基于PEM中性点移位载波调制可重构控制仿真研究

2018-06-26张松涛

船电技术 2018年5期

张松涛，吕飞，吉哲

张松涛，吕飞，吉哲

（海军士官学校，安徽蚌埠 233012）

电力电子变换装置的重要发展方向是高电压大容量，多电平变换装置以电力电子模块（PEM）为基本单元，是实现高电压大容量的重要途径，可靠性是衡量模块化多电平变换装置优劣的重要性能指标。该文以电力电子模块多电平变换装置的可重构控制途径为基础，分析出了中性点移位加故障模块旁路重构法，计算出了多种故障状态下的中性点移位参数，提出了两种中性点移位载波调制（CPSPWM、SFO-CPSPWM）电力电子模块可重构控制策略，并进行了两种控制策略的对比仿真。仿真结果验证了两种载波调制可重构控制策略的有效性及正确性。

电力电子模块可重构控制中性点移位载波相移脉宽调制开关频率优化脉宽调制

0 前言

可靠性是衡量多电平变换装置性能优劣的重要指标，将故障单元旁路是级联多电平变换装置提高可靠性的常用方法[1]。

从基本单元概念思想出发，多电平变换装置是由多个基本单元形成的，因此可以将多电平变换装置的拓扑结构和控制策略的研究，统一为基本单元组合的研究[2]。多电平变换装置可看成由多个标准化、通用化电力电子模块按某种方式组合而成。级联型多电平变换装置能充分体现电力电子模块化设计，日益受到广泛关注[3-5]。

本文从电力电子模块出发，以电力电子模块多电平变换装置的可重构控制途径为基础，分析出了中性点移位加故障模块旁路重构法，计算出了多种故障状态下的中性点移位参数，提出了两种中性点移位载波调制的电力电子模块可重构控制策略，并以三相级联11电平变换装置可重构控制为例，进行了两种载波调制策略的对比仿真。仿真结果验证了控制策略的有效性及两种载波调制分析的正确性。

1 基于电力电子模块（PEM）可重构途径

1.1 电力电子模块概述

电力电子模块是基于模块化思想提出的。电力电子模块是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。

电力电子模块包括功率半导体器件、电平转换、门极驱动电路、保护电路、传感器、电源及无源器件等。电力电子模块有两个接口，分别是能量接口和通讯接口。通过接口，多个电力电子模块构成电力电子系统。电力电子模块最重要的特点是其元件和组装技术标准化。由于电力电子模块具有通用性、标准化和模块化的特点，使其构成的电力电子变化装置具有了可重构性。

电力电子积木(PEBB)和电力电子集成模块(IPEM)都是典型的电力电子模块。

1.2 中性点移位加故障模块旁路重构法

模块化变换装置发生故障时，通过触发旁路开关，将装置中的故障模块切除，同时采用适当控制策略控制正常的剩余模块，确保装置实现基本功能。

图1 电力电子模块主电路

如图1所示，电力电子模块的输出端（P、N）有接触器（J）的触点，当接触器线圈得电，其触点动作。正常时，接触器线圈不得电，其常闭触点闭合。模块发生故障时，相应模块接触器线圈得电，其常闭触点断开，常开触点闭合，将该模块旁路出电力电子系统，且不影响其它模块的运行。系统的可靠性通过故障模块旁路法能大大提高。

中性点移位方法由P.W.Hammond提出，采用该方法能够在故障的模块被旁路之后，还能获得最大的对称线电压[6]。

中性点移位利用变换器的星形点不连接到电机中性点，而且是浮动的，其可以偏离电机中性点。在变换器三相输出相电压不平衡的情况下，通过调整变换器三相输出电压的相位角，可以获得三相对称的线电压。

图2 中性点移位矢量图

若设变换器单相模块数为，则其电平数为=2+1，如果变换器三相（A、B、C）分别有a、b、c个模块发生了故障，则其每相有效模块数a、b、c分别为a=-a、b=-b、c=-c。

设m=a/、m=b/、m=c/，将其分别代入式(2)、(4)、(5)，可以得到变换器在多种数量模块故障情况下，获得最大对称线电压输出时的变换器中性点移位的参数。

表1列出了单相模块数为5，三相故障模块总数不超过3情况下，所有故障的中性点移位参数。

2 基于PEM级联多电平可重构控制策略

2.1 中性点移位载波相移脉宽调制

2.2 中性点移位载波相移-开关优化脉宽调制

CPSPWM具有输出谐波小的优点，SFOPWM具有直流电压利用率高和线性调制范围宽的优点[11]。因此，对于级联多电平变换装置，可以综合两种方法，即中性点移位载波相移-开关优化脉宽调制(SFO-CPSPWM)，从而兼具两者优点。

图3 中性点移位载波调制（CPSPWM或SFO-CPSPWM）框图

如图3所示，框图为模块化级联多电平变换装置载波调制的仿真模型，其具有中性点移位功能，并可选择是否采用CPSPWM或SFO-CPSPWM方法。

3 仿真分析验证

仿真对象：模块化三相级联11电平变换装置。

仿真参数：单相模块数为5,频率调制比f为10，装置输出频率为50 Hz。

仿真波形如下。

图4为变换装置正常工作时，载波调制信号及变换器输出线、相电压波形；其中，图4（a）、图4（b）采用CPSPWM方法（Ma不同），图4（c）采用SFO-CPSPWM方法（a与图4（b）相同）。

图5 模块故障中性点移位载波调制信号及输出线、相电压波形

图5为变换装置电力电子模块故障时，载波调制信号及变换器输出线、相电压波形；其中，图5（a）为Ｂ、C相各1模块故障，采用CPSPWM方法，图5（b）为A相3模块故障，采用CPSPWM方法，图5（c）为A相3模块故障，采用SFO-CPSPWM方法。

图4分析可得：①中性点移位载波相移脉宽调制（CPSPWM）和中性点移位载波相移-开关优化脉宽调制（SFO-CPSPWM）方法均能实现模块化级联多电平变换装置的正常控制；②图4（b）所示，当a大于1时，其输出电压出现饱和现象，可见，CPSPWM方法的线性幅度调制比最大为1；③图4（c）所示，a为1.2时，输出电压没有出现饱和，SFO-CPSPWM方法的最大线性幅度调制大于1。

图5分析可得：①中性点移位载波相移脉宽调制（CPSPWM）和中性点移位载波相移-开关优化脉宽调制（SFO-CPSPWM）方法均能进行故障控制，在故障模块旁路后实现对称的线电压输出；②变换器相与相之间的故障模块个数相差越小，输出对称线电压质量越好（图5（a）、图5（b））；③中性点移位CPSPWM方法，当幅度调制比a大于对应故障的V值（表1）时，会出现饱和现象，进入过调制区；④中性点移位SFO-CPSPWM方法，即使幅度调制比a大于中对应故障的V值时，也没有进入过调制区。

4 结论

本文以电力电子模块多电平变换装置的可重构控制途径为基础，分析出了中性点移位加故障模块旁路重构法，计算出多种故障状态下的中性点移位参数，提出中性点移位载波相移脉宽调制（CPSPWM）与中性点移位载波相移-开关频率优化脉宽调制（SFO-CPSPWM）两种基于电力电子模块可重构控制策略，以三相级联11电平变换装置可重构控制为例，进行了两种载波调制策略的对比仿真。仿真结果验证了中性点移位载波组调制控制策略的有效性及两种载波调制理论分析的正确性。基于电力电子模块可重构变换装置系统方案设计及实现将作为下一步研究内容。

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Research on Control Strategy Reconstruction Based on Power Electronic Module