一种三电平NPC逆变器四桥臂故障容错拓扑.pdf

第 4 2 卷 第 1 O 期 2 O l 6 年 1 O月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ．1 0 0c t ． 2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 7 0 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 1 6 邱世广 ， 李思光． 一种三电平 NP C逆变器 四桥臂故障容错拓扑[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 O 7 0 7 3 ． 一 种三电平 N P C逆变器四桥臂故障容错拓扑 郏世 产 ， 棼忍 妃 滨州学院 电气工程系，山东 滨州 2 5 6 6 0 3 摘 要 针 对逆 变器 的器件 故 障较 难 准确定位 的 问题 ， 提 出一种 三 电平 NP C逆 变 器四桥 臂故 障容错 拓扑 。 利 用该 拓扑 改 变时使 用的开 关器件 可对逆 变 器器件短 路 或 开路 故 障进 行 准确 定位 ， 从 而为逆 变 器 的容错 控 制 提供依 据 。该拓 扑 可实现半桥 臂替 换 ， 最 多可对逆 变 器 3个桥臂 同时进行容错 控 制 。 关键 词 三 电平逆 变器 ；容错控 制 ； 半桥 臂替 换 ；四桥臂 中图分类号 T D6 0 8 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 6 - 0 9 3 0 0 9 5 9 网络出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 0 9 5 9 ． 0 0 6 ． h t m1 A f a u l t - t o l e r a nc e t o p o l o gy o f t h r e e - l e v e l f o u r - l e g NPC i n v e r t e r QI U S h i g u a n g， LI S i g u a n g De p a r t me n t o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Bi n z h o u Un i v e r s i t y ，B i n z h o u 2 5 6 6 0 3，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m t h a t i t i S d i f f i c u l t t o a c c u r a t e l y l o c a t e d e v i c e f a i l u r e o f i n v e r t e r ．a f a u l t t o l e r a n c e t o p ol o g y o f t hr e e l e ve l f o ur l e g NPC i nv e r t e r wa s p r op o s e d．I n t h e t op ol og y，s h or t c i r c u i t f a ul t a n d op e n c i r c u i t f a u l t c a n be l o c a t e d a c c u r a t e l y by s wi t c hi ng de v i c e us e d whe n t o p ol o g y c h a ng e s ，S O a s t o p r o v i d e a b a s i s f o r f a u l t t o l e r a n t c o n t r o l o f i n v e r t e r ．Th e t o p o l o g y e n a b l e s h a l l e g r e p l a c e me n t ，a n d c a n a c hi e v e f a ul t t o l e r a nt c o n t r ol o f up t o t hr e e i nv e r t e r l e g s a t t h e s a m e t i m e ． Ke y wo r d s t hr e e l e ve l i n v e r t e r；f a u l t t ol e r a nt c o nt r o l ；r e p l a c e me nt o f ha l f l e g；f o u r l e g 0 引言 近年 来 ， 随着 电力 电子 器 件制 造技 术 的进 步和 控制技术的发展 ， 以三电平 NP C逆变器为代表的多 电平逆变器得到了越来越多的应用 。但由于应用三 电平逆 变器 的电力 电子器 件数 目较两 电平 逆变器 多 2倍 ， 所以三电平逆变器的故障更多。而工业现场 对于逆变器的可靠性要求越来越高 ， 因此 ， 具有合适 的容错 控制技术 对 于多 电平逆变 器 的应 用 和推广具 有重 要 的意义 。 