亓立博

(國家電網(wǎng)西安供電公司 電力調(diào)度控制中心，西安 710032)

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三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器因信號(hào)延遲導(dǎo)致過壓過流行為的研究*

亓立博

(國家電網(wǎng)西安供電公司 電力調(diào)度控制中心，西安 710032)

摘要：三電平二極管中點(diǎn)箝位變換器在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.由于器件的非理想性和不均一性，在實(shí)際運(yùn)行中存在過電壓或過電流等異常換流行為，文中分析了該種變換器的工作原理，IGBT等功率管在狀態(tài)改變時(shí)發(fā)生時(shí)間延遲引發(fā)的過壓過流行為，并通過編程遍歷了所有可能出現(xiàn)的情況，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了反映穩(wěn)態(tài)特性的功率器件行為模型，并對(duì)模型進(jìn)行仿真研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明程序自動(dòng)遍歷和分析了所有可能的因信號(hào)延遲導(dǎo)致的過壓過流行為，為初期設(shè)計(jì)中預(yù)防此種原因?qū)е碌倪^壓過流行為提供了參考和借鑒.

關(guān)鍵詞：變換器；信號(hào)時(shí)間延遲；過壓；過流

中點(diǎn)箝位型三電平拓?fù)涫悄壳白畛Ｓ玫囊环N高壓大功率多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-5]，在應(yīng)用領(lǐng)域具有電壓容量高，輸出諧波小的特點(diǎn)[6-9].在二極管中點(diǎn)箝位三電平的控制中，存在由于IGBT等功率管在狀態(tài)改變時(shí)發(fā)生時(shí)間延遲造成極短時(shí)間出現(xiàn)可能的異常電路狀態(tài)，從而使得某一或幾個(gè)IGBT功率管兩端承受過壓或者流經(jīng)某一或幾個(gè)IGBT功率管的電流過流.嚴(yán)重情況下甚至?xí)龎腎GBT功率管，造成電路的損毀或損壞.文中重點(diǎn)分析了因?yàn)镮GBT等功率管不均一特性導(dǎo)致的過壓過流行為，基于Matlab/Simulink環(huán)境建立了反映功率管穩(wěn)態(tài)特性的行為模型，仿真出了過壓過流行為，編程遍歷了所有的因信號(hào)延遲導(dǎo)致的過壓過流行為，為今后在初始設(shè)計(jì)中點(diǎn)箝位三電平變換器時(shí)有效預(yù)防和和解決此種原因?qū)е碌倪^壓過流行為提供了參考和借鑒.

1三電平二極管中點(diǎn)箝位變換器工作原理簡介

基于IGBT的三電平二極管中點(diǎn)箝位變換器單橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示.定義自上而下四個(gè)IGBT的名稱分別為 T1、T2、T3、T4，為方便起見，下文稱為1管、2管、3管和4管.在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸出電壓電流的點(diǎn)為A點(diǎn)，直流母線的中點(diǎn)為Z點(diǎn)，橋臂輸出的相電壓UAZ存在了三個(gè)電平.四個(gè)全控型IGBT器件可組成多種邏輯關(guān)系，每一種邏輯關(guān)系對(duì)應(yīng)一個(gè)UAZ的值.表1為三電平開關(guān)邏輯.

圖1　三電平二極管中點(diǎn)箝位單橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)定用0和1表征每個(gè)IGBT功率管的關(guān)斷和開通.表1共列出五種可能存在的邏輯開關(guān)狀態(tài).除去0000全關(guān)斷的邏輯開關(guān)狀態(tài)，電路拓?fù)渲锌赡艽嬖谄溆嗨姆N邏輯開關(guān)狀態(tài)，且只能從上下相鄰的兩種狀態(tài)間進(jìn)行切換.

表1　三電平開關(guān)邏輯表

2時(shí)間延遲造成過電壓等異常換流行為分析

假設(shè)在主電路的電流向外流出的前提條件下，開關(guān)邏輯狀態(tài)在0時(shí)刻時(shí)從起始狀態(tài)1100變換到末了狀態(tài)0000.按照理想情況，1管和2管應(yīng)該同時(shí)關(guān)斷，但假使1管延遲關(guān)斷0.3 μs.那么在0～0.3 μs的時(shí)間段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)1000的只有1管處于開通狀態(tài)的中間態(tài).

如圖2所示，因?yàn)槌霈F(xiàn)了1000的開關(guān)狀態(tài)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)電流將流經(jīng)3管和4管旁邊的旁路二極管，2管的下部從而為最低電位.又因?yàn)?管處于開通狀態(tài)，2管的上部為最高電位.這樣2管兩端承受全邊母線電壓，有可能造成2管過壓而損壞.

