CN111262422B - 基于载波比较的三电平npc逆变器容错控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法。定义三相正弦波的最大值、中间值和最小值分别为U_max、U_mid和U_min，零序电压为U₀，所述的控制方法通过在30°到150°相角区域令U₀＝‑U_max，在210°到330°区域令U₀＝‑U_min，在其余区域令U₀＝‑U_mid，得到A相单管故障时的三相调制波。通过在150°到270°区域令U₀＝‑U_max，在330°到90°区域令U₀＝‑U_min，在其余区域令U₀＝‑U_mid，得到B相单管故障时的三相调制波。通过在270°到30°区域令U₀＝‑U_max，在90°到210°区域令U₀＝‑U_min，在其余区域令U₀＝‑U_mid，得到C相单管故障时的三相调制波。通过将故障相直接与直流母线中点相连，得到外管短路或内管开路故障时的容错拓扑。基于调制波与载波比较，得到各功率器件的PWM信号。本发明控制方法提高了三电平NPC逆变器的可靠性，并具备计算简单、易于方便的优点。

Description

基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种容错控制方法。

背景技术

三电平NPC(Neutral Point Clamped)逆变器的主电路拓扑如图1所示，通过控制每相由上到下四个可控功率器件的开通与关断，三电平NPC逆变器可输出三种不同的电平状态。相比于两电平逆变器，三电平NPC逆变器具有输出功率大、输出电流谐波含量低等优点；相比于级联H桥多电平拓扑，三电平NPC逆变器结构更简单、更易实现背靠背运行。因此，三电平NPC逆变器在冶金采矿、航空航天、变频调速等大功率领域得到了广泛的应用。

三电平NPC逆变器属于多电平电压源型逆变器。文献《多电平电压源型逆变器的容错技术综述》(徐帅.[J].电工技术学报,2015,30(21):39-50.)指出，对于多电平逆变器，随着电平数的增加，逆变器的能量密度和功率半导体器件的数量也随之增加。而受当前半导体器件整体制造水平的限制，逆变器发生故障的概率也在增大。在航空航天、变频调速等对设备连续运行要求较高的场合，一旦逆变器故障导致系统停机，不仅会产生巨大的经济损失，而且可能造成严重的灾难事故。

逆变器的容错控制是指当逆变器发生故障时，通过重构逆变器拓扑，或者调整控制策略，或者以二者结合的方式，在满足性能指标基本不变或在可接受的范围内略有牺牲的前提下维持系统的持续、安全、可靠运行。采用容错控制是提高逆变器可靠性和安全性的有效方法，因此，研究适用于三电平NPC逆变器的容错控制方法具有实际的应用价值。

三电平NPC逆变器共存在27个空间矢量，定义三电平NPC逆变器由高到低输出的三种电平状态分别为P、O、N，则三电平NPC逆变器的各空间矢量可总结于图2。图2中各空间矢量依据其幅值大小可分类为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量，具体分类如表1。

表1三电平NPC逆变器的各空间矢量分类

位置相同且幅值相同的两个空间矢量互为冗余矢量，由表1可知，三电平NPC逆变器的零矢量和小矢量存在冗余状态。故当功率器件发生故障时，可通过合理使用冗余空间矢量，使三电平NPC逆变器实现容错运行。

针对单个功率器件发生短路故障的情况，文献《Fault-tolerant operation of a150kW 3-level neutral-point-clamped PWM inverter in a flywheel energy storagesystem》(Li Shengming.[C].Conference Record of the 2001IEEE IndustryApplications Conference,2001,1:585-588.)提出了一种基于调整控制策略的容错控制方法，即通过选择使用特定冗余零矢量或特定冗余小矢量合成参考电压，来避免短路故障导致的电平状态丢失。该方法无需增加额外的电力电子器件便可实现逆变器短路故障后的容错运行，但该方法会导致输出相电压出现两电平跳变并会对中点电位平衡造成不良影响。

针对单个功率器件发生开路故障的情况，文献《三电平逆变器故障诊断与容错控制研究》(王真.[D].江苏:中国矿业大学,2015.)提出了一种基于重构逆变器拓扑和调整控制策略相结合的容错控制方法。该方法在某一相发生开路故障时，通过熔断器断开故障桥臂并导通双向晶闸管将故障相负载直接连接至中点，并设计了拓扑重构后的SVPWM策略。但该方法原理复杂，且存在一个开关周期内产生两个脉冲的特殊情况，需对脉冲的生成方式做特殊处理。

以上两种方法均基于SVPWM实现，均需计算各空间矢量的作用时间，步骤繁琐、计算复杂。此外，以上方法只适用于三电平NPC逆变器的单管短路故障或开路故障，并不具备使得三电平NPC逆变器在任意单管故障情况下实现容错运行的能力。

