基于冗余改进通用型多电平可重构仿真研究

吕飞 余凤豪 张松涛 秦福星

（海军蚌埠士官学校机电系，安徽蚌埠 233012）

0 引言

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[1]。大容量是电力电子技术未来的主要发展方向，而多电平变换技术成为实现高电压大容量的关键[2]。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[3]。

可重构技术广泛应用于微处理器、航空航天以及企业制造等领域[4]。基于多电平电力电子变换装置对可靠性的要求，把可重构技术应用于电力电子变换装置可靠性的提高。

1 改进通用型多电平冗余重构

通用型多电平变换器自身存在冗余资源，当变换器的一部分发生故障时，可以利用冗余资源改变控制方式重构余下部分实现发生故障电路的功能，保证系统正常运行，提高系统可靠性。然而，通用型多电平变换器冗余重构存在局限性。

文献[5]提出了改进通用型多电平拓扑结构。如图1所示。

图1所示拓扑与图1所示拓扑相比，改进通用型增加了一对辅助开关对（Sa1，Da1）（Sa2，Da2）。同时，只保留了靠近直流的飞跨电容。

1.1 单个器件故障时冗余重构

1.1.1 主开关故障

主开关断路：以图1为例，当主开关器件有一个因故障断路时，①输出电平-E、0、E与余下开关状态对应关系如表1所列。如表1可以通过选择另一种开关组合状态，使发生断路的器件处于关断状态来实现期望的输出。②输出电平 2E与余下开关状态对应关系，由发生断路的主开关决定，若Sp1发生断路，则由Dn1和 Sc1、Sc2来代替Sp1，同时Sa1断开；若Sp2发生断路，则由Dc1和Sc3、Sc4来代替Sp2实现2E，同时Sa1断开。③输出电平-2E与余下开关状态对应关系，也由发生断路的主开关决定,若 Sn1发生断路，则由Dp1和Sc1、Sc2来代替Sn1，同时Sa2断开；若 Sn2发生断路，则由 Dc2和 Sc5、Sc6来代替Sn2，同时Sa2断开。

主开关短路：以图1为例，当主开关器件有一个因故障短路时，①输出电平-E、0、E与余下开关状态对应关系如表2所列。如表2可以通过选择另一种开关组合状态，使发生短路的器件处于导通状态来实现期望的输出。②输出电平-2E与余下开关状态对应关系，由发生短路的主开关决定，若Sp1发生短路，则关断Sn1，由Dp1和Sc1、Sc2来代替Sn1，同时Sa2断开；若Sp2发生短路，则关断Sn2，由Dc2和Sc5、Sc6来代替Sn2实现-2E，同时Sa2断开。③输出电平2E与余下开关状态对应关系，也由发生短路的主开关决定，若Sn1发生短路，则关断Sp1，由Dn1和Sc1、Sc2来代替Sp1，同时Sa1断开；若Sn2发生短路，则关断Sp2，由Dc1和Sc3、Sc4来代替Sp2，同时Sa1断开。

图1 单相5电平改进通用型拓扑结构

表1 主开关断路时输出电压Vo与开关组合状态的关系（“#”表示断路，“1”表示导通，“0”表示关断）

表2 主开关短路时输出电压Vo与开关组合状态的关系（“*”表示短路，“1”表示导通，“0”表示关断）

1.1.2 箝位开关故障

箝位开关断路：当箝位开关断路时，可以通过开关状态组合的冗余性来实现电路的冗余功能。当某一个箝位开关断路时，改变开关状态组合使该开关处于关断状态。

箝位开关短路：当箝位开关短路时，也可以通过开关状态组合的冗余性来实现电路的冗余功能。当某一个箝位开关短路时，通过改变开关状态组合使该开关处于导通状态。

1.1.3 辅助开关故障

辅助开关断路：当 Sal或 Sa2断路时，-2E和 2E仍然可以实现。对于中间的输出电平，如果电流路径必需包括Sc3或Sc4，当Sal断路时，相应的开关状态就会无效；如果电流路径必需包括Sc5或Sc6，当Sa2断路时，相应的开关状态就会无效。Sal或 Sa2断路时，开关状态的有效性如表3中所示。符号Y表示开关状态是有效的，符号N表示开关状态是无效的。从表3中可以看出，Sal或 Sa2发生断路时，每个输出电平都存在有效的开关状态。