圖2　開關(guān)狀態(tài)為1000的電流流出情況

3Matlab/Simulink的電路仿真分析

3.1穩(wěn)態(tài)仿真電路的建模

如圖3所示，在Matlab/Simulink的軟件環(huán)境下，調(diào)用已有的理想IGBT和二極管模型搭建三電平二極管中點(diǎn)箝位電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).每個(gè)IGBT功率管都用示波器監(jiān)視電壓和電流波形.設(shè)定半邊母線電壓值為1 500 V，設(shè)定主電路直流電流的值為100 A.考慮到三電平二極管箝位電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中半邊母線電壓為1 500 V和耐壓值的余量，規(guī)定1 700 V為IGBT功率管的最大耐壓值.設(shè)定流經(jīng)IGBT功率管的最大流經(jīng)電流為110 A.

圖3　三電平二極管中點(diǎn)箝位穩(wěn)態(tài)仿真電路

為了用腳本文件分析和設(shè)定延遲的具體情況，需要引入延遲模塊聯(lián)系仿真環(huán)境和腳本文件.延遲模塊的作用在于通過在模塊中引入變量具體設(shè)定哪一個(gè)管子需要時(shí)間延遲和控制具體的延遲時(shí)間.

引入延遲模塊如圖4所示，延遲模塊一共可以分為三個(gè)部分：Step階躍模塊，四個(gè)Delay延遲模塊和Goto連接模塊.Step階躍模塊的主要作用是設(shè)定電路中初始開關(guān)狀態(tài)和末了開關(guān)狀態(tài)的值.Delay模塊設(shè)定在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)具體哪個(gè)管子需要被設(shè)定時(shí)間延遲以及延遲的具體的時(shí)間.Goto模塊是把控制每一個(gè)IGBT開關(guān)的信號(hào)發(fā)送給每個(gè)IGBT的開關(guān)信號(hào)接收端.

圖4　延遲模塊的搭建

程序腳本實(shí)現(xiàn)以下功能：① 實(shí)時(shí)控制和改變電路中的參數(shù)，從而為遍歷所有可能的延遲情況提供基礎(chǔ).② 不斷運(yùn)行電路.前后兩種不同的換流狀態(tài)改變前后，需要重新運(yùn)行電路，得到最終的四個(gè)管子電流電壓信息.③ 自動(dòng)記錄、分析仿真數(shù)據(jù).記錄每一種可能的換流情況下四個(gè)管子的電壓和電流情況，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H情況，判斷管子是否出現(xiàn)了過壓或者過流的情況，顯示在人機(jī)友好的界面上.

3.2仿真結(jié)果分析

程序共記錄了12種過壓或者過流的異常換流行為，包括之前提及到的在電流流出情況下從開關(guān)狀態(tài)1100到開關(guān)狀態(tài)0000的情況.將所有情況列表見表2.

表2　時(shí)間延遲條件下的12種過壓或者過流的換流行為

表2共記錄了四種過壓的情況，分別是電流流出情況下從0000狀態(tài)到1100狀態(tài)且2管延遲、從1100狀態(tài)到0000狀態(tài)且1管延遲，電流流入情況下從0000狀態(tài)到0011狀態(tài)且3管延遲、從0011狀態(tài)到0000狀態(tài)且4管延遲.其余的八種情況都是“中間狀態(tài)”出現(xiàn)了未考慮死區(qū)的情況.

3.2.1發(fā)生過電壓行為

在電流流出條件下，從開關(guān)狀態(tài)0000到開關(guān)狀態(tài)1100，2管延遲的情況下，由于2管延遲，出現(xiàn)了1000的中間狀態(tài)，如上文中圖2所示.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)電流流過3管、4管的旁路二極管，又因?yàn)?管打開，此時(shí)2管承受全邊母線電壓3 000 V，出現(xiàn)過電壓行為，必然造成2管損壞.

如圖5所示為2管的仿真電壓波形圖.在1 μs時(shí)發(fā)生開關(guān)狀態(tài)改變，2管延遲0.3 μs，在這0.3 μs內(nèi)，承受3 000 V超高壓，發(fā)生過壓.1 μs前，由于是0000開關(guān)狀態(tài)，2管承受半邊母線電壓.其余過電壓情況類似于此種情況.

