学术简报｜七电平有源中点钳位型变流器故障状态运行策略
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中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室、中国科学院大学、中国科学院电工研究所的研究人员绳伟辉、葛琼璇，在《电工技术学报》2019年第2期上撰文，对七电平有源中点钳位型（ANPC-7L）变流器由开关器件短路和断路引起的单相和多相故障进行了分析，找出变流器可继续运行的所有单相和多相故障状态，接着针对各种故障状态提出一种统一调制策略，并对变流器在各种故障状态下的中点电压平衡控制问题进行讨论，最后在一台380V/5kW的ANPC-7L变流器样机上对所提故障状态运行策略进行实验验证。
随着工业领域驱动功率的增大和驱动电压的提高，近年来多电平变流器受到了越来越多的关注。二极管钳位型（Neutral-Point-Clamped, NPC）变流器、飞跨电容型（Flying-Capacitor, FC）变流器、H桥级联型（Cascaded H-Bridge, CHB）变流器、模块式多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）、层叠多单元变流器（Stacked Multicell Converter, SMC）及有源中点钳位型（Active Neutral-Point-Clamped, ANPC）变流器是六种常见的新型多电平变流器。
在这六种变流器中，ANPC变流器能较好地克服其他五种变流器中存在的问题，其所需的钳位器件及悬浮电容比NPC、FC、MMC及SMC变流器都少，虽然相同电平下总的功率器件数目仍多于CHB变流器，但其可以无变压器运行，而多绕组变压器在CHB变流器中是不可或缺的部件。
ANPC变流器可在低速下输出满转矩，这对MMC变流器几乎不可能实现。ANPC变流器还可很方便地实现四象限运行，这在某些需要能量回馈的场合，如矿井提升机等尤其重要。基于以上优点，ANPC变流器非常适合于高性能中压变频驱动领域的应用。
在实际使用中，与传统多电平变流器类似，由于ANPC变流器中功率半导体开关器件数量较多，系统出现故障的概率也相对较高。在一般应用中，如果变流器出现故障，采取封锁停机措施后，等待维修即可，但在某些故障停机损失较大或者安全性要求较高的场合，会要求变流器具有一定的带故障运行能力，即使是降额运行也可接受。
近年来已有较多文献对NPC、FC、CHB、MMC等变流器的故障诊断及运行策略进行了研究，对ANPC变流器的研究则主要集中于中点电压平衡控制及PWM调制等问题，目前只有少数文献涉及到五电平ANPC变流器的故障运行策略，还没有文献涉及到七电平ANPC（Seven-Level Active Neutral-Point-Clamped, ANPC-7L）变流器的故障运行策略。现有的涉及五电平ANPC变流器故障运行策略的文献中，其研究一般都局限于单相故障，对故障状态下的调制策略及变流器其他控制要求考虑得也不够深入。
本文首先对ANPC-7L变流器由开关器件短路和断路引起的单相和多相故障进行分析，在综合考虑悬浮电容电压控制及三相电压输出平衡控制后，找出所有变流器可继续运行的单相和多相故障状态。然后针对各种可继续运行的故障状态提出了一种统一调制策略，并对变流器在各种故障状态下的中点电压平衡控制问题进行讨论。最后本文在一台380V/5kW的ANPC-7L变流器样机上对所提故障状态运行策略进行了实验验证。
图9 ANPC-7L变流器器实验样机
本文对ANPC-7L变流器的故障状态运行策略进行了研究，取得如下结论：
1）对ANPC-7L变流器短路故障和断路故障两种单相故障模式进行了分析，找出了各主要开关器件故障后的可用开关状态，通过考虑悬浮电容电压控制和三相平衡电压输出的要求，对可用开关状态进行筛选，找出各类故障的最终可用开关状态，得出三类变流器可继续运行的单相故障。
2）对ANPC-7L变流器的多相故障进行了分析，得出了四种变流器可继续运行的多相故障。
3）对ANPC-7L变流器的故障运行策略进行了研究，给出了一种各种故障下的统一调制策略，并对故障模式下中点电压平衡控制问题进行了初步研究。
4）在一台380V/5kW的ANPC-7L变流器实验样机上取得的实验结果表明了所提故障运行策略的正确性。
5）仅对相单元内单开关器件的故障进行了讨论，所提运行控制策略仅适用于此种类型故障，对相单元内多开关器件故障的运行控制策略还需进一步研究。另外对于如何快速定位故障器件及判断故障类型并未涉及，其方法可参阅相关文献，本文不再赘述。