三电平逆变器的容错控制策略研究

作     者：尹子威 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王坤;陈辉

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：三电平逆变器 开路故障 SVPWM 容错控制 过调制策略 

摘      要：NPC(Neutral Point Clamped)型三电平逆变器逆变效率高、输出谐波含量低,广泛应用于电机传动系统及新能源领域,但恶劣的工况会使开关器件发生故障,从而影响系统可靠性,甚至造成设备损坏并危害人身安全。因此在故障发生时,采用有效可靠的容错控制策略,对维持逆变器的稳定运行具有重要意义。传统NPC型三电平逆变器容错控制策略处理的故障情况有限,且没有考虑容错运行下系统输出性能降低等问题,对此本文展开以下研究:首先,介绍NPC型三电平逆变器的拓扑结构及SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)控制原理,然后分析IGBT(Insulated-gate bipolar transistor)开路后的电压空间矢量变化,根据矢量分布形状不同,将所有开路故障情况分为I型、II型和III型,并搭建含NPC型三电平逆变的永磁同步电机调速模型,得到逆变器正常运行和各故障状态下的电流、转矩及转速数据,为后续研究提供理论基础。针对传统容错方法不能解决的III型故障问题,本文提出了一种基于故障降级重构的四桥臂容错拓扑。首先对逆变器I型故障和II型故障问题进行分析,研究了电压空间矢量冗余和三桥臂拓扑重构的容错控制策略,然后在此基础上,结合两种容错方法的优点,以故障降级为手段,利用第四冗余桥臂和两组双向晶闸管重构逆变器拓扑,最终将III型故障转换为I型或II型故障,再采用I型和II故障下的容错SVPWM算法实现逆变器的容错控制。Matlab/Simulink仿真结果表明,所提方法可以使故障下的三相电流平衡,同时降低电机转矩及转速波动,有效提高了系统输出性能。针对容错控制下逆变器的最大线性调制范围减半,参考矢量无法实际调制输出问题,本文提出了一种基于SVPWM原有小区域的过调制策略。利用NPC型三电平逆变器SVPWM算法的四个小区域,以相位误差最小为原则,给出参考矢量在不同区域的修正方法,简化了计算过程并易于数字化实现。仿真结果表明该方法可以使容错控制下的三相电流波形更平滑,且明显降低了电流总谐波失真,有效减小电机转矩波动,提高了系统输出的稳定性。最后,本文搭建了以TMS320F2812为控制核心的NPC型三电平逆变器容错控制实验平台,对IGBT开路故障的容错控制策略进行实验验证,通过对比三相电流的波形变化可以看出,容错后系统输出性能得到明显改善,实验结果与理论分析一致,验证了本文所研究方法的有效性和可行性。