参考文献E l i 提 出了一种基于不对称桥臂的三 电平四桥臂容错拓 扑， 冗余 桥臂 仅使用 2只 I GB T 串联 ， 结构简单， 但每个 I G B T需独立承担整个直流 母线电压。参考文献[ 2 ] 提 出一种三 电平三桥臂容 错控制方法 ， 该方法将箝位二极管反并联 I GB T，若 任一桥臂发生故障， 可利用 附加 I GB T将故障相直 接接到直流母线 中点 ， 但此 时逆变器应降额运行。 参考文献[ 3 ] 提出了一种具有 电感型冗余桥臂 的容 错拓扑 ， 该拓扑的冗余桥臂在故障发生前具有保证 逆变器母线 中点电压平衡的作用 ， 故障发生后 ， 可直 接利用冗余桥臂替换故障桥臂 ， 但该方法仅能实现 对一个故 障桥臂 的替换 。本 文提出了一种三 电平 四桥臂故障容错拓扑， 该拓扑可实现对逆变器故障 桥臂的半桥臂替换 ， 最多可对逆变器的 3个桥臂同 时进行 容错 控制 。 逆变器的器件故障较难准确定位 ， 尤其是短路 故障 ， 亟需简单可靠的故障检测方法 ， 利用熔断器可 将短路故障转换为开路故 障再定位 ， 但较难准确计 收稿 日期 2 0 1 6 0 6 1 4 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 8 2 2 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家安全监管总局 2 0 1 5 安全生产重大事故防治关键技术科技项 目 s h a n d o n g - 0 0 5 6 2 0 1 5 AQ ； 滨州学院青 年人才创新工程科研基金 项 目 B Z XYQN L G2 0 1 2 0 4 。 作者简介 邱世广 1 9 8 1 一 ， 男 ， 山东诸城人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为中高压变频器 、 多 电平变换器 ， E - ma i l q i u s g 1 9 8 0 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 6年第 1 O期 邱世广等 一种三电平 NP C逆变器四桥臂故障容错拓扑 7 1 算熔断器的熔断值 。参考文献 [ 4 ] 提 出了一种准确 定位开路 I GB T 的方 法 ， 但 实现较 为复杂 ， 参考 文 献[ 5 ] 提 出通过检测直流母线 中点电压偏移的方法 定位开路 I G B T， 该方法简单 ， 但仅能对逆变器一相 I GB T开路进行定位 。在本文提 出的容错 拓扑 中， 利用容错控制时的附加器件 ， 可实现对逆变器所有 桥臂故障器件的准确定位 ， 而且可 以判定具体为短 路故障还是开路故障。 1 三 电 平 NP C逆变 器主 电路 及容 错 拓扑 1 ． 1 主 电 路 三电平 NP C逆变器主电路如图 1所示 ， 本文中 的上、 下桥臂均包含 2只 I GB T和 1只箝位二极管 ， 以 a相为例 ， 上桥臂包括 S S 。 ， VD 下桥臂包括 S 3， S 4， VD 2 。 图 1 三 电平 NP C逆 变 器 主 电路 三电平 NP C逆变器 的 3种相输出 电压对应其 每相的 3种工作状态 。以 a相为例 ， 设直流母 线电 压为 Ua ， 若 S S z 同时导 通 ， 则 a相输 出电压 为 Ud ； 若 S a 2 ， S 。 同时导通 ， 则 a 相输出电压为 u ／ 2 ； 若 S 。 ， S 同时导通 ， 则 a相输 出电压为 0 。 1 ． 2容错 拓 扑 三电平 NP C逆变器 四桥臂容错拓扑如图 2所 示 ， 其 中 a相、 b相 、 c相 为逆变 器 的 3个 主桥 臂， g相为逆变器 的冗余桥臂 。开关 s ， s z a ， b ， c 分别用于故 障时断开逆变器各主桥臂的上 、 下桥 臂 ； 开关 ， S g L 分别用于故障时将各相输 出至冗 余桥臂的上、 下桥臂 ； 晶闸管 S 。 用于故障时将逆变 器各相接至直流母线 中点 ， 晶 闸管 S 。 在逆 变器无 故障时开通； 逆变器可通过冗余桥臂实现直流母线 中点电压平衡控制 ， 开关 S g L 用于将冗余桥臂 上、 下桥臂分开进行故障替换。 图 2 三 电平 N P C逆变器四桥臂容错拓扑 2逆 变器 故 障定位 若检测到逆变器三相输 出侧的电流异常， 而逆 变器直流母线电压正常 ， 则多为逆变器主电路故障， 即逆变 电路 的 I GB T或箝位二极管发生短路或开路 故障， 此时逆变器必须停止运行 ， 自动完成故障定位 与相应容错控制后再继续运行 。本文提出的三电平 NP C逆变器容错拓扑可对逆变 电路 的故障器件定 位至每一相的上、 下桥臂 ， 进而为逆变电路的容错控 制提供依据。为方便分析， 以 a相为例 b相 、 C 相与 a 相类似 ， 设 a 相输 出电流为 i ， 母线中点输 出电流 为 i 。 。 2 ． 1 短路 故 障 定位 若 S 与 VD 同时短路 ， S 与 VD 。 同时短路 ， S 一S 同时短路 ， 即母线直流 电容短路 ， 短时 间内 会烧毁部分或全部短 路功率器件， 从而将 短路故 障 变为开路故障。a相各功率开关器件短路故障定位 方 法见 表 1 。 