ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法技术

本发明专利技术涉及一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，包括以下步骤：1)建立ANPC三电平逆变器状态空间模型：2)根据ANPC三电平逆变器拓扑结构，获取功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f；3)根据功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f设计滑模控制器；4)设计SVPWM容错控制模块，并进行ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制。与现有技术相比，本发明专利技术具有提高动稳态性能和鲁棒性、容错控制快速、准确、易实现、应用方便、通用性强等优点。

Active Fault Tolerant Control Method for Open Circuit Fault of Single Switch Tube in ANPC Three-Level Inverter

The invention relates to an active fault-tolerant control method for single-switch open-circuit faults of ANPC three-level inverters, which includes the following steps: 1) establishing the state space model of ANPC three-level inverters: 2) acquiring the characteristic signal f of three-phase faults after open-circuit faults of power switches according to the topological structure of ANPC three-level inverters; 3) according to the characteristics of three-phase faults after open-circuit faults of power switches; Signature f is used to design sliding mode controller; 4) SVPWM fault-tolerant control module is designed and active fault-tolerant control of single-switch open-circuit fault of ANPC three-level inverters is carried out. Compared with the prior art, the invention has the advantages of improving the dynamic and steady state performance and robustness, fast, accurate, easy to realize, convenient application and strong versatility.

【技术实现步骤摘要】
ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法
本专利技术涉及电力电子
，尤其是涉及一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法。
技术介绍
随着我国新能源发电、高速电气化铁路等领域电力电子技术的快速发展，多电平逆变器得到了广泛应用，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。然而与两电平逆变器相比，其拓扑结构和控制方式都更为复杂，内部器件发生故障的概率大大增加；尤其对其中最易发生开路故障的功率开关管而言，若发生故障后不能及时处理，将影响系统整体输出性能，甚至导致系统瘫痪，严重时可能导致人身伤亡。因此研究ANPC三电平逆变器的容错技术具有重要的现实意义。目前不少学者对三电平逆变器的容错控制进行了研究：邱世广、李思光针对逆变器的器件故障较难准确定位的问题，提出了一种三电平NPC逆变器四桥臂容错拓扑；周朋飞、陈权等学者以T型三电平逆变器为对象，对其发生开路故障后的容错控制策略进行了分析；付文轩、张鹏等学者针对ANPC三电平变换器拓扑结构的特点，提出了功率器件开路下的容错控制策略。以上方法多为结构固定单一的被动容错控制或需要外加冗余设备的硬件冗余控制，对拓扑结构复杂的ANPC三电平逆变系统很难有较好的控制效果，且冗余器件的投入，进一步增加了逆变器的体积和成本，提高了系统复杂性，降低了可靠性。
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ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，该方法包括以下步骤：1)建立ANPC三电平逆变器状态空间模型：2)根据ANPC三电平逆变器拓扑结构，获取功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f；3)根据功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f设计滑模控制器；4)设计SVPWM容错控制模块，并进行ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制。所述的步骤1)中，ANPC三电平逆变器状态空间模型为：x＝[iaibic]Tu＝[uanubnucn]Ty＝[iaibic]TA＝diag(-R/L,-R/L,-R/L)B＝diag(L,L,L)C＝diag(1,1,1)f＝[fafbfc]T其中，x为系统状态变量，y为系统输出变量，u为控制输入量，f为三相故障特征信号，fa、fb、fc为a、b、c相的故障特征信号，ia、ib、ic为a、b、c相的负载电流，uan、ubn、ucn为a、b、c相的负载电压，A、B、C为系数矩阵，R为三相负载电阻，L为三相负载电感。所述的步骤2)具体为：获取故障前后ANPC三电平逆变器各相桥臂输出电压差值，并对其在一个基频周期内进行傅里叶级数展开，剔除直流分量后选取三相基频分量作为三相故障特征信号，并以几何平均值作为幅值。所述的步骤3)具体包括以下步骤：31)选取滑模控制目标为滑模面s，则有：s＝i-irefi＝[iaibic]Tiref＝[iarefibreficref]T其中，i为三相负载电流，iref为负载参考电流，iaref、ibref、icref分别为a、b、c相的负载参考电流；32)选则滑模指数趋近律结合系统状态空间模型，确定滑模控制输入量u为：u＝-εsgn(s)-qs-f其中，sgn(·)为符号函数，ε、q为滑模控制参数，且ε＞0、q＞0；33)定义李雅普诺夫函数根据满足滑模控制的可达性要求获取滑模面变化律为：滑模控制参数ε调整为：所述的步骤4)具体包括以下步骤：41)对于滑模容错控制模块输出的三相电压控制信号，采用SVPWM控制方法获取相应的电压空间矢量及其作用时间；42)根据离线生成的容错决策知识库中φs～s间的映射关系，获取在对应故障模式下不能正常输出的电压空间矢量，并将其在电压空间矢量中删除，用以在保持输出电压电流仍为三相对称的基础上，重构并形成新的电压空间矢量，其中s＝0、1、2、……分别对应正常模式、故障模式1、故障模式2、……，φs为相应模式下不能正常输出的SVPWM电压矢量集合；43)对于重构生成的电压空间矢量，在保持故障相原有输出状态不受影响的基础上，重构SVPWM方法，调整电压空间矢量发送顺序，将原有的七段式空间矢量发送序列调整为五段式矢量发送序列，并生成PWM控制信号。所述的步骤43)中，相应的空间矢量作用时间计算以及PWM信号分配方式与正常工作时相同，不受故障影响。实现该方法的控制系统包括：多故障容错决策单元模块：用以离线建立在系统正常和各种故障模式下的容错决策知识库的基础上，在线监测系统运行状态，输出相应故障模式下的容错控制信号到滑模容错控制模块和SVPWM容错控制模块，实现多故障模式下的主动容错控制；滑模容错控制模块：根据不同故障模式下的故障特征信号，结合故障后的逆变器状态空间模型，重构滑模控制律并通过调整控制器的各个控制参数，实时改变输出三相电压控制信号，到SVPWM容错控制模块；SVPWM容错控制模块：根据滑模容错控制模块输出的三相电压控制信号，结合故障后部分无法正常输出的空间矢量，重构电压空间矢量，针对不同故障类型重构原有的SVPWM控制方法，调整电压空间矢量发送顺序，生成容错PWM控制信号，使ANPC三电平逆变器仍能在开关管发生开路故障后保持原有输出性能或性能略有降低的情况下安全运行，完成系统主动容错控制。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、本专利技术通过设计具有滑模切换项的滑模控制器构成逆变系统的闭环反馈环节，使得输入实时跟踪输出，大幅度提高系统的动稳态性能和鲁棒性。二、逆变器发生单开关管开路故障时，在线调整系统控制律和控制参数，容错控制快速、准确，提高逆变系统的运行可靠性。三、本专利技术功率器件数量、成本增加有限，性价比高，易实现，应用方便，具有一定的实际应用价值。四、考虑到逆变系统中各个功率开关管都可能发生开路故障，本专利技术对各桥臂单管开路故障具有通用性，灵活性强。附图说明图1为ANPC三电平逆变器主动容错控制系统结构图。图2为ANPC三电平逆变器主电路结构图。图3为Sa1开路故障前后电流流通路径示意图。图4为Sa1故障前后电压控制信号空间矢量分布图。图5为Sa1故障空间矢量分布图。图6为Sa1开路故障容错控制三相负载电流仿真波形。图7为Sa1开路故障容错控制三相负载电压仿真波形。图8为Sa1开路故障容错控制三相电压控制信号仿真波形。图9为Sa1开路故障容错控制交轴电流输出响应曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例本专利技术提供了一种基于滑模控制的ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制系统，其系统结构图如图1所示，该系统主要包括多故障容错决策单元模块、滑模容错控制模块和SVPWM容错控制模块三部分。多故障容错决策单元模块在离线建立系统正常和各种故障模式下的容错决策知识库的基础上，在线监测系统运行状态，保障系统在故障时进行容错切换控制，输出相应故障模式下的控制信号作用于需进行容错重构的单元，实现多故障模式下的主动容错控制功能，由于在ANPC三电平逆变器主动容错控制过程中，可根据现有研究成果或实际运行经验为系统正常模式和各种故障模式建立容错重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)建立ANPC三电平逆变器状态空间模型：2)根据ANPC三电平逆变器拓扑结构，获取功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f；3)根据功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f设计滑模控制器；4)设计SVPWM容错控制模块，并进行ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制。