发明内容

为克服传统三电平NPC逆变器容错控制方法存在的不足，本发明提出一种基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法。本发明作用下的输出相电压不存在两电平跳变并且不会导致中点电位不平衡，可保证三电平NPC逆变器在任意单管故障情况下实现容错运行。此外，本发明直接通过三相调制波与载波比较得到各功率器件的PWM信号，无需计算各空间矢量的作用时间，工程实现非常方便。

定义三相正弦波的最大值、中间值和最小值分别为U_max、U_mid和U_min，零序电压为U₀，本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法通过在30°到150°相角区域令U₀＝-U_max，在210°到330°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到A相单管故障时的三相调制波。本发明控制方法通过在150°到270°区域令U₀＝-U_max，在330°到90°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到B相单管故障时的三相调制波。本发明控制方法通过在270°到30°区域令U₀＝-U_max，在90°到210°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到C相单管故障时的三相调制波。本发明控制方法通过将故障相直接与直流母线中点相连，得到外管短路或内管开路故障时的容错拓扑。基于调制波与载波比较，本发明控制方法得到各功率器件的PWM信号。通过以上步骤，本发明控制方法可基于载波比较实现三电平NPC逆变器的容错控制。

本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法具体如下：

1、判定三相正弦波最大值、中间值和最小值

本发明对三相正弦波最大值、中间值和最小值的判定方法如下：

式(1)中，U_max、U_mid和U_min分别代表三相正弦波的最大值、中间值和最小值，U_am、U_bm和U_cm分别代表A相调制波、B相调制波和C相调制波。本发明对三相正弦波定义如下：

式(2)中，t为时间，f代表正弦波频率，M代表正弦波标幺后的幅值，M的最大幅值限定为0.577。

2、确定A相功率器件出现单管短路或开路故障时，零序电压和三相调制波的表达式

当三电平NPC逆变器的A相功率器件出现单管短路或开路故障时，本发明对零序电压U₀定义如下：

当相角位于30°到150°相角区域，令U₀＝-U_max；当相角位于210°到330°相角区域，令U₀＝-U_min；当相角位于330°到30°或150°到210°相角区域，令U₀＝-U_mid。

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上可得到A相单管故障时的三相调制波，即：

式(3)中，U_am、U_bm和U_cm分别代表A相调制波、B相调制波和C相调制波。

3、确定B相功率器件出现单管短路或开路故障时，零序电压和三相调制波的表达式

当三电平NPC逆变器的B相功率器件出现单管短路或开路故障时，本发明对零序电压U₀定义如下：

当相角位于150°到270°相角区域，令U₀＝-U_max；当相角位于330°到90°相角区域，令U₀＝-U_min；当相角位于90°到150°或270°到330°相角区域，令U₀＝-U_mid。

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上可得到B相单管故障时的三相调制波。

4、确定C相功率器件出现单管短路或开路故障时，零序电压和三相调制波的表达式

当三电平NPC逆变器的C相功率器件出现单管短路或开路故障时，本发明对零序电压U₀定义如下：

当相角位于270°到30°相角区域，令U₀＝-U_max；当相角位于90°到210°相角区域，令U₀＝-U_min；当相角位于30°到90°或210°到270°相角区域，令U₀＝-U_mid。

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上可得到C相单管故障时的三相调制波。

5、确定外管短路或内管开路故障时的容错拓扑

定义三电平NPC逆变器每相由上到下四个功率器件分别为T₁、T₂、T₃和T₄，外管短路指的是T₁或T₄出现短路故障，内管开路指的是T₂或T₃出现开路故障。当三电平NPC逆变器出现外管短路或内管开路故障时，本发明通过将故障相直接与直流母线中点相连，得到故障时的容错拓扑。将故障相直接与直流母线中点相连的方法如下：

1)当A相功率器件出现外管短路或内管开路故障时，断开A相桥臂，将A相负载直接连接至直流母线的中点。B相、C相桥臂保持不变；

2)当B相功率器件出现外管短路或内管开路故障时，断开B相桥臂，将B相负载直接连接至直流母线的中点。A相、C相桥臂保持不变；

3)当C相功率器件出现外管短路或内管开路故障时，断开C相桥臂，将C相负载直接连接至直流母线的中点。A相、B相桥臂保持不变。

6、确定载波的表达式

本发明所使用的载波为两个幅值、相位、频率和方向相同的三角载波组Carrier_up和Carrier_dn；本发明对Carrier_up和Carrier_dn的定义如下：

