Том 337 № 6 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5707
Управляемое смещение нейтральной точки каскадного высоковольтного преобразователя частоты: алгоритм, моделирование и экспериментальная верификация
Актуальность. Отказ силовой ячейки в каскадном H-мостовом высоковольтном преобразователе частоты вызывает асимметрию фазных напряжений и срабатывание мгновенных защит, что на удалённых объектах нефтегазового комплекса влечёт за собой многодневные простои технологического оборудования. При этом традиционный подход к восстановлению работоспособности, базирующийся на аппаратном резервировании, увеличивает стоимость оборудования на 15–25 %. Цель. Разработка и экспериментальная верификация программного алгоритма управляемого смещения нейтральной точки каскадного многоуровневого инвертора, обеспечивающего симметрию линейных напряжений на нагрузке в аварийном режиме работы при шунтировании неисправных силовых ячеек без применения аппаратного резервирования. Методы. Алгоритм симметрирования интегрирован в традиционную систему векторного управления трехфазным двигателем переменного тока через модификацию матрицы обратного преобразования Э. Кларк. Применительно к 13-уровневому инвертору на базе Н-мостов произведена автоматизация вычислительного процесса отыскания желаемого смещения нейтральной точки при помощи решения системы нелинейных уравнений высокого порядка. Разработана имитационная модель в «MATLAB/Simulink» с адаптивным пересчётом фазовых сдвигов генераторов опорных сигналов скалярной ШИМ треугольной мгновенной формы, реализованных в соответствии с горизонтальным принципом. Экспериментальная верификация разработанных алгоритмических принципов симметрирования линейных напряжений выполнялась на промышленном стенде ЗАО «ЭРАСИБ», г. Новосибирск, реализованном на базе серийного образца преобразователя «ЭРАТОН-В» с 6-тью ячейками на одну фазу 1140 В и асинхронным двигателем 30 кВт. Результаты и выводы. Цифровым моделированием подтверждено, что предложенный адаптивный пересчёт фазовых сдвигов обеспечивает сохранение гармонической мгновенной формы фазных токов при шунтировании ячеек. Для конфигураций 5-6-6, 5-5-6 и 5-5-5 снижение линейного напряжения составляет 5,8–16,6 %, что приемлемо для насосных и вентиляторных нагрузок. Экспериментально подтверждена работоспособность алгоритма при отказе одной, двух и трёх ячеек, так как система управления автоматически обеспечивает симметрию линейных напряжений и синусоидальную форму токов статора электрической машины без аппаратной избыточности. Расхождение экспериментальных данных с результатами моделирования не превышает инженерного уровня точности в 5 %, что позволяет использовать данное техническое решение в серийных образцах «ЭРАТОН-В».
Для цитирования: Сидоров Г.С., Нос О.В. Управляемое смещение нейтральной точки каскадного высоковольтного преобразователя частоты: алгоритм, моделирование и экспериментальная верификация. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 6, С. 188-202. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5707
Ключевые слова:
многоуровневый инвертор напряжения, каскадное включение H-мостов, аварийный режим работы, резервирование, алгоритмы управления, смещение нейтрали
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ranjbar Y., Nemati A. Intelligence analytics in Industry 4.0: IoT-based oil and gas industry. Journal of Industrial Information Integration, 2026, Vol. 1, P. 39. DOI: 10.1016/j.iotcps.2026.03.004.
2. Nguyen M.L., Ta D.A. Synchronous transfer control of medium voltage pump in water treatment: a multilevel cascaded H-bridge inverter-based solution. Results in Engineering, 2025, P. 11. DOI: 10.1016/j.rineng.2025.107006.
3. Antunes H.M.A., Brandao D.I., Biajo V.H.M., Oliveira F.S., Silva S.M. Floating, production, storage, and offloading unit: a contingency operating mode using variable frequency drives. IEEE Access, 2024, Vol. 12, P. 11. DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3400686.
4. Тендер № 71310781: текущий ремонт системы управления частотно-регулируемых приводов Сименс на объектах ООО «Транснефть – Восток». РосТендер. 26.10.2023. URL: https://rostender.info/region/irkutskaya-oblast/bratsk/71310781-tender-tekushchij-remont-sistemy-upravleniya-chastotno-reguliruemyh-privodov-simens-obektov-ooo-transneft-vostok#desc (дата обращения: 05.04.2026).