表 1 a 相各功率开关器件短路故障定位方法 2 ． 2开路 故 障定位 a 相 I G B T开路故障定位方法见表 2 。若 S 与 S 正常 ， 则需测试 VD 是 否开路 ； 若 VD 开路 ， 还 需替换 a 相上桥臂。VD 开路测试方法 先开通开 7 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 关 S S S 。 ， 对电感 L 预通 电， 使其 完成储 能 ， 再开通 S “ ， “ ， 。 ， 关断 S z 。若 a相 电流传 感器能够检测到相应 电流， 则 VD 正常， 否则 a相 上桥臂 故 障。同理 ， 若 s 。 与 S 正 常 ， 则 需 测 试 VD 是否开路 ， 若 VD 开路 ， 还需替换 a相下桥臂 。 VD 。 的测试 方 法 与 VD a 相 似 ， 只不 过 对 L j 预 通 电 时 应该先 开通 S S S g L 。 表 2 a相 I G B T开路故障定位方法 3各 工作 状态 下的容错 拓扑 3 ． 1 逆 变器无故 障 时的容错 拓扑 各开关的状态 开关 s H， s b H ， S 。 H ， S ， S b ， S ， g L全 部 闭 合 ； 开 关 S g H， S b _ g H ， S g H ， S g L ， S b _ g L ， s 吐全部 断开 ； 双 向晶 闸管 S 。 开通 ； 双 向 晶闸管 s 。 ， s 。 ， s 。 全部关断。逆变器无故 障时的容错 拓 扑 如 图 3所示 。 C 图 3 逆变器无故障时的容错拓扑 若未检测 到逆变器 故 障， 电路 拓扑 与参考 文 献E 3 3 提出的三相四桥臂容错拓扑相 同 ， 通过控 制 S S 同 时导通或 S S 同时 导通 ， 可 实 现对 逆变 器母线中点电压 的平衡控制 ， 而且在开关周期开始 时电流为零， 由主桥臂切换至冗余桥臂是在零电流 条件下进行的， 换相过程没有开关损耗。 3 ． 2 单相 半桥臂 故 障时的容 错拓 扑 以 a相上桥臂故 障为例 ， 各 开关 的状态 开关 S b H， S H ， S L ， S b L ， S L ， S g H 全部闭合 ； 开关 S H， S b _ g H ， S H ， S L ， S b - L ， s g L ， s g H ‘ g L 全 部断开 ； 双 向晶闸管 S ． 。 ， s 。 ， S 。 ， s 全部关断。单相半桥臂故障时的容 错 拓扑 如 图 4 所 示 。 若通过前面提出的故障器件定位方法来确定任 一 相的上桥臂或下桥臂故障 ， 则容错拓扑可工作于 图 4所示状态 ， 容错控制后逆变器无需降额运行 。 C 图 4 单相半桥臂故障时的容错拓扑 3 ． 3 单相 上 、 下桥 臂故 障 时的容错拓 扑 各开关 的状态 开关 s b H， S H， S b L ， S L ， s H ， S g H g L 全部 闭合 ； 开 关 S H ， S 。 L ， S b - g H ， S g H， S wL ， S b -吐， S 吼 全部 断 开 ； 双 向 晶 闸管 S 。 ， S 。 ， S 。 ， S 全部 关 断 。单相上、 下桥臂故障时的容错拓扑如图 5 所示。 C C2 图 5 单相上 、 下桥臂故障时的容错拓扑 若通过前面提出的故障器件定位方法确定任一 相的上桥臂 和下桥臂 故障 ， 则 容错 拓扑可工 作 于 图 5所示状态 ， 容错控制后逆变器无需降额运行 。 3 ． 4 两相半桥 臂故 障 时的容错拓 扑 以 a 相上桥臂 ， b相下桥臂故障为例 ， 各开关 的 开关 状态 开关 S b H ， S H， S L ， S L ， S H ， S b _ g L 全 部 闭 合； 开关 s H ， s b L ， s b _ g H， s g H ， s ％ L ， s ， H _ g L 全部断 开 ； 双 向晶闸管 s 。 ， s 。 ， s 。 ， s 。 全部关断。两相半 桥臂故障时的容错拓扑如图 6所示 。 C1 图 6 两相半桥臂故障时的容错拓扑 若确定 逆变 器其 中一 相 的上 桥 臂 、 另一 相 的下 2 0 1 6年第 1 O期 邱世广等 一种三电平 NP C逆变器四桥臂故障容错拓扑 7 3 桥臂均有故障器件 ， 则容错拓扑可工作 于图 6所示 状态 ， 容错控制后逆变器无需降额 运行 。由于冗余 桥臂只可同时替换一个上桥臂和一个 下桥臂 ， 故若 有两相同时出现上桥臂故障或下桥臂故障， 则冗余 桥臂 只可替换一个 ， 另一个可参考三相故障时的容 错控制方法 ， 将故障桥臂 直接连接 到逆变器直流母 线中点 ， 但此时逆变器需降额运行。 3 ． 5三相 故 障 时的容错 拓 扑 以 a 相上桥臂、 b相下桥臂、 C相故障为例 ， 各开 关 的开关状 态 开关 S b H ， S H ， S L ， S 。 ， S H， S b _ g L 全 部闭合 ； 开关 s H ， S b L ， s b _ g H ， s g H ， S g L ， S 吼 ， S g H 1 g L 全 部断 开 ； 双 向晶 闸管 S 。 导 通 ； 双 向 晶 闸管 S 。 ， S 。 ， S 。 全部关断 。