圖5　2管電壓波形

3.2.2發(fā)生未考慮死區(qū)情況導(dǎo)致的過壓過流行為

由于全控型電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，全控型功率器件的開通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間，因此需要每個(gè)功率器件的開通和關(guān)斷時(shí)間相互配合，互鎖的開關(guān)器件不要出現(xiàn)同時(shí)開通的情況，以避免出現(xiàn)可能的橋臂短路事故，從而出現(xiàn)未考慮死區(qū)而造成的事故.

在三電平二極管中點(diǎn)箝位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于共有四個(gè)IGBT功率管，因此一旦出現(xiàn)三個(gè)IGBT功率管同時(shí)開通的情況，就必然會(huì)出現(xiàn)IGBT功率管和箝位二極管一起構(gòu)成了短路電路，從而引發(fā)電流的畸變，可能會(huì)出現(xiàn)脈沖電流.導(dǎo)致輸出的電壓和電流與理想輸出差異較大，導(dǎo)致變換器輸出基波含量減少，諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加.尤其是在低速運(yùn)行時(shí)，死區(qū)效應(yīng)引起的畸變電壓占比較大，嚴(yán)重情況下可能會(huì)燒毀電機(jī)[10-11].

為電流流出的情況下，初始開關(guān)狀態(tài)為1100，在1 μs時(shí)1管和2管開關(guān)狀態(tài)同時(shí)發(fā)生改變，末了開關(guān)狀態(tài)為0110.假設(shè)1管發(fā)生了0.3 μs的延遲.此時(shí)，在1～1.3 μs間會(huì)出現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)為1110的中間狀態(tài).

如圖6所示，在1～1.3 μs時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)1110的中間開關(guān)狀態(tài)，電路中出現(xiàn)一短路回路，上半邊母線電壓被短路，瞬間出現(xiàn)了脈沖電流，從而造成過電流，下圖為四個(gè)功率管在狀態(tài)變換的時(shí)間段內(nèi)的電流情況的記錄.

如圖7所示是四個(gè)IGBT功率管在狀態(tài)變換的時(shí)間段內(nèi)的電流記錄情況，從左到右，自上而下的順序?yàn)?管、2管、3管和4管.在0～1 μs中形成的1100開關(guān)狀態(tài)以及1.3 μs后0110的開關(guān)狀態(tài)為穩(wěn)定的開關(guān)狀態(tài)，拓?fù)潆娐分胁涣鹘?jīng)電流.在1～1.3 μs內(nèi)，1管、2管和3管出現(xiàn)了脈沖電流，這是短路回路的形成導(dǎo)致的.同時(shí)，脈沖電流也導(dǎo)致了IGBT功率管過壓的情況.

圖6　1110中間態(tài)電路拓?fù)渲须娏髁飨?/p>

圖7　四個(gè)功率管的電流情況記錄

如圖8所示，在0～1 μs中形成的1100開關(guān)狀態(tài)中，1管和2管不承受電壓，故記錄的兩側(cè)電壓值為0 V，而3管和4管各自承受半邊母線電壓1 500 V.在1.3 μs后0110的開關(guān)狀態(tài)下，由于輸出電壓值為半邊母線電壓1 500 V，故1管和4管各自承受半邊母線電壓1 500 V，2管3管不承受電壓值.在中間狀態(tài)1110開關(guān)狀態(tài)下，脈沖電流的脈沖幅值很大，IGBT存在一定的內(nèi)阻，故1管、2管和3管各自承受如圖約370 V的電壓，此時(shí)，4管獨(dú)自承受剩余的電壓，以使得四只管子電壓值之和為全邊母線電壓.如圖8所示.4管承受了約1 900 V電壓，高于之前設(shè)定的最大耐壓值17 00 V，4管過壓.其余發(fā)生的未考慮死區(qū)情況導(dǎo)致的過壓過流行為類似于此種情況.

圖8　四個(gè)功率管的電壓情況記錄

4結(jié) 論

文中研究了二極管中點(diǎn)箝位型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單個(gè)橋臂中，在某種各個(gè)全控型功率開關(guān)器件所組成的穩(wěn)態(tài)邏輯開關(guān)狀態(tài)下，存在的因?yàn)榭刂迫匦凸β书_關(guān)器件的信號(hào)延遲發(fā)生的過電壓和過電流等異常環(huán)流行為，在Matlab/Simulnk仿真環(huán)境下搭建了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真模型，并編程進(jìn)行仿真分析和研究，得到以下結(jié)論和成果：

1) 控制全控型功率開關(guān)器件的信號(hào)延遲，會(huì)造成了IGBT等功率器件發(fā)生過電壓過電流等異常換流行為，甚至可能發(fā)生嚴(yán)重的損毀事故.