式(4)中，f_carr为载波频率，t_carr代表载波时间因子，有0≤t_carr≤1/f_carr。

时间因子t_carr的计算方法如下：

t_carr＝t-(int(f_carrt))/f_carr (5)

式(5)中，int表示数值向下取整，t代表时间。

7、制定调制波与载波的比较规则

本发明基于调制波与载波比较，得到各功率器件的PWM信号；定义三电平NPC逆变器由高到低输出的三个电平状态分别为P、O、N，本发明制定调制波与载波的比较规则如下：

1)当调制波同时大于Carrier_up和Carrier_dn时，控制三电平NPC逆变器对应相输出电平状态为P；

2)当调制波小于Carrier_up且大于Carrier_dn时，控制三电平NPC逆变器对应相输出电平状态为O；

3)当调制波同时小于Carrier_up和Carrier_dn时，控制三电平NPC逆变器对应相输出电平状态为N。

附图说明

图1三电平NPC逆变器主电路拓扑；

图2三电平NPC逆变器的空间矢量图及60度扇区划分；

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e三电平NPC逆变器的A相功率器件出现单管故障时可输出的空间矢量情况，其中：图3a对应A相无法输出O电平，图3b对应A相无法输出N电平，图3c对应A相无法输出P电平，图3d对应A相无法输出O和P电平，图3e对应A相无法输出O和N电平；

图4a、图4b、图4c三电平NPC逆变器的功率器件出现外管短路或内管开路故障时的容错拓扑，其中：图4a对应A相功率器件出现外管短路或内管开路故障时的容错拓扑，图4b对应B相功率器件出现外管短路或内管开路故障时的容错拓扑，图4c对应C相功率器件出现外管短路或内管开路故障时的容错拓扑；

图5利用调制波与载波比较得到NNN→ONN→OON→OOO的示意图；

图6本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法的具体实施流程图；

图7a、图7b、图7c、图7d实施例中A相功率器件Ta1出现短路故障时的仿真结果，其中：图7a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图7b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流，图7c为故障时使用本发明控制方法后的A相电压、B相电压及其对应的调制波和载波，图7d为故障时使用本发明控制方法后的线电压FFT分析结果；

图8a、图8b实施例中A相功率器件Ta2出现短路故障时的仿真结果，其中：图8a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图8b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流；

图9a、图9b实施例中A相功率器件Ta3出现短路故障时的仿真结果，其中：图9a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图9b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流；

图10a、图10b实施例中A相功率器件Ta4出现短路故障时的仿真结果，其中：图10a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图10b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流；

图11a、图11b、图11c、图11d、图11e实施例中B相功率器件Tb1出现开路故障时的仿真结果，其中：图11a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图11b为故障时不使用容错控制方法的线电压FFT分析结果，图11c为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流，图11d为故障时使用本发明控制方法后的A相电压、B相电压及其对应的调制波和载波，图11e为故障时使用本发明控制方法后的线电压FFT分析结果；

图12a、图12b实施例中B相功率器件Tb2出现开路故障时的仿真结果，其中：图12a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图12b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流；

图13a、图13b实施例中C相功率器件Tc3出现开路故障时的仿真结果，其中：图13a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图13b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流；

图14a、图14b实施例中C相功率器件Tc4出现开路故障时的仿真结果，其中：图14a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图14b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

定义三相正弦波的最大值、中间值和最小值分别为U_max、U_mid和U_min，零序电压为U₀，本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法通过在30°到150°相角区域令U₀＝-U_max，在210°到330°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到A相单管故障时的三相调制波。本发明控制方法通过在150°到270°区域令U₀＝-U_max，在330°到90°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到B相单管故障时的三相调制波。本发明控制方法通过在270°到30°区域令U₀＝-U_max，在90°到210°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到C相单管故障时的三相调制波。本发明控制方法通过将故障相直接与直流母线中点相连，得到外管短路或内管开路故障时的容错拓扑。基于调制波与载波比较，本发明控制方法得到各功率器件的PWM信号。通过以上步骤，本发明控制方法可基于载波比较实现三电平NPC逆变器的容错控制。

本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法具体如下：

1、判定三相正弦波最大值、中间值和最小值

本发明通过比较三相调制波与载波实现三电平NPC逆变器的容错控制。为得到各功率器件的PWM信号，需确定三电平NPC逆变器在出现单管故障时的三相调制波表达式和载波表达式。三相调制波由三相正弦波叠加零序电压得到，而零序电压与三相正弦波的最大值、中间值和最小值有关，故首先判定三相正弦波的最大值、中间值和最小值。

