双PWM功率变换器容错策略的比较

陆 茵

（湖北省建筑设计院，湖北 武汉 430212）

西方国家在PWM功率变换器的容错控制方面的研究起步较早，且主要针对逆变侧，采用将故障相的端点接至母线中点的方法。国内针对电力电子故障容错的研究多与国外类似，而对整流侧功率管故障的容错策略以及整流逆变同时故障时的一体化容错策略少有研究。文章对一体化容错后重构的三相双PWM系统特点及其性能进行了比较分析，并针对不同功率变换器故障情况下采用的容错策略进行了总结。

1 容错拓扑结构简介

功率管的开路故障可以分为以下几种情况：

（1）整流侧一个桥臂出现故障时，其可能的容错拓扑结构有3种：①采用单相整流容错；②接至母线电容中点容错；③接至逆变侧桥臂容错。

（2）逆变侧一个桥臂出现故障时，其可能的容错拓扑结构有3种：①电机单相运行容错；②接至母线电容中点容错；③接至整流侧桥臂容错。

（3）整流侧两个桥臂出现故障时，其可能的容错拓扑结构有2种：①分别接至母线电容中点和逆变侧桥臂容错；②单相整流容错运行。

（4）逆变侧两个桥臂出现故障时，其可能的容错拓扑结构有3种：①单相整流-接电容中性点逆变容错；②单相整流-电机单向运行容错；③连接至整流桥和电容中性点容错。

（5）整流侧和逆变侧分别有一个桥臂发生故障时，其可能的容错拓扑结构有3种：①单相整流-接电容中性点逆变容错；②单相整流-电机单向运行容错；③整流侧与逆变侧均接至电容中性点。

2 容错控制策略的比较分析

2.1 电机单相容错运行

逆变侧单桥臂故障时，采用电机单相运行的容错方式时Q1Q4和Q2Q3两组功率器件同时通断，且同一桥臂两个开关管件交替通断，控制信号的产生和驱动电路相对简单。但是仍然存在以下问题：由于电机的主绕组和副绕组电流在相位仍不可避免的存在差值，因此会有电流流向中性点N，其大小为主绕组和副绕组电流之和。中性点的电流使逆变器输出电压波动加大，同时可以看到d、q轴上的实际电流分量存在两倍电磁频率的波动，从而导致转矩也存在两倍电磁频率的波动，如公式（1）（2）所示。

2.2 整流侧接至母线电容中点容错运行

整流侧单桥臂故障时采用将故障相连接至电容中性点的容错方式。由于电源的一相直接与两电容相接，电源相电流就会流经电容使其电压产生波动，要使系统正常工作必须采取相应补偿措施来平衡两分裂电容电压。

电磁转矩与转子电流的关系为：

电磁转矩公式：

对于接入电容中性点的容错方法，电机的相端点接入母线电容中点导致的母线电压存在波动：

式中：UC2为两个分裂母线电容的下半个，C2为其电容值。

在规则采样SPWM中，相电压的谐波解析表达式为：

式中：Vdc为母线电压值。母线电压的波动会导致相电压的波动从而造成转矩波动，A相电压值为：

将式（8）代入式（5），若不采取补偿措施，则转矩电压的波动情况为：

为了补偿电容电压不平衡造成影响，可在输出的给定线电压值中加入电容偏差电压：

2.3 逆变侧接至整流侧桥臂容错运行

逆变侧单桥臂故障时，将逆变侧的故障端接至整流侧桥臂，使得整流侧和逆变侧共用一个桥臂。电动机电流模型满足关系式：

离散化处理：

式中：θ为转子磁链的位置；Lr为转子电感；Rr为转子电阻；Fs为转子磁链角频率与额定角频率之比；ωn为额定电角频率；n为转子实际转速与额定转速之比。整流侧电压矢量频率与逆变侧频率不同时，V*g10、V*g20、V*g30、V*l10、V*l20含有两种不同的频率，导致整流侧的网侧电流失控。

2.4 整流侧单相整流容错运行

针对整流部分一个桥臂出现故障时，采用单相整流容错运行。此时母线电压的鲁棒性较正常运行情况下差，并且会存在一定的两倍网频的波动。

在给定转速发生改变时，母线电容波动会比正常运行时增大将近一倍。同时控制器对于输入为正弦信号相应会较慢，且需要在网侧使用锁相环定向电压相位。采用三相四开关整流时电压输出量最小值为1080V，采用单相整流时电压输出量最小值为310V。

3 结束语

整流侧一个桥臂出现故障时，将故障桥臂输入端接至母线电容中点，否则采用整流侧单相整流运行的策略；整流侧两个桥臂出现故障时，将故障输入端的一个端点接至母线电容中点，整流侧按单相半桥运行。逆变侧一个桥臂出现故障时，故障相端点改接至母线电容中点；逆变侧两个桥臂出现故障时，可以将故障一相端点接至电容母线中点，另一端接至整流侧的一个桥臂。整流侧和逆变侧分别有一个桥臂发生故障时，整流侧和逆变侧故障端均接至电容中性点，否则采用整流侧单相整流运行、逆变侧接至电容中性点。