三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法技术

本发明专利技术涉及一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，包括以下步骤：1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。与现有技术相比，本发明专利技术具有提高容错能力、无需增加冗余开关管、降低实现成本和难度、适用故障类型广等优点。

【技术实现步骤摘要】
三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法
本专利技术涉及电力电子技术，尤其是涉及一种面向ANPC三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的快速发展，多电平变流器在我国高速电气化铁路、城市轨道交通和新能源电动汽车等领域得到了广泛应用，其中ANPC三电平逆变器因其性能稳定、对损耗的平衡控制更加灵活等优点已逐渐成为多电平逆变器的主流。与其它传统的如NPC等三电平逆变器相比，由于ANPC逆变器的功率开关器件数目较多，系统发生故障的概率也相对较高；若发生故障后不能及时处理，将影响整个电路的安全运行，甚至造成不可估量的损失。据统计，变流器中最易发生故障的是IGBT等功率开关器件。因此研究ANPC三电平逆变器针对IGBT开路故障的容错控制方法具有重要的现实意义。目前，针对ANPC三电平逆变器容错系统的研究主要集中在硬件冗余型容错拓扑及其对应的软件容错算法两个方面。开关冗余型、相冗余型容错拓扑是当前主流的两种硬件容错拓扑结构。开关冗余型利用逆变器基本拓扑的冗余电压矢量以及熔断器实现容错控制，不需要增加额外的开关管，成本较低；但由于故障后的冗余空间矢量较少，只能容错特定类型的故障，其它类型的故障则需要降额运行。相冗余型则通过额外增加一个三电平桥臂实现容错，当电路的某相桥臂出现故障时，使用冗余桥臂替换故障相运行，因而能够对单个桥臂内的任意故障进行容错；但是所需功率开关管数量和成本会明显增加，并且面对多桥臂故障时容错能力不足。同时，现有的针对硬件结构而设计的软件容错控制策略，为了简化控制过程，往往先离线建立特定故障类型与其对应的容错拓扑重构算法和PWM控制策略间的映射关系表，供容错控制时查表获取相关信息，实现拓扑重构和容错运行。该方法虽然实现成本低，使用方便，但一旦系统发生非预期故障时便极有可能失去容错能力；并且当面向多相多管复合故障时，由于各种故障类型的组合多达上千种，由此建立的映射表规模将非常庞大，提高了设计难度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向ANPC三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，包括以下步骤：1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。所述的步骤1)中，构建器件共享型的容错拓扑电路结构具体为：在基本ANPC拓扑基础上，A、B、C三相每相增设三种拓扑重构开关器件，具体包括：一个双刀双掷开关Sk：用于在桥臂发生内管故障后切换每相主桥臂内管与箝位管在相输出中的位置；两个双向晶闸管Tku和Tkd：与主桥臂外管并联，用于在桥臂发生外管故障后将其他两相的外管作为冗余器件代替故障外管；两个单向晶闸管Sku、Skd：用于在发生严重内管故障的情况下对故障内管进行隔离，下标k的取值为a、b或c，分别代表A、B、C三相。所述的步骤2)中，ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障具体包括单管故障、相内双管故障和相间多管故障三类，单管故障具体为发生单个外管故障、内管故障或钳位管故障的情况，相内双管故障为单相桥臂内出现两个功率开关同时发生故障的情况。当出现单管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：当一相桥臂中的外管发生开路故障时，控制该相桥臂以及一相邻相桥臂的双向晶闸管导通，使得相邻相桥臂的外管与该相桥臂的故障外管并联，并代替故障外管，实现容错运行；当一相桥臂中的内管发生开路故障时，控制双刀双掷开关的两个动头均切换位置，使得该相中钳位管转变为主桥臂内管，原主桥臂的内管则转变为钳位管，完成主桥臂的切换，实现容错运行；当一相桥臂中的钳位管发生开路故障时，此时，双刀双掷开关和两个双向晶闸管均不动作，采用现有的NPC三电平逆变器的控制方法实现容错运行。所述的相内双管故障具体包括2个外管发生故障、1个外管和1个内管发生故障以及2个内管发生故障，当相内双管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：对于2个外管发生故障以及1个外管和1个内管发生故障的情况，则按照单管故障的拓扑重构方法进行相应的控制；对于2个内管发生故障的情况，当一相桥臂中的左右同侧的两个内管发生故障时，控制双刀双掷开关将故障内管作为钳位管，非故障内管作为主桥臂内管，则该相桥臂退化为基本NPC结构，并且采用现有的NPC基本控制方法保持正常三电平输出，该基本NPC结构与ANPC结构的区别为钳位管处是否使用IGBT开关管，即Tk5和Tk6；当一相桥臂中的左右异侧的两个内管发生故障时，则控制与故障内管并联的单向晶闸管导通，将原本开路的故障内管单向短路，并保持双刀双掷开关不动作，从而维持三电平输出。当出现相间多管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法为：将相间多管故障等效为多个单管故障和双管故障的复合情况进行拓扑重构，实现有效的容错控制，当一相桥臂中出现三个及以上的开关管同时发生故障，部分故障拓扑已经失去容错能力时，则进行降额运行。所述的步骤2)中，自适应容错控制系统包括：拓扑重构开关信号生成模块：根据故障类型和故障位置计算三类拓扑重构开关的动作信号，并生成容错拓扑重构方案，以实现逆变器的拓扑重构；容错控制开关状态表生成模块：根据容错拓扑重构方案以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表控制电平输出；PWM输出控制模块：根据不同故障类型确定不同的SVPWM容错算法，生成相应的容错用空间电压矢量序列，进而产生对应的PWM输出脉冲，实现自适应容错控制，SVPWM本身是一种用于逆变器较为成熟的控制策略，其主要根据相应步骤生成系统正常运行时所需的空间电压矢量序列，当发生故障需进行容错时，本专利技术将基于不同故障类型实时调整并产生相应的用于容错的空间电压矢量序列，在此基础上再进一步生成控制逆变器开关管导通的PWM脉冲信号。所述的步骤2)中，自适应容错控制方法包括以下步骤：21)根据故障类型和故障位置，计算三类拓扑重构开关动作信号，并将该信号传递给容错拓扑电路结构，完成拓扑重构；22)根据重构后的容错拓扑电路结构以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表来控制电平输出；23)根据不同故障类型确定PWM控制方法，包括对称全额运行模式、不对称工作模式、降额运行模式，根据不同的PWM控制方法，生成对应的空间电压矢量序列，并对照有效的IGBT开关状态表，产生PWM脉冲信号，控制容错拓扑电路结构中的IGBT开关管的动作。所述的步骤21)具体包括以下步骤：211)计算双刀双掷开关动作信号，则双刀双掷开关动作信号的逻辑表达式为：FIMk＝Fk2+Fk3FICk＝F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；/n2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；
2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。