5. Тендер № 55736180: текущий ремонт частотно-регулируемых приводов (ЧРП) производства АВВ на объектах Ленского РНУ. РосТендер. 22.10.2021. URL: https://rostender.info/region/irkutskaya-oblast/kirensk/55736180-tender-tekushchij-remont-chrp-proizvodstva-avv-obektov-lenskogo-rnu (дата обращения: 05.04.2026).
6. Morawiec M., Lewicki A. Power electronic transformer based on cascaded H-bridge converter. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, 2017, Vol. 65, № 5, P. 675–683. DOI: 10.1515/bpasts-2017-007.
7. Zhao F., Xu H., Chen X., Wang Y. Power balance control strategy of cascaded h-bridge multilevel inverter based on improved harmonic injection. TSP_EE_68714, 2025, P. 14. DOI: 10.32604/ee.2025.068714.
8. Wang C., Chen W., Fang X., Ma X., Li X., Zhang K., Wang H., Peng H., Li L. DC infeed fault ride-through operation of cascaded H-bridge multilevel inverter based on DC-coupled thyristors. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2026, Vol. 177, P. 19. DOI: 10.1016/j.ijepes.2026.111796.
9. Phukan H., Pati A., Singh J., Bizon N. Review of fault detection, localization and tolerant in multilevel inverter. Energy Reports, 2026, Vol. 15, P. 24. DOI: 10.1016/j.egyr.2026.109038.
10. Виноградов А.Б., Коротков А.А. Алгоритмы управления высоковольтным многоуровневым преобразователем частоты. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина, 2018. 184 с.
11. Yang S. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: a review. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, Vol. 25, № 11, P. 2734–2752. DOI:10.1109/TPEL.2010.2049377.
12. Sivapriya A., Nallathambi K. An extensive review on fault detection and fault-tolerant control of multi-level inverter with applications. International Journal of Renewable Energy Research, 2022, Vol. 12, № 30, P. 768–798.
13. Gatta R.K., Kumar D.G., Shashavali P., Dsnm R., Kotb H., Alkuhayli A., Ghadi Y.Y., Mbasso W.F. Comprehensive analysis of faults and diagnosis techniques in cascaded multi-level inverters. Heliyon, 2024, Vol. 10, № 22, P. 25. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e39901.
14. Dong L., Xiao Q., Jia Y., Fang T. Review of research on intelligent diagnosis of oil transfer pump malfunction. Natural Gas Industry B, 2023, Vol. 10, № 2, P. 135–142. DOI: 10.1016/j.ngib.2022.04.002.
15. Сидоров Г.С. Управление многоуровневыми преобразователями частоты на базе каскадного включения Н-мостов в аварийных режимах работы высоковольтного электропривода. Информационно-телекоммуникационные системы и технологии: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Кемерово, 2025. С. 483–487.
16. Spare on demand power cells for modular multi-level power converter: pat. no. 3300240, European Union, A1; filed 16.08.2017; published 28.03.2018. 21 p.
17. 一种变流器的故障控制方法 : 专利号 101699732, 中国, B ; 申请日 2009年10月30日; 授权公告日 2012年08月22日. 15 页.
18. Копырин В.А., Хамитов Р.Н., Глазырин А.С., Кладиев С.Н., Раков И.В., Портнягин А.Л., Маркова А.А. Оценка совокупной стоимости владения установкой электроцентробежного насоса с внутрискважинным компенсатором. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2021, Т. 332, № 2, С. 166–175. DOI: 10.18799/24131830/2021/02/3053.
19. Ceballos S. Fault-tolerant hybrid four-leg multilevel converter. European Conference on Power Electronics and Applications. Aalborg, Denmark: IEEE, 2007. P. 1–9. DOI: 10.1109/EPE.2007.4417617.
20. He J. A fault-tolerant T-type multilevel inverter topology with increased overload capability and soft-switching characteristics. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, Vol. 53, № 3, P. 2826–2839. DOI: 10.1109/TIA.2017.2665630.
21. Zhang W. Survey on fault-tolerant techniques for power electronic converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, Vol. 29, № 12, P. 6319–6331. DOI: 10.1109/TPEL.2014.2304561.
