1 引言
過去的十年中，多電平逆變器在高壓大功率變頻調(diào)速領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注[1]。提出了各種各樣的主電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略。目前，在多電平逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)方面主要有二極管箝位、飛跨電容、單元級聯(lián)等方式，其中，單元級聯(lián)多電平逆變器由于具有模塊化結(jié)構(gòu)，且輸入電流和輸出電壓諧波小，被廣泛應用于高壓大功率交流電機變速驅(qū)動[2]~[4]。

圖1 級聯(lián)11電平逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

單元級聯(lián)方式按單元自身拓撲結(jié)構(gòu)的不同可分為同構(gòu)級聯(lián)(所有單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同)和異構(gòu)級聯(lián)(單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全相同)，按單元所加直流電壓的不同可分為電壓相等和電壓不等的級聯(lián)方式。在國內(nèi)，大功率電機的電壓大多數(shù)為6000v等級，考慮到功率器件選擇、系統(tǒng)的性能和制造工藝等因素，選擇11電平的電壓相等的同構(gòu)級聯(lián)方式是一種較為合理的結(jié)構(gòu)，這時，各單元輸出的電壓為693v，可以選擇耐壓為1700v的igbt功率器件。圖1是各單元所加直流電壓相等的同構(gòu)級聯(lián)組成11電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，其中a1，…，a5，b1，…，b5，c1，…，c5都具有相同的電路拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 具有旁路功能的h橋功率變換單元

2 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計問題
高壓大功率電機在生產(chǎn)或生活中的作用和影響通常較大，對可靠性要求很高。然而，高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)通常由多個單元組成，即使單元可靠性較高，系統(tǒng)總體可靠性也很難保證，例如，對于15個單元組成的逆變器系統(tǒng)，當系統(tǒng)不具備容錯能力時，即使單元可靠性為99%，系統(tǒng)的可靠性也只有86%。由于單元的可靠性不可能無限制地提高，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用某種形式的容錯設(shè)計是高壓大功率變速驅(qū)動系統(tǒng)的通常要求。

最常用的方法是工頻旁路方法，如圖3所示，工頻旁路由3個高壓隔離開關(guān)ks1、ks2和ks3組成，ks2與ks3在電氣和機械上實現(xiàn)互鎖，確保不能同時閉合。驅(qū)動器正常時， ks1和ks2閉合，ks3斷開，電機變速運行。驅(qū)動器異常時，ks1和ks2斷開，驅(qū)動器停止運行，ks3可以手動或自動閉合，電機工頻運行。對于使用逆變器的目的只是為了節(jié)能，而對調(diào)速沒有太多要求的場合，該方法是有效的。其缺點是只要逆變器任何部分出現(xiàn)故障，整個逆變器就將停止運行，對于工藝過程要求電機必須變速運行的場合，該方法不適用。

圖3 工頻旁路方法

對于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多電平逆變器，可以采用故障單元旁路方法提高系統(tǒng)的可靠性。如圖2所示，在每個單元的輸出端增加兩個晶閘管(或一個接觸器)即可實現(xiàn)故障單元旁路。逆變器正常時，晶閘管k1，k2關(guān)斷。當檢測到某單元發(fā)生故障時，使相應的晶閘管k1，k2導通，將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其它單元的運行，逆變器可持續(xù)降額運行，這樣可避免單個單元的故障而導致系統(tǒng)故障的產(chǎn)生，以致停機。圖4是15個單元組成的逆變器系統(tǒng)的可靠性與單元可靠性之間的關(guān)系，其中r0，r1，r2，r3，r4分別為系統(tǒng)可容許0，1，2，3，4個單元故障時的系統(tǒng)可靠性。從圖中可以看出，如果系統(tǒng)能容許一個單元故障，且單元可靠性為99%，系統(tǒng)的可靠性可以達到99%，比系統(tǒng)沒有容錯能力時提高13%。故障單元旁路方法可以對任何可檢測的故障提供保護，而不是僅在功率器件故障時提供保護，從而可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

圖4 系統(tǒng)可靠性與單元可靠性間的關(guān)系(15單元)

當逆變器某相單元被旁路時，輸出電壓將變得不平衡，為了使得電機獲得三相對稱電壓，必須采取一定的措施克服電壓不平衡問題。一種最簡單的措施是在所有三相中旁路掉相同的單元數(shù)，既使某些單元并沒有發(fā)生故障。這種方法避免了不平衡，但是犧牲了電壓容量。采用空間矢量調(diào)制并利用級聯(lián)逆變器的冗余狀態(tài)[5]，可以在一定程度上提高單元故障時的逆變器的輸出電壓，但是正如下面將要解釋的，該方法并沒有充分利用所有單元的輸出能力。hammond[2]提出了中性點移位(neutral shift)方法，該方法可以在單元故障時，充分利用剩余單元的能力，獲得最大的對稱線電壓。

