面向复合故障的牵引逆变器四桥臂容错控制

2017-04-01朱琴跃谭喜堂刘文龙

电源学报 2017年2期

关键词：桥臂开路电平

朱琴跃，管蕾，谭喜堂，刘文龙，陶灵

（同济大学电子与信息工程学院，上海201804）

面向复合故障的牵引逆变器四桥臂容错控制

朱琴跃，管蕾，谭喜堂，刘文龙，陶灵

（同济大学电子与信息工程学院，上海201804）

针对牵引变流器中NPC型三电平逆变器在一相或两相桥臂发生复合故障后的容错控制问题，在给出三电平逆变器四桥臂容错拓扑及其控制方式的基础上，通过分析逆变器主桥臂冗余矢量容错能力，归纳出复合故障类型，并就不同类型故障提出相冗余与矢量冗余相结合的容错控制策略，最终通过仿真建模对复合故障容错控制策略进行验证。仿真结果表明，三电平逆变器两相桥臂同时发生故障时可实现自动容错，故障后系统仍可全额或降额持续运行，验证了所提控制策略的有效性。

三电平逆变器；复合故障；四桥臂拓扑；容错控制

目前，在高速动车组牵引传动控制系统中，中点钳位型 NPC（neutral point clamped）三电平逆变器凭借其功率管开关应力低、拓扑较为稳定以及谐波含量较少等优势已被广泛用于牵引变流器的主体电路中。然而与两电平相比，三电平逆变器的拓扑结构和控制方式都更为复杂，故其内部器件发生故障的概率也大大增加，降低了列车安全运行的可靠性。一般而言，在实际运行过程中由于过压、过流和过热等情况导致牵引逆变器最易发生故障的部分主要为IGBT等开关器件［1］，而其故障类型则以开关管的开路和短路最为常见［2］。由于短路故障一般较难检测，对其检测通常可通过并联熔丝等器件转化为开路故障而进行。因此，在牵引逆变器工作过程中如何快速而准确地诊断开关管的开路故障并能在故障发生后采取有效的切换控制技术以确保系统维持基本稳定运行就显得十分重要，其中开路故障后的容错控制更是近年来国内外学者关注的研究问题。

迄今为止，众多学者对NPC三电平逆变器的容错控制进行了研究，取得的成果主要如下：①基于逆变器自身冗余的空间电压矢量进行故障容错控制［3-5］。该方法不需增加额外器件，成本较低，但由于故障后可用开关状态数目减少，故在某些情况下系统需降额运行甚至无法持续运行。②重构NPC逆变器拓扑的容错控制。该方法需在系统中增加冗余器件，如利用双向晶闸管来隔离故障桥臂［6］，或利用IGBT来代替每相桥臂上的二级管以增加空间电压矢量状态［7-8］，可有效避免容错后系统的降额运行，但却使得一些半导体器件承受全部的直流母线电压。③增加第4桥臂的容错控制。该方法基于相冗余的思想实现硬件冗余容错控制，即当某一相中有器件发生故障时，第4桥臂可替换整个故障相，拓扑重新转化为一个标准的NPC三电平逆变器形式［9-11］。显然，四桥臂的逆变器虽增加了成本，但却避免了容错后系统的降额运行及器件承受高耐压值的问题，目前来说是一个较为理想的容错控制方案。然而，现有关于四桥臂容错控制的研究主要针对于单相桥臂中单个器件发生故障的情况，而多相桥臂多个开关器件同时发生故障后的容错控制还未见展开深入研究。

为此，本文主要研究应用于牵引变流器中的NPC三电平逆变器部分在一相或两相桥臂发生开路复合故障的情况下，如何通过构建四桥臂拓扑，并结合逆变器自身空间电压矢量冗余，提出复合故障下逆变器的容错控制策略，以期更大程度地提高动车组牵引变流器的可靠性。