22. Lakhdari M., Rabhi B., Benaissa A. A new structural reconfiguration for multilevel inverters with fault tolerance capability. Acta Polytechnica, 2024, Vol. 64, № 4, P. 379–384. DOI: 10.14311/AP.2024.64.0379.
23. Jeongwoo K., Younghoon C. Improved neutral shift method for fault tolerant operation of three phase MLCI. Journal of Power Electronics, 2021, Vol. 21, № 8, P. 49–58. DOI: 10.1007/s43236-020-00161-0.
24. Nos O.V., Abramushkina E.E. The control technique for cascaded H-bridge multilevel converter with faulty cells. The 19 international conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices, EDM 2018: proc. Erlagol, Altai, 29 June – 3 July 2018. IEEE Computer Society, 2018. P. 672–675. DOI: 10.1109/EDM.2018.8435054
25. Нос О.В., Дыбко М.А., Нос Н.И. Алгоритмы управления многоуровневым инвертором напряжения с каскадным включением H-мостов в аварийном режиме работы. Электротехника, 2021, № 12, С. 37–47.
26. Hammond P.W. Enhancing the reliability of modular medium-voltage drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, Vol. 49, № 5, P. 948–954. DOI: 10.1109/TIE.2002.803172.
27. Eaton D., Rama J., Hammond P. Neutral shift: five years of continuous operation with adjustable frequency drives. IEEE Industry Applications Magazine, 2003, Vol. 9, № 6, P. 47–54. DOI: 10.1109/MIA.2003.1245795.
28. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина, 2008. 298 с.
29. Сидоров Г.С. Решение задачи симметрирования линейных напряжений для каскадных инверторов в аварийном режиме работы. Мехатроника, автоматика и робототехника: материалы Международной научно-практической конференции. СПб, 2026. № 17, С. 238–245. DOI: 10.26160/2541-8637-2026-17-238-245.
30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2026614056. Программа вычисления элементов матрицы координатных преобразований трехфазной системы напряжений из ортогональных составляющих для различных комбинаций неисправных силовых ячеек многоуровневого инвертора. Заявка № 2026613158 от 12.02.2026. Зарегистрировано 12.02.2026.
31. Панкратов В.В., Котин Д.А. Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. 125 с.
32. Rao J.V., Mahesh A. Hardware implementation of carrier rotation strategy for Cascaded H-bridge multilevel inverters.International Conference on Computing, Communication and Automation (ICCCA). Greater Noida: IEEE, 2017. P. 1578–1583. DOI: 10.1109/CCAA.2017.8230055.
33. Домахин Е.А. Алгоритмы управления высоковольтным асинхронным электроприводом с функцией безударного переключения нагрузки на питающую сеть: дис. … канд. техн. наук. Новосибирск, 2022. 174 с.
34. Mouzhi Dong. A novel digital modulation scheme for multilevel cascaded H-bridge inverters. 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference – PESC 2008. Rhodes, Greece: IEEE, 2008. P. 1675–1680. DOI: 10.1109/PESC.2008.4592182.
35. Ma M., Hu L., Chen A., He X. Reconfiguration of Carrier-Based Modulation Strategy for Fault Tolerant Multilevel Inverters. IEEE Transactions on Power Electronic, 2007, Vol. 22, № 5, P. 2050–2060. DOI: 10.1109/TPEL.2007.904249.
36. Choi J.-Y., Han B.-M. An improved phase-shifted carrier PWM for modular multilevel converters with redundancy sub-modules. Journal of Power Electronics, 2016, Vol. 16, № 2, P. 473–479. DOI:10.6113/JPE.2016.16.2.473.
REFERENCES
1. Ranjbar Y., Nemati A. Intelligence analytics in Industry 4.0: IoT-based oil and gas industry. Journal of Industrial Information Integration, 2026, vol. 1, p. 39. DOI: 10.1016/j.iotcps.2026.03.004.
2. Nguyen M.L., Ta D.A. Synchronous transfer control of medium voltage pump in water treatment: a multilevel cascaded H-bridge inverter-based solution. Results in Engineering, 2025, p. 11. DOI: 10.1016/j.rineng.2025.107006.