2) 通過編寫腳本程序，自動(dòng)遍歷了所有可能發(fā)生的因?yàn)闀r(shí)間延遲導(dǎo)致的異常換流行為，并針對(duì)過電壓和未考慮死區(qū)情況導(dǎo)致的過壓過流行為分別舉例進(jìn)行了分析，為今后的在設(shè)計(jì)三電平變換器時(shí)有效預(yù)防時(shí)間延遲導(dǎo)致的過壓過流行為提供了借鑒.

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]劉春玉.二極管中點(diǎn)箝位型(NPC)變頻器中點(diǎn)電位控制方法研究[J].電氣技術(shù),2009(9):72.

LIU Chunyu.Research on Neutral Point Potential Balancing Methods of NPC Inverter[J]Electrical Engineering,2009(9):72.(in Chinese)

[2]何湘寧,楊兵建，吳巖松,等.大功率三電平逆變器開關(guān)動(dòng)態(tài)特性在線測試方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(24):23.

HE Xiangning.YANG Bingjian,WU Yansong,et al.An On-line Test Method of Switching Dynamic Performances in High Power Three-level Inverters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(24):23.

(in Chinese)

[3]李寧,王躍,雷萬鈞,等.NPC三電平變換器中點(diǎn)電壓控制方法綜述[J].電力電子技術(shù),2011,45(10):78.

LI Ning,WANG Yue,LEI Wanjun,et al.Overview of Neutral Point Potential Fluctuation Control Strategies in NPC Three-level Converters[J].Power Electronics,2011,45(10):78.(in Chinese)

[4]令朝霞.基于AVR的逆變變頻電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,29(5):15.

LING Zhaoxia.Design of Inverter Power Supply System Based on AVR[J].Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition),2013,29(5):15.(in Chinese)

[5]韓耀飛,樊曉虹,陳國振,等.二極管箝位型三電平死區(qū)補(bǔ)償策略研究[J].電力電子技術(shù),2012,46(7):34.

HAN Yaofei.FAN Xiaohong,CHEN Guozhen,et al.Research on Three-level Dead-time Compensation of Diode-clamped.Power Electronics,2012,46(7):34.

(in Chinese)

[6]ANDLER D,ALVAREZ R,BERNETt S,et al.Experimental Investigation of the Commutations of a 3L-ANPC Phase Leg Using 4.5-kV-5.5-kA IGCTs[J].Industrial Electronics IEEE Transactions on,2013,60(11):4820.

[7]LIN B R,HUNG T L.Implementation of the AC/AC Converter Based on Neutral-point Switch-clamped Topology[J].IEE Proceedings - Electric Power Applications,2003,150(4):455.

[8]原熙博,李永東,Wang Fred.中點(diǎn)鉗位型三電平變換器兩種故障狀態(tài)的檢測和保護(hù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010(6):70.

YUAN Xibo,LI Yongdong,Wang Fred.Two Fault Detection and Protection Methods for Three-level Neutral-Point-Clamped Converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010(6):70.

(in Chinese)

[9]馬浩淼,高勇,王立虎.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩電平與三電平變換器研究[J].電源技術(shù),2012,36(9):1340.

MA Haomiao,GAO Yong,WANG Lihu.Study of Two-level and Three-level Converter for Wind Power Generation System[J].Chinese Journal of Power Sources,2012,36(9):1340.(in Chinese)

[10]肖海峰，劉海龍，賀昱曜，姜文.基于電壓空間矢量控制PMSM系統(tǒng)新型死區(qū)補(bǔ)償方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013,28(8):114.

XIAO Haifeng,LIU Hailong,HE Yuyao,JIANG Wen.Study of a Dead-Time Compensation Method for PMSM Drive Based on Voltage Space Vector Control[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013,28(8):114.(in Chinese)

[11]于泳，魏彥江，王高林. IGBT的死區(qū)補(bǔ)償方法研究[J].電力電子技術(shù)，2007,41(12):126.

YU Yong,WEI Yanjiang,WANG Gaolin.Research of Dead-time Compensation Method for IGBT[J].Power Electronics，2007,41(12),126.(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對(duì)張立新)

【相關(guān)參考文獻(xiàn)鏈接】

侯宏錄,楊朋偉,黃釘勁.二層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee時(shí)間同步算法[J].2008,28(3)：262.

樊文俠,郭紅星.頻譜修正與還原方法在軌道移頻信號(hào)檢測中的應(yīng)用[J].2011,31(2)：164.

盧莉萍,李翰山.微弱光電信號(hào)的檢測與采集[J].2011,31(4)：326.

倪原,張磊,雷志勇,等.雙頻超聲多普勒信號(hào)的閾值譜峰搜索及仿真[J].2011,31(7)：654.