2、确定A相功率器件出现单管短路或开路故障时，零序电压和三相调制波的表达式

当三电平NPC逆变器的A相功率器件出现单管短路或开路故障时，本发明在相角位于30°到150°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_max；在相角位于210°到330°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_min；在相角位于330°到30°或150°到210°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_mid。其中，U_max、U_mid和U_min分别代表三相正弦波的最大值、中间值和最小值。

A相功率器件出现单管短路或开路故障时的零序电压U₀推导过程如下：

当图1中的A相功率器件Ta1发生短路故障时，为防止上桥臂直通短接直流母线电容C₁，A相桥臂不能输出O电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3a所示。

当图1中的A相功率器件Ta4发生短路故障时，为防止下桥臂直通短接直流母线电容C₂，A相桥臂不能输出O电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3a所示。

当图1中的A相功率器件Ta2发生短路故障时，为防止下桥臂直通短接直流母线电容C₂，A相桥臂不能输出N电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3b所示。

当图1中的A相功率器件Ta3发生短路故障时，为防止上桥臂直通短接直流母线电容C₁，A相桥臂不能输出P电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3c所示。

当图1中的A相功率器件Ta1发生开路故障时，A相桥臂不能输出P电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3c所示。

当图1中的A相功率器件Ta4发生开路故障时，A相桥臂不能输出N电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3b所示。

当图1中的A相功率器件Ta2发生开路故障时，A相桥臂不能输出P电平和O电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3d所示。

当图1中的A相功率器件Ta3发生开路故障时，A相桥臂不能输出N电平和O电平状态，此时三电平NPC逆变器可输出的空间矢量如图3e所示。

总结以上结论，将A相功率器件出现单管故障时，A相可输出的电平状态总结于表2。

表2A相在A相功率器件出现单管故障时可输出的电平状态

分析表2，当A相功率器件出现Ta2短路或Ta3短路或Ta1开路或Ta4开路时，A相均可输出O电平。基于图3b和图3c，此时可使用零矢量OOO和特定冗余小矢量来合成参考电压。针对A相只输出O电平的情况，在避免相电压两电平跳变和三相功率器件同时动作的前提下，设计图2所示的不同扇区内的矢量序列如表3。

表3A相只输出O电平时对应的矢量序列

分析表2，当A相功率器件出现Ta2开路时，A相只可输出N电平；当A相功率器件出现Ta3开路时，A相只可输出P电平。由图3d和图3e可知，此时无法利用冗余零矢量和冗余小矢量来正常合成参考电压。为使得三电平NPC逆变器可在此种故障情况下容错运行，需重构三电平NPC逆变器拓扑，即将A相桥臂断开，并将A相负载直接连接至直流母线中点。A相功率器件出现内管开路故障时的逆变器容错拓扑如图4a所示。

图4a的逆变器容错拓扑可将A相输出电平状态钳位为O电平，此时在不同扇区内使用的矢量序列和表3一致。

分析表2，当A相功率器件出现Ta1短路或Ta4短路时，A相可输出N电平和P电平。基于图3a，此时可使用零矢量NNN、PPP和特定冗余小矢量来合成参考电压。当调制比为0.35，参考电压位于扇区2内时，对应的矢量序列为PPO→NON→NNN，其会导致三相功率器件同时动作，并且A相会出现相电压两电平跳变，造成安全隐患。

为避免三相功率器件同时动作并避免相电压两电平跳变，当A相功率器件出现Ta1短路或Ta4短路时，同样重构三电平NPC逆变器拓扑如图4a。此时A相输出电平状态钳位为O电平，矢量序列和表3一致。

综合以上分析，当A相功率器件出现任意单管故障时，均可使用表3的矢量序列来保证三电平NPC逆变器的容错运行。在此基础上，进一步分析表3矢量序列对应的零序电压U₀。

对比表3，扇区1、6内的矢量序列本质为舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

扇区3、4的矢量序列本质为舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

扇区2的矢量序列分别为舍弃P型小矢量PPO的矢量序列OON→OOO→OPO→PPO和舍弃N型小矢量NON的矢量序列NON→OON→OOO→OPO；扇区5的矢量序列分别为舍弃N型小矢量NNO的矢量序列NNO→ONO→OOO→OOP和舍弃P型小矢量POP的矢量序列ONO→OOO→OOP→POP。

针对矢量序列

以扇区1为例，具体为NNN→ONN→OON→OOO。设采样周期为T_s，NNN在一个采样周期内作用时间为kTime1，对应冗余状态OOO作用时间为(1-k)Time1，ONN作用时间为Time2，OON作用时间为Time3。其中，k代表冗余零矢量时间分配因子，有0≤k≤1。由调制波等效原理可得：