三相故障时的容错拓扑如图 7 所示 。 C 图 7三相故障时的容错拓扑 若确定逆变器其中一相 的上桥臂 、 另一相 的下 桥臂均有故障器件， 剩余一相也有故障器件 ， 则容错 拓 扑 可工 作 于 图 7所 示状 态 。此 时 C 相直 接 连接 到 逆变器直流母线 中点 ， 参考文献[ 6 8 ] 对该故障容错 方法进行 了研究 ， 容错控制后逆变器控制时需调整 a相 、 b相 的相角 ， 而 且容 错控 制后 逆变 器应 降额 运行 。 4 结 语 提 出了一种可实现半桥 臂替换 的三 电平 NP C 逆变器 四桥臂故障容错拓扑 ， 利用该拓扑改变时使 用的开关器件可对逆变器短路或开路故障进行准确 定位 ， 从而为逆变器 的容错控制提供依据 。该容错 拓扑实现了以下功能 含有一个冗余桥臂 ， 若逆变器 无故障， 则通过对该冗余桥臂的控制 ， 可实现对三电 平 NP C逆变器 中点电压平衡的控制； 可实现对逆变 器 中出现故障的上桥臂和下桥臂分别进行 替换 ， 也 可实现整个桥臂替换 ； 若逆变器 出现 2个上桥臂或 下桥臂 同时故障， 该容错拓扑可通 过容错控制保证 逆变器继续工作 ， 但此时需要将其 中一个故障桥臂 的输出接至逆变器直流母线 中点， 逆变器也需降额 运行 ； 最多可实现对逆 变器三相 出现故障时的容错 控制 ， 但逆变器需降额运行。 参考文献 [ 1 ] 陈丹 江， 叶银忠 ， 华 容． NP C三电平逆 变器容错 拓扑及 其控 制研 究[ J ] ． 控制工程 ， 2 0 1 4 ， 2 1 2 2 5 8 2 6 2 ． E z l L I J ， HUAN G A Q， B HA TT AC HAR YA S ， e t a 1 ． Th r e e - l e v e l a c t i v e n e u t r a l p o i n t ‘c l a mp e d c o n v e r t e r wi t h f a u l t t o l e r a n t a b i l i t y [ C] ／ ／ Ap p l i e d P o w e r E l e c t r o n i c s Con f e r e nc e a nd Exp os i t i on， 2 009 ． [ 3 ] C E B AL L OS S ， P OU J ， Z A R AGO Z A J ， e t a 1 ． S o f t - s wi t c h i n g t o p o l o g y f o r a f a u l t 。 t o l e r a n t n e u t r a l 。 p o i n t - c l a mp e d c 0 n v e r t e r [ C ] ／ ／ I E E E I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s ， Vi g o ， S p a i n ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 赏吴俊 ， 何正友 ， 胡海涛 ， 等． 基 于 I G B T输 出功率 的逆 变器开路 故 障诊 断方 法 [ j ] ． 电 网技 术 ， 2 0 1 3 ， 3 7 4 11 4O 一 1 1 45 ． [ 5 ] 邱世 广 ， 李 梅． 一种 三 电平 NP C逆变 器 I G B T开 路判 别方法 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 9 9 9 1 0 2 ． [ 6 ] L I S ， XU L ．S t r a t e g i e s o f f a u l t t o l e r a n t o p e r a t i o n f o r t h r e e - l e v e l P WM i n v e r t e r s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n Po we r El e c t r o n i c s ， 2 0 0 6 ， 2 1 4 9 3 3 9 4 0 ． [ 7 ] F AR NE S I S ， F AZ 1 0 P ， MA R CHE S ONI M．A n e w f a u l t t o l e r a n t NP C c o n v e r t e r s y s t e m f o r h i g h p o we r i n d u c t i o n mo t o r d r i v e s[C] ／ ／ I E E E I n t e r n a t i o n a l Sy mpo s i u m on Di a g no s t i c s f or El e c t r i c M a c hi ne s， Bol og na， 2 01 1． [ 8 ] 徐帅 ， 张建忠． 多 电平 电压源型逆变器 的容错 技术综述 [ J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 1 5 ， 3 0 2 1 3 9 5 0 ．