多电平逆变器的参考电压信号重构的容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种级联型多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法。该逆变器的容错方法能根据故障诊断结果自动重构三相总电压的相位差和参考电压幅值系数，从而保障三相线电压平衡。在总电压信号的重构基础上，根据故障信号向量对输入各个H桥的参考电压进行再重构，以实现故障桥的切除以及正常桥的容错控制，保证实际参考电压完整的正弦特性。该逆变器可以实现故障情况下最大三相平衡线电压，并具有不添加冗余模块、无冗余调制算法，故障桥切除简便的优点，适用于可降载运行的用电设备。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及电力电子领域中的多电平逆变器的容错控制，尤其涉及一种自适应容错PWM调制算法。
技术介绍
：近年来，高压大功率变换器以其优越的性能和良好的节能效果，在工业生产、交通运输等领域得到了迅速的推广和应用。但是，开关器件的耐压等级严重制约着高压变频技术的发展。为了在现有开关器件耐压等级基础上得到更高的输出电压，多电平逆变器以其输出电能质量高、功率器件电压应力低、开关损耗小等特点在工业生产、交通运输、航空航天等领域得到广泛的应用。多电平逆变器拓扑主要包含二极管箝位型逆变器，飞跨电容式逆变器以及级联型多电平逆变器。其中级联H桥型逆变器因其不需要大量的箝位二极管或电容，无需均衡电容电压，结构上易于模块化和扩展，并具有良好的电能质量，因此在工业中得到了广泛的应用。但是在实际工业工程中，级联型多电平逆变器的每相中都含有大量的H桥，因而会大大增加开关器件开路和短路的故障发生概率。而且随着电压的升高，故障出现的概率也变大。级联H桥型多电平逆变器的产生虽然为电力电子技术在高压、大功率场合的应用提供了很多便利，但一旦发生故障，轻则造成企业停产，重则会造成灾难性事故，给社会带来巨大的损失。研究表明，逆变器供电的变频调速系统中开关器件的故障占整个驱动系统故障的82.5％，是驱动系统中最容易发生故障的环节。目前针对逆变器IGBT开路故障，主要有两种容错控制策略。一种是添加冗余桥臂或者添加冗余模块的硬件冗余方法。这种方法能实现全载运行，但是以成本的提高、逆变器的重量以及复杂度的增加为代价而实现的。在体积以及重量严格限制的使用场合，无法采用这种方法。为了减少生产成本，另一种策略则是利用余下的开关器件降载运行，通过改变控制算法，达到容错目的。但是传统的多电平逆变器PWM波调制算法无法适用故障模块切除后的逆变器控制，需更换调制策略才能进行容错控制，对于电平数越高的逆变器，所需添加的冗余算法就越多。而且切换算法需要进行故障判断和算法选择，在电平数越高的多电平逆变器中，故障种类越多，则整体的算法选择时间会更长，一定程度上延长了系统响应时间。
技术实现思路
：本专利技术首次将故障信号引入到故障情况下级联型多电平逆变器的PWM波重构算法中，通过对总参考电压幅值与相位的重构以及各H桥参考电压再重构的方法实现故障桥的切除以及正常桥的容错控制。本专利技术的目的是提供一种参考电压信号重构的容错控制方法来实现级联型多电平逆变器的容错控制，其技术方案如下：一种多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法，其整体容错逆变器包括直流电源、H桥电路、故障诊断模块、PWM波生成模块、电阻负载。直流电源由多个直流电源组成，PWM波生成模块产生开关信号驱动H桥主电路将来自直流电源的直流电转换成交流电。对该交流电的电压进行检测以及故障诊断，根据故障诊断结果重构PWM波对逆变器进行容错控制。故障诊断方法采用基于数据驱动的故障诊断方法，先根据故障类别采取正常与故障情况下三相电压信号样本，对样本进行FFT变换、PCA主元提取以及BP神经网络数据预处理训练得到BP神经网络的权值矩阵，然后在实时系统中，对采集到的三相电压信号进行FFT变换、PCA主元提取并利用已设置好权值矩阵的进行故障诊断。级联型多电平逆变器中每一相主电路均由n个H桥组成。每一相中将H桥自下而上排列，最下面的是第一个H桥，最上面的是第n个H桥。将第i个H桥(i＝1,2…n)的四个开关管分别标记为HiS1、HiS2、HiS3和HiS4，开关管选择为IGBT。Voi是第i个H桥的输出电压，Vo是该电路的总输出电压，将n个H桥的输出端级联后，使得由于每个H桥的直流电源电压均为E，所以Voi三个输出状态为0V或±E。这样，在任意时刻，Vo可以等于±nE、±(n-1)E、…±E或0V，即每一相可以输出(2n+1)种不同的电平。基本PWM波调制算法选择为载波层叠SPWM调制算法。在每个H桥两端并联故障隔离开关Si，当故障发生时用来切除故障桥。H桥主电路中，一个H桥的IGBT开路故障分为一类故障，即不管故障桥内有几个IGBT发生开路故障，均将其归为该H桥故障。所以本专利技术针对H桥故障进行容错控制。通过故障诊断模块对逆变器的输出电压做到实时的检测和故障诊断。根据诊断结果对三相总参考电压的幅值与相位进行重构，并且建立故障信号向量对各个H桥的参考电压信号进行再重构，从而利用重构后的PWM波对级联型多电平逆变器进行容错控制。本专利技术的整体方法分为离线故障信号预设置和离线三相相电压幅值系数与相位重构预设置，以及在线故障桥切除与正常桥参考电压信号再重构。本专利技术的离线预设置如下：步骤1故障信号向量预设置：设λAi(i＝1,2,3….n)为A相中第i个H桥的故障信号，λAi＝0时，A相第i个H桥无故障；λi＝1时，A相第i个H桥有故障。uArefi+(t)为A相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uArefi-(t)为A相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压。