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128中性点移位在级联型逆变器单元故障处理中的应用及优化王旭徐彬臧义东北大学摘要：介绍了基于中性点移位原理的级联H桥型逆变器故障处理方式，与传统的故障处理方式相比，这种处理方法能够利用所有的非故障单元，增加输出电压幅值。但是仅进行中性点移位处理，会导致输出电压低次谐波成分增加；提出了适合中性点移位原理的载波相移参数调整方法，分别对三相输出进行优化处理，输出电压的谐波含量与故障前一致。实验结果验证了该方法的正确性。关键词：级联H桥多电平逆变器单元故障中性点移位谐波分析ApplicationandOptimizationofNeutralShiftinginCell-faultTreatmentforCascadedH-bridgeInverterWangXuXuBinZangYiAbstract:Basedonneutralshiftingcontrolmethodforcell-faulttreatmentofcascadedH-bridgeinverter,theoutputvoltageisincreasedthantraditionalcontrolmethod.Thevoltagesarebalancedbutdistortedwithsomeloworderharmonicifsomeparametersarenotadjustedproperly.Anoptimizedmethodsuitableforharmoniccancellationisproposedforneutralshiftingbasedcontrolmethodundercell-faultconditions.Theexperimentalresultsverifythevalidityoftheproposedmethod.Keywords:cascadedH-bridgesmultilevelinvertercellfaultneutralshiftharmonicanalysis1引言级联H桥型多电平逆变器可以采用故障单元旁路的方法来提高系统的可靠性，因而在重要的中高压大功率交流电机调速系统中得到了广泛的应用[1-2]。当逆变器某故障单元被旁路时，需要采取特殊的控制策略，以保证电机获得三相对称的电压。传统的控制方法是把另外两相上与故障单元相对应的非故障单元也进行旁路处理，主电路每相保持相同的单元数，从而保证三相输出相电压幅值相同，对称降容运行。这种方法是可行的，但是部分非故障单元的输出能力没能得到充分利用[2-3]。文献4中提出了基于中性点移位原理的故障处理方法，可以在仅旁路故障单元的情况下获得最大的对称线电压。但是故障后仅进行中性点移位而不对其它调制参数进行优化的话，会导致129系统输出电压的低次谐波成分大幅增加，严重时会影响系统的稳定运行。为此，本文提出了相应的优化措施，在中性点移位的同时，适当调整相关的调制参数，优化故障后级联系统的输出，使其谐波特性与故障前保持一致。试验结果验证了这种优化方式在故障处理中的正确性。2中性点移位原理在级联型逆变器故障处理中的应用中性点移位是利用逆变器的中性点是浮动的，且不连接到负载中点（例如三相电机），因此逆变器中性点可以偏离负载中点。尽管逆变器输出三相相电压不平衡，但通过调整相电压的相位可以得到三相平衡的负载线电压。这样的调整方式，相当于故障后在各相剩余单元输出的不对称电压上共同叠加一个零序分量，以合成三相对称的线电压。由于两个中点不直接连接，因此该线电压在负载上可以产生对称的负载相电压，从而保证负载的稳定运行。图1为中性点移位工作原理示意图。图1中性点移位原理示意图图1中的虚线三角形表示故障前相、线电压间关系；在发生故障后，各相剩余的单元数用NA、NB、NC表示，该值正比于各相能够提供的电压值，通过适当调整这三相电压中性点O的位置，即可得到三相对称的线电压，此时逆变器电压的中点位置为O’，O’相对于O点的移位电压为vn。A相与另外两相的相位角不再是120°，分别为θb和θc，此时相、线电压间的关系以实线表示。设R为图中三角形外接圆的半径，表示中性点移位后等效相电压的幅值。用NA，NB，NC与等边三角形三边可以构造出3个不规则的小三角形，这3个三角形面积之和与等边三角形面积相同，因此可以求出R值。通过运算，即可得到各种故障状态下中性点移位参数的表达式13022213cos2ABbABNNRNN(1)22213cos2ACcACNNRNN(2)360abc(3)22210330cos23ABANRNRN(4)2202cosnAAvRNRN(5)2221cos2nAnnvRNRv(6)这些参数可用在故障后的控制策略中，如参数θn和vn适用于载波调制。6单元级联系统采用中性点移位在Nf个单元故障后的相关参数如表1所示。表中列出了故障后输出电压能够维持在额定电压80%以上的各种容错情况，NABC/3N表示剩余的非故障单元总数占所有单元的比例。Vn和Vc分别表示故障后采用中性点移位法和传统方法的最大输出能力。表1不同故障状态下的中性点移位参数NfNA,NB,NC(NABC/3N)/%θb/(°)θc/(°)Vn/%Vc/%06,6,610012012010010015,6,694.4125.4125.494.283.326,5,588.9113.1113.188.566.74,6,6130.5130.587.835,5,583.312012083.3504,5,6142.8115.882.13,6,6135.5135.580.9可见故障单元总数为3时，中性点移位法仍能够得到与传统方式首次容错类似的效果。