1 逆变器四桥臂拓扑构建及主桥臂容错能力分析

1.1 第四桥臂的控制

所构建的三电平逆变器四桥臂拓扑如图1所示。其中大虚线框内为a、b、c三相主桥臂，控制开关器件的导通或关断，可使每相桥臂的相电压输出3种状态，即正端电压P、负端电压N和中点零电位0。第4桥臂与3个主桥臂的构成相同，通过电感连接到逆变器中点［12］。该桥臂的主要目的是保证当主桥臂中某个IGBT发生故障时，可切换至故障相，使逆变器仍能持续运行；当正常无故障运行时，该桥臂可通过注入中点的局部平均电流补偿不平衡电流，平衡中点电压，从而抑制低频电压波动［13］。具体原理分析如下。

假设直流侧中点不平衡时流入或流出三相主桥臂的中点电流分别为，对其进行加权求和后可得流入或流出中点的局部平均电流为，具体可表示为

式中：dx为相x（x={a,b,c}）与中点相连时标准化的占空比；-为一个开关周期内相x的局部平均电流。

图1 三电平逆变器四桥臂拓扑结构Fig.1 Topology of three-level four-leg inverter

式中：Ts为采样或开关周期；vC2为直流侧电容C2两端电压的实际测量值；Vdc为直流侧电压。

表1 第4桥臂的开关状态Tab.1 Switch state of the fourth-leg

图2 1个开关周期内第4桥臂波形Fig.2 Currentwaveform of the fourth leg during one switching period

由图2可进一步求得1个开关周期TS内的iL为

1.2 主桥臂容错能力分析

在系统正常工作的情况下，第4桥臂作为冗余相平衡直流侧中点电位，其他3个主桥臂正常工作，每相均可以输出3种状态（P、N、0）的电压，共可输出33=27种状态组合，每种开关状态组合对应一个空间电压矢量，如图3所示。

正常工作时，在α-β二维平面的全部27个空间电压矢量如图3（a）所示。从图3（a）中可以看出，空间电压矢量组存在一定的冗余性，当某些矢量组合因故障而损失后，可利用冗余矢量进行容错控制，充分发挥逆变器自身的容错能力。以a相桥臂上不同器件开路故障为例分析逆变器三相主桥臂自身的容错能力。当外桥臂开关器件如（Sa1）发生故障时，A相桥臂无法输出P状态，此时图3（b）所示阴影覆盖面积为无法合成矢量区域，则可合成的空间电压矢量的范围减小到中间小正六边形区域内，幅值降低一半，即故障后系统可以降额运行。同样，当中间箝位二极管（如Da1）发生开路故障时，矢量图如图3（c）所示，故障后系统依然可以全额运行。然而当内桥臂开关器件（如Sa2）发生故障时，从图3（d）可以看出，阴影部分覆盖大部分面积，逆变器将无法继续合成旋转矢量［14］。

将这3种故障总结为3种类型，不同情况下逆变器的容错能力如表2所示。由表2可知，逆变器自身的冗余矢量对于不同故障状态的容错能力是不同的。按照容错能力，将故障分为轻度故障、中度故障和重度故障。通过故障检测技术加以判断，尽可能只在轻度故障和中度故障情况下利用冗余电压空间矢量进行容错控制；而对于重度故障的情况，则可以利用第4桥臂替换故障相的方式来进行容错控制。

图3 NPC三电平逆变器不同情况下的空间矢量Fig.3 Space vectors of three-level NPC inverter under different conditions

表2 不同故障时3个主桥臂容错能力Tab.2 Summary of fault-tolerant ability of three main legs with different kinds of fault

2 三电平逆变器复合故障分析及容错控制策略

2.1 复合故障分析

在逆变器运行过程中，如果其单个开关器件或二极管发生故障，则利用第4桥臂直接替换故障相桥臂。而当逆变器中2个开关器件同时发生故障时，需要就不同的故障类型采取不同容错控制方式。

根据以上分析，可能出现的复合故障类型如下：①故障类型1，两故障器件位于同一相桥臂；②故障类型2~7，两故障器件位于不同相桥臂，故障类型如表3所示，表中■表示其中一相发生对应级别的故障。

