潘 斌，王有政，陳明明，趙 勇，于晶賢

（1.遼寧石油化工大學(xué)理學(xué)院，遼寧撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順113001；3.遼寧石油化工大學(xué)石油化工過程控制國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧撫順113001；4.中國海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，山東青島266000）

隨著光伏逆變器在現(xiàn)代電力電子傳動、新能源發(fā)電、特高壓直流輸電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提高逆變器的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)已成為一種研究趨勢。與逆變器的短路故障相比，其開路故障雖然不會造成嚴(yán)重結(jié)果，但會大大降低系統(tǒng)性能。它導(dǎo)致輸出的相電流波形發(fā)生畸變，中性點(diǎn)發(fā)生“漂移”。此外，還可能會對變壓器、負(fù)載和電機(jī)等其他器件造成影響。因此，逆變器無故障是其穩(wěn)定運(yùn)行的前提。研究逆變器的開路故障檢測和容錯(cuò)控制技術(shù)是十分必要的。

近五年，國內(nèi)外相關(guān)科研學(xué)者提出了多種逆變器的開路故障檢測和容錯(cuò)控制方法。開路故障檢測方法包括矢量軌跡斜坡法[1]、電流矢量瞬時(shí)頻率法[2-3]、平均電流Park矢量坐標(biāo)變換法[4]、歸一化直流診斷法[5]、負(fù)載電流分析法[6]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7-9]、電流偏差法[10]等。容錯(cuò)控制方法包括解析冗余控制法[11-12]、回歸分析[13]、支持向量機(jī)[14]等。

文獻(xiàn)[2-3]提出的電流矢量瞬時(shí)頻率法只能識別出位于中性點(diǎn)上方的開關(guān)或中性點(diǎn)下方的開關(guān)。在并網(wǎng)條件下，該逆變器位于中性點(diǎn)上方的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)或其中一個(gè)發(fā)生開路故障時(shí)，電流的畸變率是相同的。文獻(xiàn)[4]采用平均電流Park矢量坐標(biāo)變換法對三相三電平光伏逆變器進(jìn)行故障檢測，可識別故障開關(guān)，但無法準(zhǔn)確檢測出其他故障元件。文獻(xiàn)[6]利用附加電路或元件進(jìn)行開路故障檢測，測量結(jié)果異常時(shí)，可短時(shí)間內(nèi)檢測到故障，但是經(jīng)濟(jì)性差，不適合在線監(jiān)測。文獻(xiàn)[7-9]提出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開路故障檢測方法僅適用于逆變器負(fù)載為純感性的情況，對負(fù)載要求較高，實(shí)際應(yīng)用起來困難。

文獻(xiàn)[11-12]提出了一種基于解析冗余控制法容錯(cuò)控制方法，該方法簡單，但是開關(guān)器件需要承受的電壓大于直流電源電壓，導(dǎo)致器件應(yīng)力過大，對器件選型和逆變器的穩(wěn)定性有影響。文獻(xiàn)[13]的容錯(cuò)控制方法使逆變器的最大線性調(diào)制比僅為故障前的1/2，導(dǎo)致中性點(diǎn)發(fā)生波動。文獻(xiàn)[15]在已有三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，額外增設(shè)快速熔斷器和半導(dǎo)體開關(guān)器件（IGBT），利用二極管形成的短路回路將母線均勻電容直接短接，可靠性差，大幅增加硬件成本。

為改善上述問題，本文提出了新的逆變器開路故障檢測和容錯(cuò)控制方法，具有以下優(yōu)勢：（1）結(jié)合三相三電平光伏逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析各器件開路后電流流通的路徑，從而獲得更多故障特征值，同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)注入欠勵(lì)磁無功電流，對逆變器中的各類型元件進(jìn)行準(zhǔn)確的故障分類，無需復(fù)雜計(jì)算，大大提高故障檢測的速度，節(jié)省內(nèi)存空間。（2）利用逆變器的電壓空間的冗余矢量進(jìn)行容錯(cuò)控制，可使逆變器持續(xù)穩(wěn)定工作，無中性點(diǎn)波動問題。對新型三相三電平光伏逆變器進(jìn)行建模分析，給出具體故障檢測和容錯(cuò)控制的步驟。最后，搭建一臺額定功率為10 kW的樣機(jī)驗(yàn)證該方法的可行性和可靠性。