式(6)中，U_a、U_b和U_c分别为A相正弦波、B相正弦波和C相正弦波，U_am、U_bm和U_cm分别代表A相调制波、B相调制波和C相调制波，U₀为零序电压，k为冗余零矢量因子，有0≤k≤1。

利用调制波与载波比较，得到矢量序列NNN→ONN→OON→OOO的示意图如图5所示。

分析图5可知：

将式(7)代入式(6)，可推导得到：

定义三相正弦波的最大值、中间值和最小值分别为U_max、U_mid和U_min，对于图5所示的调制波，有：

U_max＝U_a U_min＝U_c (9)

将式(9)代入式(8)，可得：

由式(10)可得U₀＝(k-1)U_max-kU_min-k。当矢量序列舍弃NNN，只使用OOO时，有冗余零矢量时间分配因子k＝0，对应U₀＝-U_max。

由于30°到150°相角区域内的矢量序列均为舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

故当相角位于30°到150°相角区域时，A相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_max。

针对舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

同样原理可求得零序电压为U₀＝-U_min。由于210°到330°相角区域内的矢量序列均为舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

故当相角位于210°到330°相角区域时，A相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_min。

针对扇区2内舍弃P型小矢量PPO的矢量序列OON→OOO→OPO→PPO和舍弃N型小矢量NON的矢量序列NON→OON→OOO→OPO，同样原理可求得零序电压为U₀＝-U_mid。由于330°到30°或150°到210°相角区域内的矢量序列均为舍弃P型小矢量的矢量序列和舍弃N型小矢量的矢量序列，故当相角位于330°到30°或150°到210°相角区域时，A相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_mid。

总结以上推论，可知：A相功率器件出现单管故障时，当相角位于30°到150°相角区域，令零序电压U₀＝-U_max；当相角位于210°到330°相角区域，令零序电压U₀＝-U_min；当相角位于330°到30°或150°到210°相角区域，令零序电压U₀＝-U_mid。

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上便可得到A相单管故障时的三相调制波。

此外，表3的矢量序列只在调制比低于0.5的情况下可以正确的合成参考电压，则当三电平NPC逆变器在调制比0.5以上时出现单管故障，为实现本发明容错控制方法，需将三相正弦波的幅值限制为0.577，对应调制比为0.5。

3、确定B相功率器件出现单管短路或开路故障时，零序电压和三相调制波的表达式

当三电平NPC逆变器的B相功率器件出现单管短路或开路故障时，本发明在相角位于150°到270°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_max；在相角位于330°到90°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_min；在相角位于90°到150°或270°到330°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_mid。其中，U_max、U_mid和U_min分别代表三相正弦波的最大值、中间值和最小值。

B相功率器件出现单管短路或开路故障时的零序电压U₀推导过程如下：

与A相功率器件出现单管故障时的情况类似，当B相功率器件出现任意单管故障时，在避免相电压两电平跳变和三相功率器件同时动作的前提下，设计图2所示的不同扇区内的矢量序列如表4。

表4B相只输出O电平时对应的矢量序列

对比表4，扇区2、3内的矢量序列本质为舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

扇区5、6的矢量序列本质为舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

扇区1的矢量序列分别为舍弃N型小矢量ONN的矢量序列ONN→OON→OOO→POO和舍弃P型小矢量PPO的矢量序列OON→OOO→POO→PPO；扇区4的矢量序列分别为舍弃P型小矢量OPP的矢量序列NOO→OOO→OOP→OPP和舍弃N型小矢量NNO的矢量序列NNO→NOO→OOO→OOP。

针对舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

对应零序电压U₀＝-U_max。由于150°到270°相角区域内的矢量序列均为舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

故当相角位于150°到270°相角区域时，B相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_max。

针对舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

对应零序电压为U₀＝-U_min。由于330°到90°相角区域内的矢量序列均为舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

故当相角位于330°到90°相角区域时，B相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_min。

针对扇区1舍弃N型小矢量ONN的矢量序列ONN→OON→OOO→POO和舍弃P型小矢量PPO的矢量序列OON→OOO→POO→PPO，对应零序电压为U₀＝-U_mid。由于90°到150°或270°到330°相角区域内的矢量序列均为舍弃P型小矢量的矢量序列和舍弃N型小矢量的矢量序列，故当相角位于90°到150°或270°到330°相角区域时，B相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_mid。

总结以上推论，可知：B相功率器件出现单管故障时，当相角位于150°到270°相角区域，令零序电压U₀＝-U_max；当相角位于330°到90°相角区域，令零序电压U₀＝-U_min；当相角位于90°到150°或270°到330°相角区域，令零序电压U₀＝-U_mid。