以a、b两相桥臂发生复合故障为例，故障类型1～7所对应的开路故障器件分别可以为：Sa1、Sa2，Da1、Db1，Sa1、Sb1，Sa2、Sb2，Da1、Sb1，Da1、Sb2，Sa1、Sb2。

表3 两故障器件位于不同相桥臂时的故障类型Tab.3 Fault types of the situation that the two faults are happened in different legs

图4 三电平逆变器四桥臂容错拓扑结构Fig.4 Four-leg fault-tolerant topology of three-level inverter

2.2 容错拓扑及其控制策略

2.2.1 容错拓扑结构

在图1所示四桥臂拓扑电路中增设接触器R1、Rx1和Rx2（x={a,b,c}）所形成的容错拓扑如图4所示，基于此便可实现故障发生时的拓扑重构，以实现故障桥臂的容错替换。重构过程如下。

假设相x（x={a,b,c}）中某一开关器件发生开路故障，则断开接触器Rx1，使故障桥臂与整个拓扑断开；若断开接触器R1，则将第4桥臂通过电感连接到直流侧中点的支路断开，此时电感电流iL被切断，不再具有平衡中点电位的作用；若闭合接触器Rx2，则以第4桥臂替换断开的故障桥臂，同时用故障桥臂的控制信号替换四桥臂原本的控制信号，此时负载电流ix通过接触器Rx2流向直流侧中点。

然而，重构后拓扑将不再拥有中点电压平衡能力，直流侧电容中点将会发生低频电压波动。如果第4桥臂中出现IGBT故障，则可使此桥臂停止工作，逆变器将保持标准NPC逆变器结构持续工作。另外，由于短路故障较难检测，故障后对系统的破坏较为严重，通常采取并联如熔丝等器件将短路故障转化为开路故障，故本文的容错控制方法均针对开路故障而言。

2.2.2 容错控制策略

当逆变器发生复合故障后，系统将选择不同方式进行容错控制。对于复合故障类型1，直接采用第4桥臂替换故障相，便可持续全额运行。对于后6种复合故障类型故障分布在两相桥臂上，考虑到对不同故障等级逆变器主桥臂的容错能力不同，为尽可能保持系统全额持续运行，选择将相对较重的故障相采用第4桥臂替换，相对较轻的相采用冗余矢量容错。如图5所示，矢量冗余控制优先从左边选取，第4桥臂替换优先从右边选取。

对后6种复合故障情况进行容错控制之后，系统的运行情况及容错控制方式如下：

图5 复合故障容错控制策略Fig.5 Fault-tolerant control strategy for the composite fault

（1）容错控制后系统全额运行。对应复合故障类型2、5、6，具体方式为对发生轻度故障的相进行矢量冗余容错，另外一相采用第4桥臂替换，容错后系统依然可以全额运行。例如：a相桥臂的钳位二极管发生开路故障，b相为内桥臂开关器件发生故障（Da1，Sb2发生故障），则需对a相采取矢量冗余容错，对b相采用第4桥臂替换。

（2）容错控制后系统降额运行。对应复合故障类型3、7，具体方式为对发生中度故障的相进行矢量冗余容错，另外一相采用第4桥臂替换。容错后系统虽无法全额运行，但依然可以保证持续运行。例如：a相桥臂的内桥臂开关器件发生开路故障，b相为外桥臂开关器件发生故障（Sa2,Sb1发生故障），则需对b相采取矢量冗余容错，对a相采用第四桥臂替换。

（3）系统无法运行。对应复合故障类型4，即使利用第4桥臂替换其中的一相主桥臂，另一相桥臂依然无法依靠自身的冗余矢量实现容错，因此系统无法持续运行，需要采取其他方式对拓扑进行重构。