辅助开关短路：由于装置正常运行时辅助开关Sa1、Sa2一直导通，所以辅助开关短路不影响装置性能。

表3 辅助开关断路时输出电压Vo与开关组合状态的关系

1.2 多个器件故障时冗余重构

对于多个的器件同时发生故障，电路的工作情况取决于不同的故障模式。开关Sp4，Sc7-Sc12和Sn4需要用于电容的电压平衡，所以它们的故障会导致电容电压的不平衡而使电路无效。当Sp3和Sn3发生故障时，-2E和2E难以实现，拓扑在这种情况下就没有重构能力。

对于同一柱上，并且同时导通和关断的多个器件，如（Sp2，Sc2），（Sc1，Sn2），（Sc3，Sc5）。如果它们同时发生断路（或短路），我们可以通过选择使它们关断（或导通）的状态来实现期望的输出电压。

对于同一柱上相邻的两个开关发生短路故障，如（Sp1，Sn1），（Sp2，Sc1），（Sc1，Sc2），那么电路将没有重构能力。

综上分析可得，当开关管断路时，重构余下开关状态，使故障器件处于关断状态；当开关短路时，重构余下开关状态，使故障器件处于导通状态；辅助开关只有在主开关或箝位开关故障且输出最高与最低电平时关断，其他情况一直导通。

2 仿真验证

对于图1所示的单相五电平变换电路，采用基于载波的消谐波 PWM（SHPWM）调制方法进行仿真研究。仿真参数：幅度调制比Ma为0.9，频率调制比Mf为10。

电路在正常工作情况下，Sp1-Sp4的门极信号及输出电压Vo的仿真波形如图2所示。

当Sp1断路时，输出2E电平，Snl要一直保持导通，Sc2的触发信号为Scl与Sp1触发信号相或。由于在输出2E时，Sp2和Scl同时导通，为了防止Cl、C4直接并在导通的开关器件两端，此时需要使 Sal处于关断状态，而在其它情况下一直处于导通状态，所以 Sal的触发信号由 Spl触发信号取反得到。其它器件的触发信号保持不变。在这种情况下，Sp2-Sp4、Sn1、Sc2、Sa1的触发信号以及输出电压Vo的仿真波形如图3所示。

图2 正常时Sp1-Sp4触发信号与输出电压波形

当Sc1断路时，Sp1和Sp2的触发信号互换，由Sn1、Sp2、Sn3、Sn4的组合状态来实现-E的输出而使Sc1处于关断状态。其他触发信号不变。Sp1-Sp4的门极信号以及输出电压Vo的仿真波形如图4所示。

仿真结果及以上分析表明，当主开关Sp1和箝位开关Sc1断路时，通过改变控制方式，用其它器件代替故障器件来实现期望输出的各个电平，可得到与正常情况相同的输出。用相同的方法，可以仿真分析其它开关器件故障下的情况。

图3 Sp1断路时相关器件的触发信号与输出电压波形

3 结论

可重构的实现冗余是关键，特别是故障可重构的实现，因此装置的冗余设计是装置重构的首要问题。本文以通用型及改进通用型多电平变换装置为对象，采用改变控制方式，重构冗余的开关状态，代替故障器件，实现期望的输出，并仿真验证。

图4 Sc1断路时相关器件的触发信号与输出电压波形

[1] 周观允. 电力电子技术在电力系统的应用[C]. 中国电工技术学会电力电子学会第七次全国会议论文集.西安: 西安交通大学出版社, 2000: 53-56.

[2] Rodriguez J, Lai J S. Multilevel inverters:a survey of topologies,coutrols,and applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49（4）:724-738.

[3] 吴洪祥. 多电平变换器及其相关技术研究[D]. 杭州:浙江大学, 2002.

[4] 王珍熙. 可靠性-冗余及容错技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 1991: 5-15.

[5] 陈阿莲. 新型多电平变换器组合拓扑结构和多电平变换器的容错技术[D]. 杭州: 浙江大学, 2005.