2.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，构建器件共享型的容错拓扑电路结构具体为：
在基本ANPC拓扑基础上，A、B、C三相每相增设三种拓扑重构开关器件，具体包括：
一个双刀双掷开关Sk：用于在桥臂发生内管故障后切换每相主桥臂内管与箝位管在相输出中的位置；
两个双向晶闸管Tku和Tkd：与主桥臂外管并联，用于在桥臂发生外管故障后将其他两相的外管作为冗余器件代替故障外管；
两个单向晶闸管Sku、Skd：用于在发生严重内管故障的情况下对故障内管进行隔离，下标k的取值为a、b或c，分别代表A、B、C三相。


3.根据权利要求2所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障具体包括单管故障、相内双管故障和相间多管故障三类，单管故障具体为发生单个外管故障、内管故障或钳位管故障的情况，相内双管故障为单相桥臂内出现两个功率开关同时发生故障的情况。


4.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，当出现单管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：
当一相桥臂中的外管发生开路故障时，控制该相桥臂以及一相邻相桥臂的双向晶闸管导通，使得相邻相桥臂的外管与该相桥臂的故障外管并联，并代替故障外管，实现容错运行；
当一相桥臂中的内管发生开路故障时，控制双刀双掷开关的两个动头均切换位置，使得该相中钳位管转变为主桥臂内管，原主桥臂的内管则转变为钳位管，完成主桥臂的切换，实现容错运行；
当一相桥臂中的钳位管发生开路故障时，此时，双刀双掷开关和两个双向晶闸管均不动作，采用现有的NPC三电平逆变器的控制方法实现容错运行。


5.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的相内双管故障具体包括2个外管发生故障、1个外管和1个内管发生故障以及2个内管发生故障，当相内双管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：
对于2个外管发生故障以及1个外管和1个内管发生故障的情况，则按照单管故障的拓扑重构方法进行相应的控制；
对于2个内管发生故障的情况，
当一相桥臂中的左右同侧的两个内管发生故障时，控制双刀双掷开关将故障内管作为钳位管，非故障内管作为主桥臂内管，则该相桥臂退化为基本NPC结构，并且采用现有的NPC基本控制方法保持正常三电平输出；
当一相桥臂中的左右异侧的两个内管发生故障时，则控制与故障内管并联的单向晶闸管导通，将原本开路的故障内管单向短路，并保持双刀双掷开关不动作，从而维持三电平输出。


6.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，当出现相间多管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法为：
将相间多管故障等效为多个单管故障和双管故障的复合情况进行拓扑重构，实现有效的容错控制，当一相桥臂中出现三个及以上的开关管同时发生故障，部分故障拓扑已经失去容错能力时，则进行降额运行。


7.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，自适应容错控制系统包括：
拓扑重构开关信号生成模块：根据故障类型和故障位置计算三类拓扑重构开关的动作信号，并生成容错拓扑重构方案，以实现逆变器的拓扑重构；
容错控制开关状态表生成模块：根据容错拓扑重构方案以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表控制电平输出；
PW...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琴跃，徐璟然，谭喜堂，李大荃，黄修晗，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31