3. Antunes H.M.A., Brandao D.I., Biajo V.H.M., Oliveira F.S., Silva S.M. Floating, production, storage, and offloading unit: a contingency operating mode using variable frequency drives. IEEE Access, 2024, vol. 12, p. 11. DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3400686.
4. Tender No. 71310781: Current repair of the control system of Siemens variable frequency drives at the facilities of Transneft – Vostok LLC. RosTender. 26.10.2023. (In Russ.) Available at: https://rostender.info/region/irkutskaya-oblast/bratsk/71310781-tender-tekushchij-remont-sistemy-upravleniya-chastotno-reguliruemyh-privodov-simens-obektov-ooo-transneft-vostok#desc (accessed 5 April 2026).
5. Tender No. 55736180: Current repair of ABB variable frequency drives at the facilities of Lensky RNU. RosTender. 22.10.2021. (In Russ.) Available at: https://rostender.info/region/irkutskaya-oblast/kirensk/55736180-tender-tekushchij-remont-chrp-proizvodstva-avv-obektov-lenskogo-rnu (accessed 5 April 2026).
6. Morawiec M., Lewicki A. Power electronic transformer based on cascaded H-bridge converter. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, 2017, vol. 65, no. 5, pp. 675–683. DOI: 10.1515/bpasts-2017-007.
7. Zhao F., Xu H., Chen X., Wang Y. Power balance control strategy of cascaded h-bridge multilevel inverter based on improved harmonic injection. TSP_EE_68714, 2025, p. 14. DOI: 10.32604/ee.2025.068714.
8. Wang C., Chen W., Fang X., Ma X., Li X., Zhang K., Wang H., Peng H., Li L. DC infeed fault ride-through operation of cascaded H-bridge multilevel inverter based on DC-coupled thyristors. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2026, vol. 177, p. 19. DOI: 10.1016/j.ijepes.2026.111796.
9. Phukan H., Pati A., Singh J., Bizon N. Review of fault detection, localization and tolerant in multilevel inverter. Energy Reports, 2026, vol. 15, p. 24. DOI: 10.1016/j.egyr.2026.109038.
10. Vinogradov A.B., Korotkov A.A. Control algorithms for high-voltage multilevel frequency converter. Ivanovo, Ivanovo State Power Engineering University Publ., 2018. 184 p. (In Russ.)
11. Yang S. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: a review. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, vol. 25, no. 11, pp. 2734–2752. DOI: 10.1109/TPEL.2010.2049377.
12. Sivapriya A., Nallathambi K. An extensive review on fault detection and fault-tolerant control of multi-level inverter with applications. International Journal of Renewable Energy Research, 2022, vol. 12, no. 30, pp. 768–798.
13. Gatta R.K., Kumar D.G., Shashavali P., Dsnm R., Kotb H., Alkuhayli A., Ghadi Y.Y., Mbasso W.F. Comprehensive analysis of faults and diagnosis techniques in cascaded multi-level inverters. Heliyon, 2024, vol. 10, no. 22, p. 25. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e39901.
14. Dong L., Xiao Q., Jia Y., Fang T. Review of research on intelligent diagnosis of oil transfer pump malfunction. Natural Gas Industry B, 2023, vol. 10, no. 2, pp. 135–142. DOI: 10.1016/j.ngib.2022.04.002.
15. Sidorov G.S. Control of multilevel frequency converters based on cascaded H-bridges in emergency modes of high-voltage electric drive. Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Information and Telecommunication Systems and Technologies. Kemerovo, 2025. pp. 483–487. (In Russ.)
16. Spare on demand power cells for modular multi-level power converter. Patent EU, no. 3300240 A1, 2018.
17. Fault control method for converter. Patent CN, no. 101699732 B, 2012. (In Chin.)
18. Kopyrin V.A., Khamitov R.N., Glazyrin A.S., Kladiev S.N., Rakov I.V., Portnyagin A.L., Markova A.A. Assessing the total cost of ownership of an electric submersible pump unit with a downhole compensator. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no. 2, pp. 166–175. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2021/02/3053.
19. Ceballos S. Fault-tolerant hybrid four-leg multilevel converter. 2007 European Conference on Power Electronics and Applications. Aalborg, Denmark, IEEE, 2007. pp. 1–9. DOI: 10.1109/EPE.2007.4417617.