1 開路故障特性分析

新型三相三電平光伏逆變器的主電路如圖1所示。從圖1可以看出，新型三相三電平光伏逆變器的主電路由三部分組成，第一部分是由直流電源Ud和兩個(gè)均壓電容C1和C2構(gòu)成的直流側(cè)；第二部分是三相逆變橋，由12個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT（Sa1-Sa4、Sb1-Sb4、Sc1-Sc4）及其配套輔助續(xù)流二極開關(guān)管（Da1-Da4、Db1-Db4、Dc1-Dc4）和 6個(gè)鉗位二極管（D1-D6）組成；第三部分為負(fù)載，由電阻R和電感L組成。M為直流側(cè)母線電容的中性點(diǎn)。ia、ib、ic分別為逆變的輸出三相電流。

為方便分析電路，假設(shè)電路中所有元件處于理想工作狀態(tài)，負(fù)載電感值足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的負(fù)載電流可看作固定值，逆變器輸出端可看作與恒流源相連。

圖1 新型三相三電平光伏逆變器的主電路

1.1 功率開關(guān)器發(fā)生開路故障時(shí)運(yùn)行情況

逆變器正常工作和發(fā)生開路故障時(shí)的電流路徑如圖2所示。正常運(yùn)行時(shí)的電流路徑用藍(lán)色實(shí)線標(biāo)出，發(fā)生開路故障時(shí)的電流路徑用紅色虛線標(biāo)出。其中，圖2(a)和圖2(b)的負(fù)載電流為正方向，圖2(c)和圖2(d)的負(fù)載電流為負(fù)方向。從圖2(a)可知，電路正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流為正方向，負(fù)載電流經(jīng)過直流電源、開關(guān)Sa1、開關(guān)Sa2所在的支路進(jìn)行續(xù)流，均壓電容兩端的電壓均為Ud/2，中性點(diǎn)M無波動。當(dāng)開關(guān)Sa1發(fā)生開路故障時(shí)，流過開關(guān)Sa1的電流為0，開關(guān)Sa2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流流過二極管D1和開關(guān)Sa2。當(dāng)開關(guān)Sa1突然發(fā)生開路故障時(shí)，會出現(xiàn)電容C1的端電壓UC1大于電容C2的端電壓UC2，導(dǎo)致中性點(diǎn)M的電位發(fā)生波動。從圖2(b)可知，在電路處于穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，開通開關(guān)Sa2，電流流過二極管D1、開關(guān)Sa2和負(fù)載。當(dāng)開關(guān)Sa2發(fā)生開路故障時(shí)，流過開關(guān)Sa2的電流迅速變?yōu)?，負(fù)載電流經(jīng)過二極管Da3、Da4和直流電源所在的支路進(jìn)行續(xù)流。在這種情況下，逆變器輸出電流波形質(zhì)量下降，發(fā)生畸變。從圖2(c)可知，在電路正常工作時(shí)，開通開關(guān)Sa3、電流流過二極管D2，開關(guān)Sa3和負(fù)載，均壓電容兩端的電壓均為-Ud/2。當(dāng)開關(guān)Sa3發(fā)生開路故障時(shí)，流過開關(guān)Sa3的電流迅速變?yōu)?，負(fù)載電流經(jīng)過二極管Da1、Da2和直流電源所在的支路進(jìn)行續(xù)流。在這種情況下，會出現(xiàn)電容C2的端電壓UC2大于電容C1的端電壓UC1，導(dǎo)致中性點(diǎn)M的電位發(fā)生波動，逆變器輸出的正弦波會發(fā)生畸變。從圖2(d)可知，當(dāng)電路正常運(yùn)行時(shí)，電流流過直流電源、開關(guān)Sa3、開關(guān)Sa4、負(fù)載。當(dāng)開關(guān)Sa4發(fā)生開路故障時(shí)，電流不能流過開關(guān)Sa4，被迫流過二極管D2，此時(shí)二極管D2、開關(guān)Sa3、負(fù)載構(gòu)成通路，在這種情況下會出現(xiàn)電容C2的端電壓UC2也大于電容C1的端電壓UC1。