3中性点移位故障处理方式的优化在单元发生故障被旁路后，理论上通过改变差补调制方法中各相参考波的相位角θ，即可实现级联逆变器的中性点偏移，得到对称的线电压。但是具体实现中，针对不同的调制方式，如果其它参数不进行适当调整的话，得到的线电压只是幅值上相等，输出谐波将会增加，甚至电压幅值也不能够达到完全平衡。当采用载波相移调制时，如果故障单元旁路后不调整故障相非故障单元间载波相移角度δ，会导致输出波形有效值减少，低次谐波增加。因此该参数必须进行调整。在传统故障处理中由于三相对称，故障后可以不必调整载频比。但中性点移位后三相结构上不对称，载频比不调整的话，三相相电压虽然均不含低次谐波，但高次谐波频带出现的位置不同，会导致线电压中出现两处高次谐波频带，谐波含量增加。因此，必须对载频131比进行调整，保持三相线电压高次谐波频带位置一致。因此，对基于中性点移位原理进行故障处理的方法，在处理单元故障后，为了得到较为理想的输出，需要进行调整的参数如下：1)调整正弦参考波相位。调整的原则参照第2节的公式；对于6单元级联系统，可参考表1。调整的目的是为了得到对称的线电压输出。2)调整载波相移角度。在故障后每相串联的(N－Nf)个H桥载波相位依次相移的角度δ应调整为)/(πffNN(7)当每相故障单元数目不同时，各相载波相移的角度也各不相同。δf表示故障相载波相移角度。3)增加故障相载频比或减少非故障相载频比。故障后调整载频比的目的是维持三相输出电压的高次谐波频带位置尽量都与故障前一致。由于会出现三相故障数目不同的情况，因此调整的最终目的是要使各相的高次谐波频带ωk=2×N×kc×ω0保持一致，即：kAkBkC(8)cfCfCcfBfBcfAfAkNNkNNkNN)()()((9)实现这一目的需要增加故障数较多相的载频比，其中kcfA，kcfB，kcfC分别表示A，B，C相故障后的载频比。按照以上原则，结合中性点移位原理，用调整后的参数控制故障后的级联系统，可以消除输出电压中的低次谐波，维持良好的输出特性。4实验分析为了验证前面提出的调整原则，对A相一单元故障后的6单元级联系统进行了实验分析。系统正常工作时采用载波相移差补调制方式，故障后利用中性点移位原理进行故障处理，下面分别对采用优化措施前后进行比较分析。A相一单元故障后测得的三相相电压波形如图2a所示，由于一个单元故障后最大输出能力为故障前的94%，采用恒压频比控制，此时对应的频率为47Hz，kc=15。故障后仅参考波相位按照中性点移位原理进行了适当调整，参考波相位变化参数在表1中已经给出，B，C相与A相的相位差θb和θc从故障前的120°调整为125.4°；可以看出故障相输出波形质量不理想。对应的线电压波形如图2c所示，三相幅值基本平衡。受A相故障的影响，线电压VCA与VAB132波形质量较差。与之相应的谐波分析如图2e所示。从谐波分析结果可以看出，由于故障后A相输出未优化，导致线电压中与A相相关的AB相线电压低次谐波含量增加，而BC相的线电压输出未受到影响。按照本文提出的优化原则对这一故障情况进行优化处理。A相一个单元故障后，该单元被旁路，调整A相和其它两相间的相位角度来实现中性点的偏移，得到三相对称的线电压。为了消除A相的低次谐波，载波间相移角度δ从故障前的π/6调整至π/5即36°，则该相电压10c以内的谐波几乎均被消除。此时只要相应增大A相的kcA至12/10kc就可以使A相电压的高频带10cA和B，C相的12c保持一直，所以取kcA=18，从而线电压中不会出现两个高频带。从相电压波形图2b可以看出，A相输出电压波形比优化前有所改善。优化后带故障系统输出的线电压波形基本一致，幅值平衡，如图2d所示。从图2f所示的谐波分析结果可以看出，由A相单元故障造成的低次谐波均被消除。系统输出电压的谐波带与故障前一致，仍维持在较高的频带，对负载的影响很小。(a)未优化时的相电压波形(b)优化后的相电压波形(c)未优化时的线电压波形(其中两相)(d)优化后的线电压波形(其中两相)133(e)未优化时的线电压波形谐波分析(f)优化后的线电压波形谐波分析图2一个单元故障优化前后的系统输出对比5结论对于级联H桥型逆变系统而言，基于中性点移位原理的故障处理方式是一种高效的处理方式，结合文中提到的优化原则，能够得到理想的输出结果。参考文献1竺伟，陈伯时．单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望[J].电气传动，2006，36(06):3–72HammondPW.EnhancingtheReliabilityofModularMedium-voltageDrives[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2002,49(5):948–9543卫三民，刘丛伟，孙旭东等．串联H桥多电平变频器单元故障时的控制方法[J]．清华大学学报(自然科学版)，2003，43(3)：369–3724RodriguezJ,HammondPW.OperationofaMediumVoltageDriveUnderFaultyConditions[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2005,52(4):1080–1085134135