樊文俠,馬靜.頻域內(nèi)插算法的鐵路移頻鍵控信號(hào)分析及仿真[J].2012,32(2)：136.

駱毅,張志文.脈沖信號(hào)數(shù)字濾波以及無縫計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)[J].2012,32(2)：157.

倪原,王曉麗,陸文總.心電信號(hào)的小波變換處理算法及仿真[J].2012,32(4)：310.

司馬濤,權(quán)建峰,石亮,等.基于S變換的無線電引信信號(hào)分析[J].2012,32(7)：567.

張?bào)K,湯元會(huì).城市路網(wǎng)交叉口信號(hào)預(yù)測及配時(shí)控制[J].2015,35(8)：672.

張峰,尹麗,石現(xiàn)峰.汽輪機(jī)振動(dòng)信號(hào)的最小方差譜估計(jì)算法[J].2015,35(11)：883.

尚宇,武小燕.傅里葉級(jí)數(shù)在心電信號(hào)模擬中的應(yīng)用[J].2016,36(1)：21.

劉白林,任健強(qiáng),馬穎.結(jié)合知識(shí)推理的分層多信號(hào)流圖在多故障診斷中的應(yīng)用[J].2016,36(3)：194.

呂冀,張志文,王健,等.陀螺輸出信號(hào)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2005,25(3)：223.

師公社,何寧,張荷芳,等.電視接收機(jī)信號(hào)切換中的音量智能均衡控制[J].2005,25(5)：413.

田會(huì),倪晉平.一種天幕靶用彈丸信號(hào)自動(dòng)識(shí)別電路[J].2005,25(6)：526.

趙穩(wěn)莊,張海南,何亞銀,等.基于虛擬儀器的表面肌電信號(hào)采集與識(shí)別系統(tǒng)[J].2006,26(1)：52.

李翰山,雷志勇,李靜.高速線陣CCD信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)[J].2006,26(2)：136.

宋玉貴,王鐵嶺,馬穎.基于單片機(jī)的天幕靶信號(hào)識(shí)別技術(shù)研究[J].2006,26(3)：219.

李平,黃強(qiáng),王建華.基于CAMAC標(biāo)準(zhǔn)的LVDT信號(hào)采集系統(tǒng)[J].2007,27(2)：124.

王登科,張海南,史儀凱,等.基于DSP的心電信號(hào)除噪聲方法研究[J].2007,27(3)：238.

劉婷婷,任興民,康召輝.FastICA算法在機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分離中的應(yīng)用[J].2008,28(1)：27.

郭全民,郭瑞,王健,等.高精度模擬信號(hào)光纖傳輸技術(shù)研究[J].2008,28(1)：62.

樊文俠,孫景峰.基于Matlab軌道移頻信號(hào)檢測的仿真分析[J].2008,28(5)：475.

雷前召,王菊霞.高頻雷達(dá)海面回波信號(hào)的數(shù)字模擬與分析[J].2008,28(6)：557.

高愛華,孫金榮,秦文罡.微弱激光信號(hào)的數(shù)字相關(guān)檢測技術(shù)[J].2010,30(1)：5.

張安莉,陳丹.一種變步長自適應(yīng)濾波算法在信號(hào)消噪中的應(yīng)用[J].2010,30(1)：71.

Study of Overvoltage and Overcurrent Caused by Signal Time Delay in Three-level NPC Converter

QI Libo

(Xi’an Power Supply Company of State Grid,Electrical Power Patching & Control Center,Xi’an 710032,China)

Abstract:Three-level Neutral-Point-Clamped(NPC)Converters have been widely used in the field of Power Electronics.Due to the imperfection and discreteness of the devices.Abnormal commutations like overvoltage and overcurrent exist in three-level NPC converters in operation.The paper discousses the working principle of this kind of converter,and amalyzes overvoltage and overcurrent caused by signal time delay over IGBT’s state switching.All the device-damaging commutations are automatically displayed and analyzed by programming.In the environment of Matlab/Simulink software,a power device’ behavioral model which reflects its steady characteristics is built and simulated.Experimental results show that this program automatically displays and analyzes all the device-damaging commutations caused by signal time delay.The study provides a reference for preveating the similar overvoltage and overcurrent at the initial stage of design.

Key words:converter;signal time delay;overvoltage;overcurrent

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.05.008

收稿日期：2015-11-11

作者簡介：亓立博(1991-)，男，國家電網(wǎng)西安供電公司助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)度與運(yùn)行.E-mail:qilibo369@163.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：TM734A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)05-0388-06