3 仿真验证

为验证上述所提容错控制策略的有效性，本文针对CRH2A型动车组牵引变流器的逆变器部分基于Matlab软件搭建了三电平四桥臂容错拓扑控制仿真模型［15，16］。模型中主电路拓扑及其控制策略以及仿真参数均与牵引逆变器实际系统基本一致，且为便于观察仿真输出结果，采用了理想的阻感性负载。具体仿真参数为：中间直流电压Vdc=3 000 V，中间支撑电容C1=C2=4.25 mF，中点电感L=0.375 mH，阻感性负载的电阻和电感分别为5 Ω和12 mH，开关频率fs=5 kHz，三相输出电压基频为50 Hz。

3.1 单相桥臂故障容错仿真分析

当故障发生在单相桥臂上时，为保证逆变器的全额运行，直接采用第四桥臂替换故障相。以外桥臂开关器件Sb1开路故障为例，假设系统在t=0.02 s时发生故障，t=0.04 s进行容错，则输出线电压、负载电流仿真波形如图6所示。

图6 单相故障容错控制仿真波形Fig.6 Simulation waveforms with fault-tolerant control of single-phase fault

由图可知，当t=0.02 s发生故障后输出波形产生畸变；而当t=0.04 s时系统利用第四桥臂代替故障桥臂实现容错控制，此时系统转变为一个标准三桥臂的NPC逆变器，因此系统重新全额运行，输出电压及电流波形均恢复正常状态。

3.2 两相桥臂故障容错仿真分析

（1）容错后系统全额运行。假设逆变器两相故障桥臂中至少有一相为轻度故障。以复合故障类型6：a相的钳位二极管开路故障，b相的内桥臂开关器件Da1，Sb2开路故障为例进行仿真，故障后a相利用自身冗余矢量进行容错，b相桥臂利用第4桥臂替换。假设系统在t=0.02 s时发生故障，t=0.04 s进行容错，则仿真波形如图7所示。

由图可以看出，当系统发生复合故障且其中一相为轻度故障后，电压及电流波形均发生较为严重的畸变，然而当t=0.04 s进行自动容错控制后，系统依然可以全额运行。

图7 复合故障全额运行容错控制仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of composite fault with fault-tolerant in full operation

（2）容错后系统降额运行。两相故障桥臂中均没有轻度故障，至少有一相中度故障。以复合故障类型3：a相的外桥臂开关器件开路故障，b相为外桥臂开关器件Sa1，Sb1发生故障为例进行仿真，则故障后a相利用自身冗余矢量进行容错，b相桥臂利用第4桥臂替换，则仿真波形如图8所示。从图8中可以看出，当t=0.04 s进行自动容错后，系统可以降额运行，输出电压和负载电流的幅值均降低为正常运行情况下的一半。

图8 复合故障降额运行容错控制仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of composite fault with fault-tolerant control in derate operation

3.3 直流侧中点电位波动仿真

图9所示为t=0.04 s时第4桥臂直接替换故障桥臂后逆变器直流侧中点电压波动情况。

显然，由图可以看出，第4桥臂替换后，原本抑制直流侧中点波动的作用不再有效，中点电位波动显著增加，可知系统正常运行时，第4桥臂起到了平衡中点电位的作用，与理论分析相吻合。

图9 第4桥臂替换后中点电位波动Fig.9 Neutral point voltage fluctuation with the replacement of the fourth-leg

4 结论

（1）逆变器正常运行情况下，第4桥臂拓扑及控制方式有效抑制了逆变器直流侧中点电位波动，为主桥臂提供了可靠的钳位点。

（2）逆变器发生复合故障时，所提容错方案将冗余相与冗余矢量相结合，实现最优容错效果。在系统拓扑结构不变的情况下，较大程度上解决了复合故障的容错问题。

（3）通过Matlab仿真验证了所提控制策略的正确性。当逆变器复合故障发生在不同桥臂上时，通过容错控制可使系统持续全额或降额运行。

［1］Wikstron P W，Terens L A,Kobi H.Reliability,availability,and maintainability of high-power variable-speed rive systems［J］.IEEE Trans.Ind.Applica.，2000,36（1）：231-241.