圖2 逆變器正常工作和發(fā)生開路故障時(shí)的電流路徑

1.2 二極管發(fā)生開路故障時(shí)運(yùn)行情況

當(dāng)二極管D1發(fā)生開路故障時(shí)，電路會經(jīng)過二極管Da3和Da4所在的支路進(jìn)行續(xù)流，換流方式如圖2（b）所示。此時(shí)，逆變器輸出的電壓為－Ud/2，會導(dǎo)致輸出電流的正弦波發(fā)生畸變。在這種情況下，正弦波畸變的程度要小于功率開關(guān)器件開路引起的輸出電流波形畸變程度，同時(shí)中性點(diǎn)M的電位波動程度也會減小。

當(dāng)二極管D2發(fā)生開路故障時(shí)，電路會經(jīng)過二極管Da1和二極管Da2所在的支路進(jìn)行續(xù)流，換流方式如圖2（c）所示。此時(shí)，逆變器輸出的電壓為Ud/2而不是0，會導(dǎo)致輸出電流的正弦波發(fā)生畸變。這種情況下，正弦波畸變的程度要小于功率開關(guān)器件開路引起的輸出電流波形畸變程度，同時(shí)中性點(diǎn)M的電位波動程度也會減小。

2 故障檢測方法

2.1 橋臂的故障檢測

以逆變器的a相發(fā)生開路故障為例進(jìn)行闡述，根據(jù)故障后電流流通的路徑對故障進(jìn)行識別。當(dāng)負(fù)載電流方向?yàn)檎龝r(shí)，逆變器輸出的平均電流用Ia_ave+表示；當(dāng)負(fù)載電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，逆變器輸出的平均電流用Ia_ave-表示。一個(gè)周期內(nèi)逆變器輸出的平均電流用Ia_aveall表示，故障檢測變量定義如圖3所示。其中，下標(biāo)x=a，b，c。

圖3 故障檢測變量定義

每相可以分成兩部分進(jìn)行研究。第一部分是開關(guān) Sa1、Sa2和二極管 D1，第二部分是 Sa3、Sa4和二極管Da2。在穩(wěn)定工作的情況下，相電流的平均值為0，即Ia_ave+和Ia_ave-的累加和Ia_aveall為0。當(dāng)?shù)谝徊糠郑⊿a1、Sa2、D1）發(fā)生開路故障時(shí)，輸出電流發(fā)生畸變，Ia_aveall為負(fù)數(shù)，此時(shí) b 相和 c相的Ib_aveall、Ic_aveall為正數(shù)，如果是三相對稱系統(tǒng)，則a相電流的減少量與b、c兩相電流的增加量相等。

當(dāng)?shù)诙糠郑⊿a3、Sa4、D2）發(fā)生開路故障時(shí)，輸出電流發(fā)生畸變，Ia_aveall為正數(shù)，此時(shí)b相和c相的Ib_aveall、Ic_aveall為負(fù)數(shù)，如果是三相對稱系統(tǒng)，則 a相電流的增加量與b、c兩相電流的減小量相等。

然而，這種直接平均電流法非常不可靠，很難將閾值設(shè)置為一個(gè)常數(shù)，它取決于輸出電流的變化。因此，歸一化相電流也可用于故障檢測[13-15]。歸一化后的三相合成電流Is和歸一化每相的電流Ix_nor為：

