一种考虑中点偏移的三电平逆变器容错控制策略

毛炳奎，成庶，陈特放，向超群



一种考虑中点偏移的三电平逆变器容错控制策略

毛炳奎1，成庶2，陈特放1，向超群2

(1. 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075； 2. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

对一种具有容错能力的NPC三电平逆变器进行研究。分析传统的SVPWM容错控制算法，发现传统SVPWM容错控制算法会导致中点电位偏移。中点电位偏移会影响电压矢量，进一步导致线性调制区域减小。为了抑制中点电位偏移，提出在合适的扇区补偿参考电压幅值的策略，并给出补偿量的计算方式。最后通过实验验证该容错控制策略能够在逆变器故障后保障逆变器继续工作的同时有效控制中点电位偏移。

NPC三电平逆变器；容错控制；中点电位补偿

NPC三电平逆变器作为应用最广泛的一类三电平逆变器，可靠性一直是众多学者关注的重点。发生故障需先进行故障诊断再进行容错控制。故障诊断与定位方法主要集中在开路方面，按使用信号不同可分为电流诊断法[1]与电压诊断法[2−3]。电流诊断法不需利用额外传感器但易受负载影响。电压诊断法需要增加电压传感器。目前的故障诊断定位技术已经可以准确检测与定位故障。容错控制策略可以分为2类，一类是增加一个冗余桥臂[4−6]，正常时冗余桥臂用来平衡中点电位，故障时用来代替取代故障桥臂。另一类是利用冗余矢量进行容错控制[7−11]。这类逆变器不增加冗余桥臂，故障后通过调整控制算法，利用冗余电压矢量进行控制。增加冗余桥臂会增加成本，逆变器结构和控制变得更加复杂，利用冗余矢量进行控制只需调整控制算法。利用冗余矢量进行容错控制时，故障后的中点电位平衡是技术难题[12]。中点电位不平衡会影响输出电压波形质量，降低逆变器输出能力，严重时会使设备停机[12−13]，这对一些对稳定性要求较高的场合是不允许的，如电网的并网过程。刘勇超等[7]利用SVPWM算法对逆变器进行容错控制，并比较了与载波调制下的效果，但未涉及中点电位控制。LI 等[8]提出利用固有的冗余电压矢量对NPC三电平逆变器在单相短路故障下进行容错控制，故障后中点电位通过滑膜控制器来控制，该方法需要用到开关状态信号和电流信号来计算中点电流。WANG 等[9]讨论了单相开路和单管开路故障下的容错控制，对于单相开路往载波中注入零序电压来抑制中点电位偏移，需要复杂的坐标变化与零序电压计算；对于单管开路，寻找损失小矢量的替代矢量来控制中点电位偏移，需要电流和电压信号来选择替代矢量。CHEN等[10]针对T型NPC三电平逆变器开路故障进行分析，对于半桥臂开路，通过调整参考电压幅值控制中点电位；对于NP开关开路，通过调节参考电压的导通时间来控制。刘勇超[11]将模型预测的思想融入到NPC三电平逆变器的容错控制中，建立转矩脉动、中点电位平衡、定子磁链的预测模型，通过寻求最优解来得到控制脉冲。但是模型预测需要建立精确的预测模型，代价函数的权重因子调节(P-Q问题)一直也没有很好的解决方法，控制算法整体复杂度很高，对控制器性能要求很高。本文针对NPC三电平逆变器故障，提出一种考虑中点不平衡的容错控制算法。介绍NPC三电平逆变器及其容错拓扑，推导了其数学表达式。分析由于故障带来的中点电位的影响，得出故障后中点电位偏移原因和这种偏移对逆变器输出能力的影响。提出补偿中点电位的控制策略。最后通过实验验证了该策略能够在逆变器故障后保障逆变器运行的同时补偿中点电位偏移。

1 NPC三电平逆变器作原理

1.1 NPC三电平逆变器工作原理分析

典型的NPC三电平逆变器拓扑结构如图1，定义开关函数

由式(1)中的开关函数可知，逆变器共有27种开关状态，对应27个电压矢量。分析图1中拓扑结构，可以得到式(2)，描述了U与电容电压和开关函数的关系。式(3)为相电压与的关系。式(4)为负载相电压与电压矢量的关系。将式(2)~(3)代入式(4)可以得到开关函数与电压矢量的关系，如图2。

=，，(2)

图2 NPC三电平逆变器电压空间矢量图

在图2的27个矢量中，可以分为4组，6个大矢量、6个中矢量、12个小矢量以及3个0矢量。定义电流由逆变器流向负载为相电流正方向，电流流出电容中点为中点电i正方向。可以得到每个电压矢量对应的中点电流，表1所示。

表1中大矢量和0矢量对中点电流没有影响，小矢量是成对出现的，成对小矢量对中点电流的影响相反，中矢量对中点电流有影响，但是没有成对的中矢量。

1.2 容错拓扑结构

图1中的拓扑结构没故障容错能力，有学者提出了图3的容错拓扑结构，给每相桥臂增加一组熔断丝，这组熔断丝在发生故障时，可以用来隔离故障相；另外给每一相增加了一条连接到电容中点的可控支路，正常时该支路不工作，当某相发生故障时，该支路用来将故障相负载连接到电容中点，实现故障后的拓扑重构。该拓扑结构相对于增加冗余桥臂而言，结构相对简单，对逆变器故障的容错能力强，单相的开路故障或短路故障，均可以隔离故障相。

