进行了三相级联11电平变换装置正常与单元故障时可重构控制策略仿真。仿真结果验证了所采用控制策略的正确性。

1 级联多电平变换器可重构途径

级联结构的多电平变换器，采用单元模块重构来提高系统的可靠性，即故障单元旁路方法。在每个单元的输出端增加一个接触器(或两个可控硅)即可实现故障单元旁路。变换器正常时，接触器J常闭触点接通。当检测到某单元发生故障时，使相应单元接触器J的常闭触点断开，常开触点接通，从而将此单元旁路出系统，不影响其它单元的运行。故障单元旁路方法可以对任何可检测的故障提供保护，而不是仅在功率器件故障时提供保护，从而可大大提高系统的可靠性。

变换器的某相功率单元被旁路时，输出电压将变得不平衡，为了使电机获得三相对称电压，必须采取一定的措施克服电压不平衡问题。最简单的措施是在所有三相中旁路掉相同的单元数，既使这些单元并没有发生故障。即直接旁路法。

如图1所示，A相A1单元因故障被旁路，B相、C相也旁路相同单元数以实现输出电压的平衡。这种方法避免了不平衡，但是牺牲了电压容量。采用空间矢量调制并利用级联变换器的冗余状态，可以一定程度上提高单元故障时的变换器的输出电压［8］，但该方法仍未充分利用所有单元的输出能力。

图1 直接旁路法

P.W.Hammond［9］提出了中性点移位方法，该方法可在故障单元后获得最大的对称线电压。如图2示，A相A1模块中某个或多个器件损坏，则旁路A1模块并重构余下单元，使中性点Np移位，从而改变相与相之间的相位，最优化的输出三相对称线电压。

2 中性点移位原理及参数计算

图2 一个模块旁路时中性点移位重构

中性点移位是利用变换器的星形点是浮动的，且不连接到电机中性点，星形点可以偏离电机中性点。即使变换器三相输出电压不平衡，但通过调整变换器三相输出电压的相位角可以使电机获得三相对称的线电压。

如图3所示，设N1是变换器的星形点，变换器相对N1的三相输出电压分别为 ua1=Amsin(ωt+θa)、ub1=Bmsin(ωt+ θa- θab)、uc1=Cmsin(ωt+ θa+ θac);N0电机中性点，相对于N0的三相电压为ua0=Umsin(ωt)、ub0=Umsin(ωt-2π/3)、uc0=Umsin(ωt+2π/3);N1相对于N0的移位电压为 un=Unsin(ωt+θn)。

从图 3 中可知 ua1、ub1、uc1、ua0、ub0、uc0和 un之间满足如下关系:

图3 三相不对称系统的中性点移位矢量图

通过推导可知，当 θa、θab、θac满足式(2)时，可获得最大的对称线电压，对应的线电压幅UL及相电压幅值Um满足式(4)，对应的中性点移位电压un的幅值Un及相角θn满足式(5)。

设变换器每相级联单元数为m，级联各单元直流电压相等且都为1 V，变换器三相分别有Fa、Fb、Fc个单元发生故障，则电平数 n=2m+1，每相有效单元数为 ma=m-Fa、mb=m-Fb、mc=m-Fc;则有 Am=ma/m、Bm=mb/m、Cm=mc/m 分别代入式(2)、式(4)、式(5)可以得到变换器在各种故障情况下获得最大对称线电压输出的中性点移位参数。

表1列出了m=5，故障单元总数不大于3的所有故障的中性点移位参数。

表1 不同故障状态下的中性点移位参数(m=5)

从表1可以看出，当发生一个单元故障时，采用中性点移位方法，变换器可以输出93%额定电压。采用三相旁路相同单元数的方法，只能得到80%额定电压。

3 基于中性点移位的载波调制

对于级联多电平变换器通常采用对称CPSPWM，便于工程实际应用［10-15］。CPSPWM基本原理:构成多电平变换器的各单元模块均采用低开关频率的单相SPWM，各单元模块具有相同的幅度调制比、频率调制比，但各单元模块的载波间存在一定的相位差β，变换器的总输出为各单元模块输出的线性叠加，由于相邻三角载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使最终迭加输出的SPWM波形等效开关频率提高到原来的(m-1)倍(m为级联单元数)。CPSPWM可在不提高开关频率的情况下，大大减小输出谐波。

利用表1中的参数θn、Un和Um可实现故障单元旁路后使电机获得最大对称线电压的载波调制。为实现故障单元旁路后的载波调制，必须首先计算对应不同幅度调制比(Ma)的中性点移位电压。为此，定义Mn=Un/Um，则不同幅度调制比Ma时中性点移位电压为:

在故障情况下，同相单元相邻载波间的相移βa、βb、βc根据故障状态而调整，即:

图4 具有中性点移位功能的载波调制方法模型

图4是设计的级联多电平变换器的载波调制方法的一般框图模型，具有中性点移位功能。

4 仿真验证

进行三相级联11电平变换装置可重构控制策略仿真，图5-图7为不同情况下仿真输出的相电压、线电压以及已调制信号的波形。其中，图5为变换器正常时的输出波形，图6、图7为故障单元旁路后中性点移位变换器输出波形，频率为50 Hz。

图5 正常工作采用CPSPWM方法调制信号及变换器输出线、相电压的波形

由图5所示，可得:①载波相移脉宽调制(CPSPWM)方法能实现级联多电平级联的变换装置的控制(图5(a));②CPSPWM方法最大幅度调制比为1，当Ma大于1时输出电压出现饱和(图5(b))。

由图6、图7所示，可得:①基于中性点移位原理的CPSPWM方法能在故障单元旁路后实现对称的线电压输出;②输出对称的线电压的质量与故障类型及其调制比有关。一般来说，相与相之间的故障器件个数相差越小，输出对称线电压质量越好，在非饱和范围内幅度调制比越大输出线电压质量越好(图5(a)、图6(a)、图 7(a))。

图6 二单元故障中性点移位CPSPWM方法调制信号及输出线、相电压波形

图6为B、C相各有一个单元故障时，在不同的幅度调制比(Ma)下，采用CPSPWM方法得到的仿真结果。图7为A相有三个单元故障时，在不同的幅度调制比(Ma)下，采用CPSPWM方法得到的仿真结果。从以上两组波形可以看出，当幅度调制比Ma大于对应故障的Um值(表1)时，会出现饱和现象，进入过调制区。

5 结束语

对于级联型多电平拓扑，通过利用级联型多电平的内在的重构能力，即故障单元旁路技术。当开关器件故障时，在旁路故障单元的同时，采用中性点移位技术，使变换器输出三相对称线电压且尽可能大，从而减小因单元旁路造成的变换器的降额程度。

图7 三单元故障中性点移位CPSPWM方法调制信号及输出线、相电压波形

文章通过分析级联多电平变换装置的可靠性与可重构途径，理论分析了中性点移位重构技术，进而推导其计算参数的公式，提出了基于中性点移位的载波相移脉宽调制方法，并分别进行了三相级联11电平变换装置正常与单元故障时可重构控制策略仿真。仿真结果验证了所采用控制策略的正确性。

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