式中，Ids、Iqs分別為靜止坐標(biāo)系中的d軸和q軸的電流，A；Irated為逆變器的額定輸出電流，A

2.2 故障分類

檢測到故障才能對故障進(jìn)行分類。A型故障（功率開關(guān)器件的開路故障）和B型故障（鉗位二極管的開路故障）顯著的區(qū)別在于故障相電流的半周期內(nèi)是否有電流流過。a相開路故障類型識別如表1所示。當(dāng)確定平均電流值的極性時(shí)，閾值Ithr1的作用為在故障檢測中防止錯(cuò)誤報(bào)警，Ithr1為事先設(shè)定的閾值，為恒值，相當(dāng)于故障檢測的“門檻”。

表1 a相開路故障類型識別

中性點(diǎn)M上方的開關(guān)（Sx1、Sx2（x=a，b，c））中的開路故障或中性點(diǎn)M下方的開關(guān)（Sx3、Sx4（x=a，b，c））中的開路故障之間的顯著差異為開關(guān)狀態(tài)O的可能性。對于a相，在Sa1開路故障下，當(dāng)電流為正時(shí)，開關(guān)狀態(tài)P是不可能的。在Sa2開路故障的情況下，開關(guān)狀態(tài)P和O均是不可能的。因此，無法確定故障條件下開關(guān)狀態(tài)O的可能性。為了確定開關(guān)狀態(tài)O的可能性，需要利用AVR單片機(jī)在相關(guān)節(jié)點(diǎn)注入欠勵(lì)磁無功電流。

并網(wǎng)逆變器使用單位功率因數(shù)將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，注入勵(lì)磁無功功率前后逆變器輸出的電流、電壓波形如圖4所示。由圖4(a)可知，輸出相電流和輸出電壓的極性幾乎相同[16]。由圖4(b)可知，表示如果注入欠勵(lì)磁無功電流，相電流將影響輸出極電壓和電網(wǎng)電壓，導(dǎo)致相電流和輸出電壓之間極性出現(xiàn)不同區(qū)域。圖4(b)中，區(qū)域1表示相電流為正，輸出極電壓為負(fù)，區(qū)域2表示相電流為負(fù)，輸出極電壓為正。通過低勵(lì)磁無功功率注入?yún)^(qū)域1和區(qū)域2，可以確定切換狀態(tài)O的可能性。依據(jù)是否有電流流過區(qū)域1和區(qū)域2，還可以識別故障開關(guān)。

圖4 注入勵(lì)磁無功功率前后逆變器輸出的電流、電壓波形

用于故障開關(guān)檢測的空間矢量圖的扇區(qū)如圖5所示。通過三相三電平光伏逆變器的電壓空間矢量圖的扇區(qū)，可以確定注入欠勵(lì)磁無功電流的區(qū)域，進(jìn)而識別出具體位置的故障開關(guān)[17]。

圖5 用于故障開關(guān)檢測的空間矢量圖的扇區(qū)

為了識別Sa1、Sa2之間的故障開關(guān)，當(dāng)S=5和SS=5時(shí)注入欠勵(lì)磁功率，從而形成區(qū)域1。在區(qū)域1中，參考極電壓為負(fù)，因此它是由開關(guān)狀態(tài)O和N組成的。不考慮Sa1的開路故障，開關(guān)狀態(tài)O和N的所有電流路徑都是可能的。

當(dāng)S=2和SS=2時(shí)，注入欠勵(lì)磁無功電流，從而形成區(qū)域2。在該區(qū)域中，正參考極電壓由開關(guān)狀態(tài)P和O產(chǎn)生，所有由開關(guān)狀態(tài)P和O產(chǎn)生的電流路徑都是可能的，因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓為負(fù)。根據(jù)這一特性，可以確定Sa3和Sa4之間的故障開關(guān)。