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上便可得到B相单管故障时的三相调制波。

4、确定C相功率器件出现单管短路或开路故障时，零序电压和三相调制波的表达式

当三电平NPC逆变器的C相功率器件出现单管短路或开路故障时，本发明在相角位于270°到30°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_max；在相角位于90°到210°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_min；在相角位于30°到90°或210°到270°相角区域时，令零序电压U₀＝-U_mid。其中，U_max、U_mid和U_min分别代表三相正弦波的最大值、中间值和最小值。

C相功率器件出现单管短路或开路故障时的零序电压U₀推导过程如下：

与A相功率器件出现单管故障时的情况类似，当C相功率器件出现任意单管故障时，在避免相电压两电平跳变和三相功率器件同时动作的前提下，设计图2所示的不同扇区内的矢量序列如表5。

表5C相只输出O电平时对应的矢量序列

对比表5，扇区4、5内的矢量序列本质为舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

扇区1、2的矢量序列本质为舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

扇区3的矢量序列分别为舍弃N型小矢量NON的矢量序列NON→NOO→OOO→OPO和舍弃P型小矢量OPP的矢量序列NOO→OOO→OPO→OPP；扇区6的矢量序列分别为舍弃P型小矢量POP的矢量序列ONO→OOO→POO→POP和舍弃N型小矢量ONN的矢量序列ONN→ONO→OOO→POO。

针对舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

对应零序电压U₀＝-U_max。由于270°到30°相角区域内的矢量序列均为舍弃冗余零矢量NNN，只使用零矢量OOO的矢量序列

故当相角位于270°到30°相角区域时，C相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_max。

针对舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

对应零序电压为U₀＝-U_min。由于90°到210°相角区域内的矢量序列均为舍弃冗余零矢量PPP，只使用零矢量OOO的矢量序列

故当相角位于90°到210°相角区域时，C相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_min。

针对扇区1舍弃N型小矢量ONN的矢量序列ONN→OON→OOO→POO和舍弃P型小矢量PPO的矢量序列OON→OOO→POO→PPO，对应零序电压为U₀＝-U_mid。由于90°到150°或270°到330°相角区域内的矢量序列均为舍弃P型小矢量的矢量序列和舍弃N型小矢量的矢量序列，故当相角位于30°到90°或210°到270°相角区域时，C相单管故障时的零序电压均有U₀＝-U_mid。

总结以上推论，可知：C相功率器件出现单管故障时，当相角位于270°到30°相角区域，令零序电压U₀＝-U_max；当相角位于90°到210°相角区域，令零序电压U₀＝-U_min；当相角位于30°到90°或210°到270°相角区域，令零序电压U₀＝-U_mid。

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上便可得到C相单管故障时的三相调制波。

5、确定外管短路或内管开路故障时的容错拓扑

当三电平NPC逆变器出现外管短路或内管开路故障时，为使得故障相只输出O电平，需重构三电平NPC逆变器拓扑，即将故障相桥臂断开并将故障相负载直接连接至直流母线中点。A相、B相、C相功率器件出现外管短路或内管开路故障时的逆变器容错拓扑分别如图4a、图4b、图4c所示。

6、确定载波的表达式

本发明基于三相调制波与载波比较得到各功率器件的PWM信号，故需进一步确定载波的表达式。

7、制定调制波与载波的比较规则

在确定三相调制波表达式、载波表达式和外管短路或内管开路故障时的容错拓扑的基础上，制定三相调制波与载波的比较规则，利用三相调制波与载波比较直接得到PWM信号，从而基于载波比较实现三电平NPC逆变器的容错控制。

本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法的实施流程如图6所示。

本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法作用下的输出相电压不存在两电平跳变并且不会导致中点电位不平衡，可保证三电平NPC逆变器在任意单管故障情况下实现容错运行。此外，本发明直接通过三相调制波与载波比较得到各功率器件的PWM信号，无需计算各空间矢量的作用时间，工程实现非常方便。

下面结合实施例说明本发明的实施效果。

本发明实施例借助PSIM软件搭建三电平NPC逆变器模型，利用仿真验证本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法的有效性。实施例仿真条件为：直流侧电压5000V，上母线电容C₁和下母线电容C₂均为10mF，基波频率50Hz，载波频率750Hz，调制比为0.35，逆变输出侧负载为1Ω电阻串联2mH电感，仿真步长10us。