设λBi(i＝1,2,3….n)为B相中第i个H桥的故障信号，λBi＝0时，B相第i个H桥无故障；λBi＝1时，B相第i个H桥有故障。uBrefi+(t)为B相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uBrefi-(t)为B相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压。设λCi(i＝1,2,3….n)为C相中第i个H桥的故障信号，λCi＝0时，C相第i个H桥无故障；λCi＝1时，C相第i个H桥有故障。uCrefi+(t)为C相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uCrefi-(t)为C相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压。三相电压正常工作时，，三相各桥故障信号均为0，所以参考电压如下： u A r e f ( t ) = u 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联型多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法，所述级联型多电平逆变器包括多个直流电源、H桥电路、故障诊断模块、PWM波生成模块、电阻负载；PWM波生成模块产生开关信号驱动H桥电路将来自多个直流电源的直流电转换成交流电，对所述交流电的电压进行检测以及故障诊断，根据故障诊断结果重构PWM波对逆变器进行容错控制；故障诊断方法采用基于数据驱动的故障诊断方法，先根据故障类别采取正常与故障情况下三相电压信号样本，对样本进行FFT变换、PCA主元提取以及BP神经网络数据预处理训练得到BP神经网络的权值矩阵，然后在实时系统中，对采集到的三相电压信号进行FFT变换、PCA主元提取并利用所述权值矩阵进行故障诊断；级联型多电平逆变器中每一相的H桥主电路由n个H桥组成；将H桥自下而上排列，最下面的是第一个H桥，最上面的是第n个H桥；将第i个H桥的四个开关管分别标记为HiS1、HiS2、HiS3和HiS4，开关管选择为IGBT；Voi是第i个H桥的输出电压，Vo是该电路的总输出电压，将n个H桥的输出端级联后，使得由于每个H桥的直流电源电压均为E，所以Voi三个输出状态为0V或±E；这样，在任意时刻，Vo可以等于±nE、±(n‑1)E、…±E或0V，即每一相可以输出(2n+1)种不同的电平；基本PWM波调制算法选择为载波层叠SPWM调制算法；在每个H桥两端并联故障隔离开关Si，当故障发生时用来切除故障桥；H桥主电路中，一个H桥的IGBT开路故障分为一类故障，及不管故障桥内有几个IGBT发生开路故障，均将其归为该H桥故障；通过故障诊断模块对逆变器的输出电压做到实时的检测和故障诊断；根据诊断结果对三相总参考电压的幅值与相位进行重构，并且建立故障信号向量对各个H桥的参考电压信号进行再重构，从而利用重构后的PWM波对级联型多电平逆变器进行容错控制；其特征在于，所述级联型多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法包括以下步骤：步骤1故障信号向量预设置：设λAi(i＝1,2,3….n)为A相中第i个H桥的故障信号，λAi＝0时，A相第i个H桥无故障；λi＝1时，A相第i个H桥有故障。uArefi+(t)为A相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uArefi‑(t)为A相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压。设λBi(i＝1,2,3….n)为B相中第i个H桥的故障信号，λBi＝0时，B相第i个H桥无故障；λBi＝1时，B相第i个H桥有故障。uBrefi+(t)为B相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uBrefi‑(t)为B相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压。设λCi(i＝1,2,3….n)为C相中第i个H桥的故障信号，λCi＝0时，C相第i个H桥无故障；λCi＝1时，C相第i个H桥有故障。uCrefi+(t)为C相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uCrefi‑(t)为C相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压；三相电压正常工作时，三相各桥故障信号均为0，所以参考电压如下：uAref(t)=uArefi+(t)=uArefi-(t)=n sin(100πt)uBref(t)=uBrefi+(t)=uBrefi-(t)=n sin(100πt+2π3)uCref(t)=uCrefi+(t)=uCrefi-(t)=n sin(100πt-2π3)]]>设置三相故障信号向量：A=λA1+λA2+...+λAn-1-nλAn...λA1+λA2+...+λAi-1-nλAi...λA1-nλA2-nλA1,B=λB1+λB2+...+λBn-1-nλBn...λB1+λB2+...+λBi-1-nλBi...λB1-nλB2-nλB1]]>C=λC1+λC2+...+λCn-1-nλCn...λC1+λC2+...+λCi-1-nλCi...λC1-nλC2-nλC1]]>步骤2离线三相参考相电压幅值系数与相位重构预设置：设p、q、r分别为A、B、C三相中正常桥的个数，根据可能出现的故障情况对离线三相参考相电压幅值系数与相位作如下重构：当p＝q＝r时，p*＝q*＝r*...