注入欠勵(lì)磁無功電流根據(jù)輸出電流和用于故障開關(guān)識別的電流閾值Ithr2來確定。為使區(qū)域1（S=5和SS=5）中的正向電流超過閾值，或區(qū)域2（S=2和SS=2）中的反向電流超過閾值，應(yīng)通過注入欠勵(lì)磁無功電流，適當(dāng)改變功率因數(shù)。此外，注入的欠勵(lì)磁無功電流應(yīng)大于Ithr2。本文將功率因數(shù)統(tǒng)一定為0.9（由圖1可知，逆變器的負(fù)載為R、L，顯感性，對于感性負(fù)載，電壓相角超前電流相角，因此功率因數(shù)超前0.9）。a相故障檢測流程如圖6所示。

圖6 a相故障檢測流程

用于識別故障開關(guān)的扇區(qū)如表2所示。

表2 用于識別故障開關(guān)的扇區(qū)

從表2可以看出，注入欠勵(lì)磁無功電流用于故障開關(guān)識別的扇區(qū)。考慮留有一定裕量，將最小無功電流設(shè)置為2Ithr2。在開路故障狀態(tài)下注入欠勵(lì)磁無功電流，這是一種異常情況。也就是說，由于不平衡電容電壓使輸出極電壓比正常情況下小得多，所以不一定能保證產(chǎn)生電流[18-20]。因此，應(yīng)設(shè)置比閾值Ithr2更大的欠勵(lì)磁無功電流參考值。所需的欠勵(lì)磁無功電流為：

3 容錯(cuò)控制方法

如果二極管D1發(fā)生開路故障，當(dāng)Ia＞0時(shí)，不可能產(chǎn)生小電壓矢量OON、ONN、ONO狀態(tài)和中電壓矢量OPN、ONP的開關(guān)狀態(tài)。不可能的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)替換為其他開關(guān)狀態(tài)，確保輸出波形無失真。不可能的N型開關(guān)狀態(tài)OON、ONN、ONO可以簡單地用P型開關(guān)狀態(tài)PPO、POO和POP替換，替換方法是從三相（Ta、Tb、Tc）的接通時(shí)間中減去最短的接通時(shí)間Tshort。通電時(shí)間是指每相的開關(guān)狀態(tài)從當(dāng)前狀態(tài)切換到另一狀態(tài)的時(shí)間，而Tshort則是Ta、Tb和Tc之間最短的通電時(shí)間。容錯(cuò)控制下的開關(guān)切換順序如圖7所示。

圖7 容錯(cuò)控制下的開關(guān)切換順序

圖7（a）的開關(guān)切換順序?yàn)镺NN→PNN→PON→POO→PON→PNN→ONN。圖7（b）給出了從通電時(shí)間中減去Tshort后的開關(guān)順序PNN→PON→POO→POO→PON→PNN。開關(guān)狀態(tài)PON被POO替換，并且POO的停留時(shí)間變?yōu)樵瓉淼亩?。此時(shí)容錯(cuò)控制的開啟時(shí)間為：

式中，Tshort=Ta。

如果開關(guān)序列中只有一個(gè)N型開關(guān)狀態(tài)，則不可能的N型開關(guān)狀態(tài)可以通過減去Tshort來代替。但是，如果切換序列中存在兩種不可能的N型開關(guān)狀態(tài)，若僅減去Tshort就不可能得到容錯(cuò)控制的切換序列。圖7(c)的開關(guān)順序?yàn)镺NN→OON→PON→POO→PON→OON→ONN。圖7(d)給出了從通電時(shí)間中減去Tshort后的切換序列，以PO替換N型開關(guān)狀態(tài)ONN。N開關(guān)狀態(tài)下的ONN被替換為P型開關(guān)狀態(tài)下的PPO，圖7(e)在這個(gè)開關(guān)序列中相位發(fā)生兩次改變。為了減少開關(guān)切換的次數(shù)[22-23]，應(yīng)將開關(guān)順序重新排列為POO→PON→PPO。圖7(f)中為了重新排列開關(guān)序列，需要獲得每個(gè)開關(guān)狀態(tài)的滯后時(shí)間。滯后時(shí)間可表示為：