图7a、图7b、图7c、图7d是实施例中A相功率器件Ta1出现短路故障时的仿真结果，其中：图7a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图7b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流，图7c为故障时使用本发明控制方法后的A相电压、B相电压及其对应的调制波和载波，图7d为故障时使用本发明控制方法后的线电压FFT分析结果。对比图7a和图7b，当A相功率器件Ta1出现短路故障时，若不使用容错控制方法，会导致中点电位不平衡和三相电流波形畸变；而本发明的容错控制方法通过将A相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Ta1出现短路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变，且直流母线上端电压和下端电压偏差值较小。图7c表明本发明控制方法通过调制波与载波比较直接得到PWM信号，其计算简单、实现方便，而且在其作用下的相电压波形不会出现两电平跳变。当调制比0.35时，对应线电压基波幅值理论值为1750V，由图7d可知，当A相功率器件Ta1出现短路故障且调制比低于0.5时，本发明控制方法作用下的线电压基波幅值与理论值偏差在1.2％以内，从而可精准的输出参考电压。

图8a和图8b是实施例中A相功率器件Ta2出现短路故障时的仿真结果，其中：图8a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图8b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流。对比图8a和图8b，当A相功率器件Ta2出现短路故障时，若不使用容错控制方法，会导致中点电位不平衡和三相电流波形畸变；而本发明的容错控制方法通过将A相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Ta2出现短路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变，且直流母线上端电压和下端电压偏差值较小。

图9a和图9b是实施例中A相功率器件Ta3出现短路故障时的仿真结果，其中：图9a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图9b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流。对比图9a和图9b，当A相功率器件Ta3出现短路故障时，若不使用容错控制方法，会导致中点电位不平衡和三相电流波形畸变；而本发明的容错控制方法通过将A相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Ta3出现短路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变，且直流母线上端电压和下端电压偏差值较小。

图10a和图10b是实施例中A相功率器件Ta4出现短路故障时的仿真结果，其中：图10a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图10b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流。对比图10a和图10b，当A相功率器件Ta4出现短路故障时，若不使用容错控制方法，会导致中点电位不平衡和三相电流波形畸变；而本发明的容错控制方法通过将A相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Ta4出现短路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变，且直流母线上端电压和下端电压偏差值较小。

图11a、图11b、图11c、图11d和图11e是实施例中B相功率器件Tb1出现开路故障时的仿真结果，其中：图11a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图11b为故障时不使用容错控制方法的线电压FFT分析结果，图11c为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流，图11d为故障时使用本发明控制方法后的A相电压、B相电压及其对应的调制波和载波，图11e为故障时使用本发明控制方法后的线电压FFT分析结果。由图11a和图11b可知，当B相功率器件Tb1出现开路故障时，若不使用容错控制方法，B相无法输出P电平，会导致B相电流严重畸变，而且线电压基波幅值与理论值偏差较大，系统无法准确输出参考电压。图11c表明，本发明的容错控制方法通过将B相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Tb1出现开路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变。图11d为本发明控制方法通过调制波与载波比较直接得到PWM信号的仿真图，其表明本发明控制方法计算简单、实现方便，而且在其作用下的相电压波形不会出现两电平跳变。由图11e可知，当B相功率器件Tb1出现开路故障且调制比低于0.5时，本发明控制方法作用下的线电压基波幅值与理论值偏差在1.2％以内，从而可精准的输出参考电压。

图12a和图12b是实施例中B相功率器件Tb2出现开路故障时的仿真结果，其中：图12a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图12b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流。对比图12a和图12b，当B相功率器件Tb2出现开路故障时，若不使用容错控制方法，会导致B相电流严重畸变；而本发明的容错控制方法通过将B相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Tb2出现开路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变。

图13a和图13b是实施例中C相功率器件Tc3出现开路故障时的仿真结果，其中：图13a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图13b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流。对比图13a和图13b，当C相功率器件Tc3出现开路故障时，若不使用容错控制方法，会导致C相电流严重畸变；而本发明的容错控制方法通过将C相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Tc3出现开路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变。

图14a和图14b是实施例中C相功率器件Tc4出现开路故障时的仿真结果，其中：图14a为故障时不使用容错控制方法的三相电压、三相电流，图14b为故障时使用本发明控制方法后的三相电压、三相电流。对比图14a和图14b，当C相功率器件Tc4出现开路故障时，若不使用容错控制方法，C相无法输出N电平，会导致C相电流严重畸变；而本发明的容错控制方法通过将C相输出电平钳位到O电平来使得三电平NPC逆变器在Tc4出现开路故障时继续容错运行，在其作用下的三相电流波形不会产生大的畸变。

如图7a、图7b、图7c、图7d～图14a、图14b所示，实施例的结果验证了本发明基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法的有效性。本发明可保证三电平NPC逆变器在任意单管故障情况下实现容错运行，且在其作用下的输出相电压不存在两电平跳变并且不会导致中点电位不平衡。此外，本发明直接通过三相调制波与载波比较得到各功率器件的PWM信号，其无需计算各空间矢量的作用时间，计算简单、步骤简洁、工程实现方便。