图3的容错拓扑结构中，3个桥臂的结构是相同的，只需分析一相即可。以A相为例，当A相桥臂发生故障时，F1与F2会断开，将A相桥臂与直流母线隔离，T会开通，将A相负载连接到电容中点。

图3 具有容错能力的拓扑结构

表1 电压矢量与中点电流对应关系

2 故障后中点电位分析

2.1 故障后中点电位偏移对电压矢量的影响

表2 中点电位偏移后电压矢量

另外，3个矢量表达式满足式(11)，说明这3个电压矢量在1条直线上。同理可以发现，和3组矢量分别在3条直线上。这4条直线组成一个菱形。

(a) Δu=0；(b) Δu＞0；(c) Δu＜0

2.2 故障后中点电位偏移原因分析

故障后常采用的控制算法SVPWM算法，下面分析这种算法对电容电压的影响。该算法的作用原理为式(12)。

为了计算中点电流，定义电流从逆变器流向负载为正方向，令

2.3 中点电位偏移对输出能力的影响

R为菱形内切圆半径。

(a) Δ=0；(b) Δ＞0；(c) Δ＜0

图5 中点电位偏移对逆变器输出能力影响

Fig. 5 Mid-point potential shift impact on the inverter output capacity

由此可知，无论中点电位偏高还是偏低，均会降低逆变器的输出能力，因此需要保证故障后逆变器的输出能力，必须控制中点电位。

3 提出的控制策略

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图6 中点电位偏移补偿策略

图7 补偿量滞环控制器

当负载为电机时，式(28)中值为将电机负载等效为阻感负载时的电阻值，很难计算值。可以将(28)变形为(30)，将，和s的求值问题转换为k的调节问题。对于电机负载，不同工况，不同的电压阈值需要引入的补偿量也不同，在难以准确确定补偿量的时候，就可以动态调节k的值，而k的调节只要满足能够补偿中点电压的情况下，尽可能取较小的值即可。

4 实验结果

为验证本文提出的控制策略的正确性，搭建基于dSPACE的实验系统，如图8。直流电源使用600 V可调电源，控制器为dSPACE，控制周期为5 kHz。逆变器主电路拓扑IGBT为FF100R12RT4，中间由两个相同的电容串联组成，每个电容13 600 uF。负载为4 kW三相异步电机。将没有补偿中点偏移和本文提出的补偿中点偏移的容错方法进行对比，电机转速为1 410 rpm，转矩为5 N·m，在t1时刻进行容错控制。补偿量按式(30)计算，其中参数k=5。

图8 dSPACE实验控制系统

图9 未补偿电容电压波形

图10 未补偿转矩波形

图12~13为本文提出的补偿了中点电位偏移的容错控制策略效果。滞环控制器设定值上限为5 V，下限为1 V。图12电容电压在阈值内波动，在t1时进行容错控制，电容电压偏差未达到阈值上限，补偿量没有作用，电容1两端电压升高，电容2两端电压下降，中点电位偏低。到t2时偏移达到5 V，补偿量开始作用，电容电压逐渐恢复平衡，到t3时达到中点电位偏移只有1 V，到达阈值下限，停止补偿。停止补偿后电容电压又开始偏移，到t4时再次达到5 V，补偿量又开始作用，电容电压开始恢复，到t5时达到1 V，补偿策略停止作用。可以看出补偿策略可以很好地将电容电压控制在滞环区间内。图13为补偿策略作用后的转矩图，在t2~t3和t4~t5之间转矩波动较大，这2个时间段内引入补偿量的作用，带来的转矩波动，与第3节中提到的一致。t2~t3区间的转矩平均值eave=5.45，最大值Tmax=6.79，最大时波动为35.8%，平均值为9%。最大波动出现时间很短，波动平均值很小，属于可接受范围。图14为转速信号，转速一直稳定在1 410 rpm。

图11 未补偿转速波形

图12 补偿后电容电压波形

图13 补偿后转矩波形

图14 补偿后转速波形

5 结论

1) NPC三电平逆变器传统容错控制策略没有考虑中点电位控制，存在中点电位偏移现象。

2) 中点电位偏移造成中间电容分压不均，降低线性调制度区间，限制逆变器的输出能力，严重时会造成转矩脉动过大，使得设备停机。

3) 分析了中点电位偏移原因，并提出了在合适的区间补偿参考电压的方式，补偿中点电位偏移。并考虑到补偿量对系统控制精度的影响，通过引入滞环控制器来降低这种影响。通过实验验证了补偿策略能够在故障后保证一定输出能力的同时补偿中点电位偏移。

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A fault tolerant control strategy considering mid-point offset for three-lever inverter

MAO Bingkui1, CHENG Shu2, CHEN Tefang1, XIANG Chaoqun2

(1. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

A kind of neutral-point-clamped (NPC) three-level inverter which has fault tolerant capability is studied in this paper.It can be seen the neutral-point potential is offset under the traditional SVPWM strategy. Voltage vectors is influenced by the offset. And it will reduce the linear modulaion area. In order to surpress the neutral point potential offset, it proposes a strategy that compemsate the amplitude of the reference voltage according to the region. Besides, this paper gives way to calculate the compensation. Last ,experiment results show the proposed strategy can both ensure the inverter continue to be operated and effectively control the neutral-point potential offset.

NPC three-level inverter; fault tolerant control; neutral point potential compensation

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.030

TM464

A

1672 − 7029(2019)02 − 0509 − 09

2018−03−01

国家重点专项资助项目(2016YFB1200401)

成庶(1981−)，男，湖南长沙人，副教授，从事电力牵引及传动控制研究；E−mail：chengshu@csu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)