式中，TSW為一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)開通時(shí)間，s。

從每個(gè)開關(guān)狀態(tài)的停留時(shí)間，得到開關(guān)序列重新排列的重新定義的開啟時(shí)間為[24]：

在扇區(qū)I和扇區(qū)IV中所有不可能的N型開關(guān)狀態(tài)都應(yīng)替換為P型開關(guān)狀態(tài)來進(jìn)行容錯(cuò)控制。因此，N型開關(guān)態(tài)與P型開關(guān)態(tài)在基波周期內(nèi)的滯后時(shí)間不相等。它使中性點(diǎn)電流的平均值不等于0，引起中性點(diǎn)發(fā)生“漂移”，使逆變器的穩(wěn)定性降低。P型開關(guān)狀態(tài)提高了電解質(zhì)大電容C2兩端的電壓，降低了電解質(zhì)大電容C1兩端的電壓。因此，P型和N型開關(guān)狀態(tài)在基波周期內(nèi)的總滯后時(shí)間應(yīng)相等，這樣中性點(diǎn)電流的平均值為0，從而使兩個(gè)電容電壓相等，使中性點(diǎn)電流的平均值為0，無中性點(diǎn)波動。在的開關(guān)序列中，扇區(qū)III和扇區(qū)IV中的P型開關(guān)態(tài)應(yīng)替換為N型開關(guān)態(tài)。它可以通過增加啟動時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。在含有兩個(gè)P型開關(guān)狀態(tài)的區(qū)域中，所有P型開關(guān)狀態(tài)都應(yīng)被替換為N型開關(guān)狀態(tài)，并且切換序列也應(yīng)按上述方法進(jìn)行重新排列。

小電壓矢量的不可能開關(guān)狀態(tài)可以用其他類型的開關(guān)狀態(tài)代替。然而，在中電壓矢量的情況下，不可能將開關(guān)狀態(tài)替換為另一個(gè)表示相同電壓矢量的開關(guān)狀態(tài)。因此，應(yīng)該在不可能的中壓矢量的區(qū)域中應(yīng)用一種新的開關(guān)序列。在D1開路故障的情況下，扇區(qū)II的介質(zhì)開關(guān)狀態(tài)OPN和扇區(qū)V中開關(guān)狀態(tài)ONP是不可能的。應(yīng)用兩級交換方法可以得到不存在這些開關(guān)狀態(tài)的新的開關(guān)序列。如果a相的參考電壓由開關(guān)態(tài)P和N構(gòu)成，則扇區(qū)II和扇區(qū)V中不會存在OPN和ONP兩種切換序列。若想實(shí)現(xiàn)OPN和ONP兩種切換序列，可在故障相位的開啟時(shí)間中添加一個(gè)偏移時(shí)間，具體時(shí)間如式(9)所示。

式中，Tx為開通時(shí)間，s；Vx為故障相參考電壓，V。

此時(shí)a相的導(dǎo)通時(shí)間被重新定義為：

Sa1和 Sa2經(jīng)過Ta′時(shí)間重新開啟，Sa3、Sa4、Sa1和 Sa2互補(bǔ)進(jìn)行切換[25]。鉗位二極管的容錯(cuò)控制方法如表3所示。

表3 鉗位二極管的容錯(cuò)控制方法

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)新型三相三電平光伏逆變器的主電路，完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制。樣機(jī)參數(shù)為額定輸出功率P0=10 kW，負(fù)載電阻R=10 Ω，負(fù)載電感L=1 mH，直流電源電壓Ud=600 V，均壓電容C1=C2=2 200 μF，柵極電壓Ea=300 V，開關(guān)頻率fsw=20 kHz，輸出頻率f0=60 Hz，平均電流閾值Ithr1=1.5 A，用于識別故障開關(guān)的電流閾值Ithr2=2 A。