Claims (7)

1.一种基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，定义三相正弦波的最大值、中间值和最小值分别为U_max、U_mid和U_min，零序电压为U₀，所述控制方法通过在30°到150°相角区域令U₀＝-U_max，在210°到330°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到A相单管故障时的三相调制波；通过在150°到270°区域令U₀＝-U_max，在330°到90°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到B相单管故障时的三相调制波；通过在270°到30°区域令U₀＝-U_max，在90°到210°区域令U₀＝-U_min，在其余区域令U₀＝-U_mid，得到C相单管故障时的三相调制波；通过将故障相直接与直流母线中点相连，得到外管短路或内管开路故障时的容错拓扑；基于调制波与载波比较，得到各功率器件的PWM信号；通过以上方法，基于载波比较实现三电平NPC逆变器的容错控制；

三相正弦波定义如下：

上式中，t为时间，f为正弦波频率，M代表正弦波标幺后的幅值，M的最大值限定为0.577；

三相正弦波最大值、中间值和最小值的判定方法如下：

上式中，U_max为三相正弦波的最大值、U_mid为三相正弦波的中间值、U_min为三相正弦波的最小值，U_a为A相正弦波、U_b为B相正弦波、U_c为C相正弦波；

通过将零序电压U₀叠加到三相正弦波上得到三相调制波，即：

上式中，U_am为A相调制波，U_bm为B相调制波，U_cm为C相调制波；

载波为两个幅值、相位、频率和方向相同的三角载波组Carrier_up和Carrier_dn；Carrier_up和Carrier_dn的定义如下：

上式中，f_carr为载波频率，t_carr代表载波时间因子，有0≤t_carr≤1/f_carr；

载波时间因子t_carr的计算方法如下：

t_carr＝t-(int(f_carrt))/f_carr

上式中，int表示数值向下取整，t代表时间。

2.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，当三电平NPC逆变器的A相功率器件出现单管短路或开路故障时，所述的零序电压U₀定义如下：

当相角位于30°到150°相角区域，令U₀＝-U_max；当相角位于210°到330°相角区域，令U₀＝-U_min；当相角位于330°到30°或150°到210°相角区域，令U₀＝-U_mid；

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上得到A相单管故障时的三相调制波。

3.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，当三电平NPC逆变器的B相功率器件出现单管短路或开路故障时，所述的零序电压U₀定义如下：

当相角位于150°到270°相角区域，令U₀＝-U_max；当相角位于330°到90°相角区域，令U₀＝-U_min；当相角位于90°到150°或270°到330°相角区域，令U₀＝-U_mid；

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上得到B相单管故障时的三相调制波。

4.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，当三电平NPC逆变器的C相功率器件出现单管短路或开路故障时，所述的零序电压U₀定义如下：

当相角位于270°到30°相角区域，令U₀＝-U_max；当相角位于90°到210°相角区域，令U₀＝-U_min；当相角位于30°到90°或210°到270°相角区域，令U₀＝-U_mid；

将以上零序电压U₀叠加到三相正弦波上得到C相单管故障时的三相调制波。

5.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，所述控制方法通过将故障相直接与直流母线中点相连，得到外管短路或内管开路故障时的容错拓扑；将故障相直接与直流母线中点相连的方法如下：

1)当A相功率器件出现外管短路或内管开路故障时，断开A相桥臂并将A相负载直接连接至直流母线的中点，B相、C相桥臂保持不变；

2)当B相功率器件出现外管短路或内管开路故障时，断开B相桥臂并将B相负载直接连接至直流母线的中点，A相、C相桥臂保持不变；

3)当C相功率器件出现外管短路或内管开路故障时，断开C相桥臂并将C相负载直接连接至直流母线的中点，A相、B相桥臂保持不变。

6.根据权利要求5所述的基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，定义三电平NPC逆变器每相由上到下四个功率器件分别为T₁、T₂、T₃和T₄，所述的外管短路指的是T₁或T₄出现短路故障，内管开路指的是T₂或T₃出现开路故障。

7.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平NPC逆变器容错控制方法，其特征在于，所述控制方法基于调制波与载波比较，得到各功率器件的PWM信号；定义三电平NPC逆变器由高到低输出的三个电平状态分别为P、O、N，调制波与载波的比较规则如下：

1)当调制波同时大于Carrier_up和Carrier_dn时，控制三电平NPC逆变器对应相输出电平状态为P；

2)当调制波小于Carrier_up且大于Carrier_dn时，控制三电平NPC逆变器对应相输出电平状态为O；

3)当调制波同时小于Carrier_up和Carrier_dn时，控制三电平NPC逆变器对应相输出电平状态为N。

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