(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910037299.0
(22)申请日 2019.01.15
(71)申请人 同济大学
地址 200092 上海市杨浦区四平路1239号
(72)发明人 朱琴跃 李朝阳 谭喜堂 解大波
戴维
(74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限
公司 31225
代理人 杨宏泰
(51)Int.Cl.
H02M 7/487(2007.01)
H02M 1/32(2007.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及一种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。权利要求书2页 说明书9页 附图5页CN 109672356 A 2019.04.23
C N 109672356
A
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＝[i a i b i c]T
u＝[u an u bn u cn]T
y＝[i a i b i c]T
A＝diag(-R/L,-R/L,-R/L)
B＝diag(L,L,L)
C＝diag(1,1,1)
f＝[f a f b f c]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，f a、f b、f c为a、b、c相的故障特征信号，i a、i b、i c为a、b、c相的负载电流，u an、u bn、u cn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-i ref
i＝[i a i b i c]T
i ref＝[i aref i bref i cref]T
其中，i为三相负载电流，i ref为负载参考电流，i aref、i bref、i cref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：
5.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工作模式s与对应模式下不能正常输出的SVPWM 电压矢量集合φs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；
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。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求1-6任一项所述的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，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。
ANPC三电平逆变器单开关管开路故障的主动容错控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，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。
背景技术
[0002]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。
[0003]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。
发明内容
[0004]本发明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。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]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：
[0007]1)建立ANPC三电平逆变器状态空间模型：
[0008]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；
[0009]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；[0010]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。
[0011]所述的步骤1)中，ANPC三电平逆变器状态空间模型为：
[0012]
[0013]x＝[i a i b i c]T
[0014]u＝[u an u bn u cn]T
[0015]y＝[i a i b i c]T
[0016]A＝diag(-R/L,-R/L,-R/L)
[0017]B＝diag(L,L,L)
[0018]C＝diag(1,1,1)
[0019]f＝[f a f b f c]T
[0020]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，f a、f b、f c为a、b、c相的故障特征信号，i a、i b、i c为a、b、c相的负载电流，u an、u bn、u cn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。
[0021]所述的步骤2)具体为：
[0022]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。
[0023]所述的步骤3)具体包括以下步骤：
[0024]31)选取滑模控制目标为滑模面s，则有：
[0025]s＝i-i ref
[0026]i＝[i a i b i c]T
[0027]i ref＝[i aref i bref i cref]T
[0028]其中，i为三相负载电流，i ref为负载参考电流，i aref、i bref、i cref分别为a、b、c相的负载参考电流；
[0029]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：
[0030]u＝-εsgn(s)-qs-f
[0031]其中，sgn(·)为符号函数，ε、q为滑模控制参数，且ε＞0、q＞0；
[0032]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：
[0033]
[0034]滑模控制参数ε调整为：
[0035]
[0036]所述的步骤4)具体包括以下步骤：
[0037]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；
[0038]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
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