【技术特征摘要】
1.一种级联型多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法，所述级联
型多电平逆变器包括多个直流电源、H桥电路、故障诊断模块、PWM波生成模
块、电阻负载；PWM波生成模块产生开关信号驱动H桥电路将来自多个直流电
源的直流电转换成交流电，对所述交流电的电压进行检测以及故障诊断，根据故
障诊断结果重构PWM波对逆变器进行容错控制；故障诊断方法采用基于数据驱
动的故障诊断方法，先根据故障类别采取正常与故障情况下三相电压信号样本，
对样本进行FFT变换、PCA主元提取以及BP神经网络数据预处理训练得到BP
神经网络的权值矩阵，然后在实时系统中，对采集到的三相电压信号进行FFT
变换、PCA主元提取并利用所述权值矩阵进行故障诊断；级联型多电平逆变器
中每一相的H桥主电路由n个H桥组成；将H桥自下而上排列，最下面的是第
一个H桥，最上面的是第n个H桥；将第i个H桥的四个开关管分别标记为HiS1、
HiS2、HiS3和HiS4，开关管选择为IGBT；Voi是第i个H桥的输出电压，Vo
是该电路的总输出电压，将n个H桥的输出端级联后，使得由于
每个H桥的直流电源电压均为E，所以Voi三个输出状态为0V或±E；这样，
在任意时刻，Vo可以等于±nE、±(n-1)E、…±E或0V，即每一相可以输出(2n+1)
种不同的电平；基本PWM波调制算法选择为载波层叠SPWM调制算法；在每
个H桥两端并联故障隔离开关Si，当故障发生时用来切除故障桥；H桥主电路
中，一个H桥的IGBT开路故障分为一类故障，及不管故障桥内有几个IGBT发
生开路故障，均将其归为该H桥故障；通过故障诊断模块对逆变器的输出电压
做到实时的检测和故障诊断；根据诊断结果对三相总参考电压的幅值与相位进行
重构，并且建立故障信号向量对各个H桥的参考电压信号进行再重构，从而利
用重构后的PWM波对级联型多电平逆变器进行容错控制；
其特征在于，所述级联型多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法包
括以下步骤：
步骤1故障信号向量预设置：
设λAi(i＝1,2,3….n)为A相中第i个H桥的故障信号，λAi＝0时，A相第
i个H桥无故障；λi＝1时，A相第i个H桥有故障。uArefi+(t)为A相中第i
个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压，uArefi-(t)为A相中第
i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考电压。设λBi(i＝1,2,3….n)
为B相中第i个H桥的故障信号，λBi＝0时，B相第i个H桥无故障；λBi＝1
时，B相第i个H桥有故障。uBrefi+(t)为B相中第i个H桥左桥臂中与三角波
相比生成PWM波的参考电压，uBrefi-(t)为B相中第i个H桥右桥臂中与三角
波相比生成PWM波的参考电压。设λCi(i＝1,2,3….n)为C相中第i个H桥的故

\t障信号，λCi＝0时，C相第i个H桥无故障；λCi＝1时，C相第i个H桥有故
障。uCrefi+(t)为C相中第i个H桥左桥臂中与三角波相比生成PWM波的参考
电压，uCrefi-(t)为C相中第i个H桥右桥臂中与三角波相比生成PWM波的参
考电压；三相电压正常工作时，三相各桥故障信号均为0，所以参考电压如下：
u A r e f ( t ) = u A r e f i + ( t ) = u A r e f i - ( t ) = n sin ( 100 π t ) u B r e f ( t ) = u B r e f i + ( t ) = u B r e f i - ( t ) = n sin ( 100 π t + 2 π 3 ) u C r e f ( t ) = u C r e f i + ( t ) = u C r e f i - ( t ) = n sin ( 100 π t - 2 π 3 ) ]]>设置三相故障信号向量：
A = λ A 1 + λ A 2 + ... + λ A n - 1 - nλ A n . . . λ A 1 + λ A 2 + ... + λ A i - 1 - nλ A i . . . λ A 1 - nλ A 2 - nλ A 1 , B = λ B 1 + λ B 2 + ... + λ B n - 1 - nλ B n . . . λ B 1 + λ B 2 + ... + λ B i - 1 - nλ B i . . . λ B 1 - nλ B 2 - nλ B 1 ]]> C = λ C 1 + λ C 2 + ... + λ C n - 1 - nλ C n . . . λ C 1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿超，王天真，韩金刚，刘卓，秦海洋，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31