發(fā)生開路故障時(shí)輸出相電流實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。從圖8（a）—（d）可以看出，如果發(fā)生開路故障，故障相的正負(fù)電流不流動。此外，Sa1、Sa2開路故障之間或Sa3、Sa4開路故障之間的輸出電流失真與前文的分析相同。從圖8（e）—（f）可以看出，當(dāng)鉗位二極管發(fā)生開路故障時(shí)，流過故障相的正負(fù)電流與開關(guān)發(fā)生開路故障時(shí)流過故障相的正負(fù)電流相反。

圖8 發(fā)生開路時(shí)輸出相電流實(shí)驗(yàn)波形

注入欠勵(lì)磁無功電流后實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖9（a）—（b）分別給出了Sa1和Sa2發(fā)生A型開路故障時(shí)所提出的故障檢測方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。A型故障檢測可以判斷開路故障的發(fā)生位置，即開路故障發(fā)生在中性點(diǎn)上方的開關(guān)還是中性點(diǎn)下方的開關(guān)。當(dāng)開路故障發(fā)生在中性點(diǎn)上方的開關(guān)時(shí)，在S=5和SS=5時(shí)注入欠勵(lì)磁無功電流，以識別Sa1和Sa2之間的故障開關(guān)。在Sa1發(fā)生開路故障的情況下，正相電流在注入欠勵(lì)磁電流的區(qū)域流動；如果在Sa2中發(fā)生開路故障，則正相電流不流動。由此可正確識別Sa1和Sa2其中一個(gè)開關(guān)發(fā)生故障。圖9（c）—（d）為Sa3和Sa4發(fā)生A型開路故障時(shí)所提出的故障檢測方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了分離中性點(diǎn)下半部分兩個(gè)開關(guān)（Sa3和Sa4）之間的故障位置，當(dāng)S=2和SS=2時(shí)，注入了欠勵(lì)磁無功電流。Sa3中的開路故障不會產(chǎn)生負(fù)電流，而Sa4中的開路故障會產(chǎn)生負(fù)電流。該方法能準(zhǔn)確地識別故障開關(guān)的位置。

圖9 注入欠勵(lì)磁無功電流后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

D1開路時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 D1開路時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于a相輸出電流波形的畸變，當(dāng)鉗位二極管D1發(fā)生開路故障時(shí)，直流電壓升高約25 V。檢測到故障后進(jìn)行容錯(cuò)控制，消除了輸出電流的畸變，使直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鉗位二極管發(fā)生開路故障時(shí)，采用該容錯(cuò)控制方法可以使三相三電平光伏逆變器保持良好的運(yùn)行性能。

5 結(jié) 論

提出一種新的逆變器開路故障檢測與容錯(cuò)控制方法，與同類型逆變器的開路故障檢測和容錯(cuò)技術(shù)方法相比，其顯著優(yōu)勢為無需附加額外的元器件節(jié)約成本，不需要大量計(jì)算，檢測正確率高，檢測速度快，且易于控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的結(jié)論為：（1）逆變器開路故障可以利用發(fā)生故障后各器件的電流流通路徑進(jìn)行檢測；（2）上橋臂兩個(gè)開關(guān)之間和下橋臂兩個(gè)開關(guān)之間的故障開關(guān)通過在短時(shí)間內(nèi)注入欠勵(lì)磁無功電流進(jìn)行分類；（3）當(dāng)多個(gè)器件發(fā)生故障時(shí)采用容錯(cuò)控制，即使輸出電流的總諧波失真（THD）增加，逆變器也可以在不降低輸出功率的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。通過搭建一臺10 kW樣機(jī)驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。此外，所提方法也可以推廣到其他類型的逆變器開路故障診斷和容錯(cuò)控制研究工作。因此，研究結(jié)果具有重要的價(jià)值。