［2］肖岚，李睿.逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究［J］.中国电机工程学报，2006,26（4）：99-104.Xiao Lan,Li Rui.Research on the open-circuit fault diagnosis of transistor in inverter paralleling system［J］.Proceedings of the CSEE,2006,26（4）：99-104（in Chinese）.

［3］Li Shengming,Xu Longya.Strategies of fault tolerant operation for three-level PWM inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21（4）:933-940.

［4］Li Shengming,Xu Longya.Fault-tolerant operation of a 150 kW 3-level neutral-point clamped PWM inverter in a flywheel energy storage system［C］.Industry Applications Conference,2001.Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2001 IEEE,Chicago,IL,USA,2001:585-588.

［5］李耀荣.基于SVPWM的多电平逆变器冗余控制技术的研究［D］.青岛：中国石油大学（华东）,2013. Li Yaorong.Research of the redundant control technology of multilevel inverter based on SVPWM［D］.Qingdao:China University of Petroleum（Hua Dong）,2013（in Chinese）.

［6］Farnesi S,Fazio P,Marchesoni M.A new fault tolerant NPC converter system for high power induction motor drives［C］.Diagnostics for Electric Machines,Power Electronics&Drives（SDEMPED）,2011 IEEE International Symposium on,Bologna,2011:337-343.

［7］Bruckner T,Bernet S,Guldner H.The active NPC converter and its loss-balancing control［J］.in IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52（3）:855-868.

［8］Li Jun,Huang A Q,Bhattacharya S,et al.Three-level active neutral-point-clamped（ANPC）converter with fault tolerant ability［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition,2009.APEC 2009.Twenty-Fourth Annual IEEE, Washington,DC,2009:840-845.

［9］Ceballos S,Pou J,Zaragoza J,et al.Efficient modulation technique for a four-leg fault-tolerant neutral-point-clamped inverter［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55（3）:1067-1074.

［10］Ceballos S,Pou J,Robles E,et al.Fault-tolerant hybrid four-leg multilevel converter［C］.European Conference on Power Electronics and Applications,2007:1-9.

［11］宋淼.三相四桥臂逆变器控制策略的研究［D］.武汉：华中科技大学 ,2010. Song Miao.Research on control technology of three phase four legs inverters［D］.Wuhan:Huazhong University of science and Technolgy,2010（in Chinese）.

［12］Ceballos S,Pou J,Zaragoza E,et al.Fault-tolerant neutral-point-clamped converter solutions based on including a fourth resonant Leg［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58（6）:2293-2303.

［13］李兴,靳斌,熊明,等.一种新的三电平NPC变换器中点电位平衡控制策略［J］.电源学报,2016,14（5）:96-104. Li Xing,Jin Bin,Xiong Ming,et al.A new neutral voltage balance control strategy of three-level NPC inverter［J］. Journal of Power Supply,2016,14（5）:96-104（in Chinese）.

［14］陈静，陈欢.NPC三电平逆变器容错技术［J］.电气技术, 2013,14（12）:43-46. Chen Jing,Chen Huan.Fault-tolerant techniques of NPC three-level inverter［J］.Electrical Engineering,2013,14（12）: 43-46（in Chinese）.

［15］李启明.三电平SVPWM算法研究及仿真［D］.合肥：合肥工业大学,2008. Li Mingqi.Method and simulation of three-level SVPWM control strategy［D］.Hefei:Hefei University of Technology, 2008（in Chinese）.

［16］李宁,王跃,蒋应伟,等.一种NPC型三电平变流器虚拟空间矢量调制策略的快速算法研究［J］.电源学报,2013, 11（6）:1-8. Li Ning,Wang Yue,Jiang Yingwei,et al.A fast algorithm for virtual space vector modulation strategy of NPC three level converter［J］.Journal of Power Supply,2013,11（6）: 1-8（in Chinese）.

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