20. He J. A fault-tolerant T-type multilevel inverter topology with increased overload capability and soft-switching characteristics. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, vol. 53, no. 3, pp. 2826–2839. DOI: 10.1109/TIA.2017.2665630.
21. Zhang W. Survey on fault-tolerant techniques for power electronic converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, vol. 29, no. 12, pp. 6319–6331. DOI: 10.1109/TPEL.2014.2304561.
22. Lakhdari M., Rabhi B., Benaissa A. A new structural reconfiguration for multilevel inverters with fault tolerance capability. Acta Polytechnica, 2024, vol. 64, no. 4, pp. 379–384. DOI: 10.14311/AP.2024.64.0379.
23. Jeongwoo K., Younghoon C. Improved neutral shift method for fault tolerant operation of three phase MLCI. Journal of Power Electronics, 2021, vol. 21, no. 8, pp. 49–58. DOI: 10.1007/s43236-020-00161-0.
24. Nos O.V., Abramushkina E.E. The control technique for cascaded H-bridge multilevel converter with faulty cells. The 19 international conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices, EDM 2018: proc. Erlagol, Altai, 29 June – 3 July 2018. IEEE Computer Society, 2018. pp. 672–675. DOI: 10.1109/EDM.2018.8435054.
25. Nos O.V., Dybko M.A., Nos N.I. Control algorithms for cascaded H-bridge multilevel voltage inverter in emergency operation. Elektrotekhnika, 2021, no. 12, pp. 37–47. (In Russ.)
26. Hammond P.W. Enhancing the reliability of modular medium-voltage drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, vol. 49, no. 5, pp. 948–954. DOI: 10.1109/TIE.2002.803172.
27. Eaton D., Rama J., Hammond P. Neutral shift: five years of continuous operation with adjustable frequency drives. IEEE Industry Applications Magazine, 2003, vol. 9, no. 6, pp. 47–54. DOI: 10.1109/MIA.2003.1245795.
28. Vinogradov A.B. Vector control of AC electric drives. Ivanovo, Ivanovo State Power Engineering University Publ., 2008. 298 p. (In Russ.)
29. Sidorov G.S. Solving the problem of line voltage balancing for cascaded inverters in emergency operation. Mechatronics, Automation and Robotics: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. ¬¬St Petersburg, 2026. No. 17, pp. 238–245. (In Russ.) DOI: 10.26160/2541-8637-2026-17-238-245.
30. Sidorov G.S., Nos O.V. Certificate of state registration of computer program no. 2026614056. Program for calculating the elements of the coordinate transformation matrix of a three-phase voltage system from orthogonal components for various combinations of faulty power cells of a multilevel inverter, no. 2026613158, 2026. (In Russ.)
31. Pankratov V.V., Kotin D.A. Adaptive algorithms for sensorless vector control of asynchronous electric drives of lifting and transport mechanisms. Novosibirsk, NSTU Publ., 2018. 125 p. (In Russ.)
32. Rao J.V., Mahesh A. Hardware implementation of carrier rotation strategy for Cascaded H-bridge multilevel inverters. 2017 International Conference on Computing, Communication and Automation (ICCCA). Greater Noida, IEEE, 2017. pp. 1578–1583. DOI: 10.1109/CCAA.2017.8230055.
33. Domakhin E.A. Control algorithms for high-voltage asynchronous electric drive with function of bumpless load switching to the supply network. Cand. Diss. Novosibirsk, 2022. 174 p. (In Russ.)
34. Mouzhi Dong. A novel digital modulation scheme for multilevel cascaded H-bridge inverters. 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference – PESC 2008. Rhodes, Greece, IEEE, 2008. pp. 1675–1680. DOI: 10.1109/PESC.2008.4592182.
35. Ma M., Hu L., Chen A., He X. Reconfiguration of carrier-based modulation strategy for fault tolerant multilevel inverters. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, no. 5, pp. 2050–2060. DOI: 10.1109/TPEL.2007.904249.
36. Choi J.-Y., Han B.-M. An improved phase-shifted carrier PWM for modular multilevel converters with redundancy sub-modules. Journal of Power Electronics, 2016, vol. 16, no. 2, pp. 473–479. DOI: 10.6113/JPE.2016.16.2.473.