3 中性點移位原理
中性點移位是利用逆變器的星形點是浮動的，且不連接到電機中性點，所以，星形點可以偏離電機中性點。盡管逆變器三相輸出電壓不平衡，但通過調(diào)整逆變器三相輸出電壓的相位角可以得到三相平衡的電機線電壓。設(shè)逆變器的星形點為n1，逆變器相對于星形點為n1的三相輸出電壓分別為va=asin(ωt+θ0)、vb=bsin(ωt+θ0-θb)、 vc=csin(ωt+θ0+θc);電機中性點為n0，電機相對于中性點n0的三相電壓分別為 ;星形點n1相對于中性點n0的移位電壓為vn=vnsin(ωt+θn)，上述各電壓的矢量關(guān)系如圖5所示。

圖5 三相不對稱系統(tǒng)的中性點移位示意圖

從圖5中可知和vn之間滿足如下關(guān)系:

通過一些簡單的推導可以得出，當θb,θc滿足式(2)時可以獲得最大的對稱線電壓，對應的線電壓的幅值vl及相電壓的幅值vm滿足式(4)，對應的中性點移位電壓vn的幅值vn及相角θn滿足式(5)。


4 中性點移位的應用
設(shè)逆變器為各單元直流電壓相等的同構(gòu)級聯(lián)方式, 每相的級聯(lián)單元數(shù)為k, 電平數(shù)為m=2k+1, 逆變器正常時三相輸出相電壓為1。如果逆變器三相分別有fa, fb, fc個單元發(fā)生故障, 則令a=(k-fa)/k, b=(k-fb)/k, c=(k-fc)/k分別代入式(2)、(4)、(5)可以得到逆變器各種故障情況下獲得最大輸出電壓的中性點移位參數(shù)。表1列出了k=5時，故障單元總數(shù)不大于3時, 不同故障的中性點移位參數(shù)。表中沒有列出由fa, fb, fc的換位而形成的不同故障類型。

采用不同控制策略時，應選用不同的中性點移位參數(shù)。中性點移位參數(shù)中的θb,θc適用于采用不對稱矢量控制，而中性點移位參數(shù)θn，vn適用于采用載波調(diào)制，不管采用哪種控制方式中性點移位參數(shù)vm均作為電壓給定值的線性調(diào)制區(qū)的限幅值。

表1 不同故障狀態(tài)下的中性點移位參數(shù)(k=5)


從表1中可以看出，當發(fā)生一個單元故障時，逆變器可以輸出93%的額定電壓，而如果采用三相旁路相同的單元數(shù)只能得到80%的額定電壓。采用常規(guī)空間矢量控制，并利用逆變器的冗余狀態(tài)可以獲得90%的額定電壓，造成這種現(xiàn)象的原因可以解釋如下:在采用常規(guī)空間矢量方法控制時，由于各相電壓相差120°，只要逆變器三相故障單元數(shù)不相等，必然造成其中某相輸出最大電壓的不充分利用，而利用中性點平移技術(shù)，采用不對稱矢量控制方式，則可以使三相電壓同時得到充分利用。以上解釋通過圖6所示的電壓矢量分布圖很容易理解，圖6是k=3，fa=2，fb=fc=0時的基本矢量分布圖，圓圈代表故障影響的矢量，點代表故障單元旁路后仍然有效的矢量。兩種不同分布情況下，最大輸出電壓分別為67%，74%的額定電壓。

圖6 故障情況下的矢量分布圖(k=3，fa=2，fb=fc=0)

如果采用載波調(diào)制，為提高直流電壓利用率通常采用開關(guān)頻率最優(yōu)脈寬調(diào)制sfopwm[6]。在故障單元旁路后，注入的零序電壓voff的計算如下:

其中vo為三相對稱時的零序電壓。由式(6)可知，零序電壓不僅包含三次諧波電壓，也包含基波分量，基波分量的大小就等于移位電壓為vn。故障時線電壓，相電壓，以及零序電壓等的關(guān)系如圖7所示。

圖7 故障時各種電壓量之間的關(guān)系(k=5, fa=0, fb=1, fc=2)

5 結(jié)束語
高壓大功率電機在生產(chǎn)或生活中的作用和影響通常較大，對可靠性要求很高。為提高系統(tǒng)總體可靠性，高壓大功率調(diào)速系統(tǒng)通常要采用某種形式的容錯功能。級聯(lián)多電平逆變器的一個顯著特點就是其內(nèi)在的容錯能力，即故障單元旁路技術(shù)。當逆變器某相單元被旁路時，輸出電壓將變得不平衡。為了使得電機獲得三相對稱電壓，且使輸出電壓盡可能大，從而減小因單元旁路造成的逆變器的降額程度，通常采用中性點移位技術(shù)。本文從理論上對中性點移位技術(shù)進行了分析, 給出了計算中性點移位參數(shù)的一般性公式。這些參數(shù)既可用于矢量控制, 也可用于載波調(diào)制, 既可用于單元模塊直流電源電壓相等的同構(gòu)級聯(lián), 也可用于單元電壓不等的同構(gòu)級聯(lián)或異構(gòu)級聯(lián)多電平逆變器的控制。

參考文獻
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[5] s.m.wei, b.wu, f.h.li, x.d.sun. control bbbbbb for cascaded h-bridge multilevel inverter with faulty power cells[a]. conference records in applied power electronics conference and exbbbbbbbb, apec'2003:261-267.
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作者簡介
汪光森(1969-) 男 博士后 主要從事電力電子與電力傳動方面的研究與開發(fā)。