【技术特征摘要】
1.一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)建立ANPC三电平逆变器状态空间模型：2)根据ANPC三电平逆变器拓扑结构，获取功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f；3)根据功率开关管发生开路故障后的三相故障特征信号f设计滑模控制器；4)设计SVPWM容错控制模块，并进行ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制。2.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，ANPC三电平逆变器状态空间模型为：x＝[iaibic]Tu＝[uanubnucn]Ty＝[iaibic]TA＝diag(-R/L,-R/L,-R/L)B＝diag(L,L,L)C＝diag(1,1,1)f＝[fafbfc]T其中，x为系统状态变量，y为系统输出变量，u为控制输入量，f为三相故障特征信号，fa、fb、fc为a、b、c相的故障特征信号，ia、ib、ic为a、b、c相的负载电流，uan、ubn、ucn为a、b、c相的负载电压，A、B、C为系数矩阵，R为三相负载电阻，L为三相负载电感。3.根据权利要求2所述的一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：获取故障前后ANPC三电平逆变器各相桥臂输出电压差值，并对其在一个基频周期内进行傅里叶级数展开，剔除直流分量后选取三相基频分量作为三相故障特征信号，并以几何平均值作为幅值。4.根据权利要求2所述的一种ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括以下步骤：31)选取滑模控制目标为滑模面s，则有：s＝i-irefi＝[iaibic]Tiref＝[iarefibreficref]T其中，i为三相负载电流，iref为负载参考电流，iaref、ibref、icref分别为a、b、c相的负载参考电流；32)选则滑模指数趋近律结合系统状态空间模型，确定滑模控制输入量u为：u＝-εsgn(s)-qs-f其中，sgn(·)为符号函数，ε、q为滑模控制参数，且ε＞0、q＞0；33)定义李雅...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琴跃，李朝阳，谭喜堂，解大波，戴维，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31