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三电平逆变器的容错控制策略研究

三电平逆变器的容错控制策略研究

作者：尹子威西安工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：三电平逆变器开路故障 SVPWM 容错控制过调制策略

三电平逆变器改进型同步不连续载波脉宽调制策略研究

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中国电机工程学报 2020年第17期40卷 5620-5635页

作者：高瞻李耀华葛琼璇赵鲁张波中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室(中国科学院电工研究所) 北京市海淀区100190 中国科学院大学北京市石景山区100049

以三电平逆变器为研究对象,提出避免相电压两电平跳变的改进型同步不连续载波脉宽调制策略(improved synchronized discontinuous pulse width modulation,ISDPWM)。针对传统SDPWM存在的相电压两电平跳变缺陷,文中首先分析相电压满足三... 详细信息

以三电平逆变器为研究对象,提出避免相电压两电平跳变的改进型同步不连续载波脉宽调制策略(improved synchronized discontinuous pulse width modulation,ISDPWM)。针对传统SDPWM存在的相电压两电平跳变缺陷,文中首先分析相电压满足三相对称、半波对称、无两电平跳变和三相器件同时动作的ISDPWM开关序列设计原则。在此基础上,设计可解决传统SDPWM缺陷的ISDPWM I/II/III/IV和利用零电平钳位状态的ISDPWM A/B/C/D/E/F/G,并分析各ISDPWM的开关频率。通过对比各ISDPWM开关序列的加权总谐波畸变(weighted total harmonic distortion,WTHD)值,进一步得到WTHD最优的ISDPWM。为更方便的实现各ISDPWM开关序列,研究各ISDPWM对应的调制波与三角载波,并提出基于载波的ISDPWM。最后利用仿真和实验对载波ISDPWM的有效性进行验证,结果表明,其可在保证相电压无两电平跳变的前提下消除偶次谐波和3的倍数次谐波,且其计算简单、实现方便。

关键词：同步不连续调制三电平逆变器载波脉宽调制两电平跳变加权总谐波畸变

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三电平逆变器参数性故障诊断

济南大学学报（自然科学版） 2022年第5期36卷 626-634页

作者：陈正雄帕孜来·马合木提新疆大学电气工程学院新疆乌鲁木齐830049

针对三电平逆变器系统结构复杂、工作模式多变以及存在参数不确定性等特点,提出一种基于解析冗余关系与模糊理论的参数性故障诊断方法;采用键合图理论建立逆变器的键合图模型,根据因果路径法推导出全局解析冗余关系,并获得逆变器参数的... 详细信息

针对三电平逆变器系统结构复杂、工作模式多变以及存在参数不确定性等特点,提出一种基于解析冗余关系与模糊理论的参数性故障诊断方法;采用键合图理论建立逆变器的键合图模型,根据因果路径法推导出全局解析冗余关系,并获得逆变器参数的故障特征矩阵;采用遗传算法优化隶属度函数,通过残差分析获取观察特征,并通过比较观察特征和故障特征进行参数性故障检测和隔离;将所提出的方法应用于T型逆变器,利用20-SIM软件和MATLAB平台进行仿真分析。结果表明,所提出的方法能有效实现绝缘栅双极型晶体管参数性故障检测和隔离。

关键词：解析冗余关系模糊理论三电平逆变器参数性故障诊断键合图

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三电平逆变器容错拓扑的多载波控制策略

上海交通大学学报 2015年第6期49卷 907-912页

作者：陈丹江叶银忠浙江万里学院电子信息学院浙江宁波315100 上海应用技术学院电气与电子工程学院上海201418

多电平逆变器由于具有不少相对于两电平逆变器的优势,在大功率等场合得到了大量应用,但是其复杂的拓扑结构也带来了故障概率比较大的缺点.在针对多电平逆变器的故障诊断和容错研究中,提出了不少新的容错拓扑,针对一种具有不对称桥臂的NP... 详细信息

多电平逆变器由于具有不少相对于两电平逆变器的优势,在大功率等场合得到了大量应用,但是其复杂的拓扑结构也带来了故障概率比较大的缺点.在针对多电平逆变器的故障诊断和容错研究中,提出了不少新的容错拓扑,针对一种具有不对称桥臂的NPC逆变器容错拓扑进行控制技术的研究.该拓扑中同时具有两电平桥臂和三电平桥臂,提出两电平桥臂的三角载波和三电平桥臂的多载波之间的相位将会影响到电路的输出特性.当这两种载波同相位时,输出电压波形的谐波含量比较少,并进行了理论分析和实验验证.

关键词：三电平逆变器容错多载波脉宽调制

一种无权重系数的三电平NPC逆变器低共模电压FCS-MPC算法

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中国电机工程学报 2023年第19期43卷 7614-7625页

作者：张树林康劲松盛业哲同济大学电子与信息工程学院上海市嘉定区201804 同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海市嘉定区201804

针对中点钳位式(neutral point clamped,NPC)三电平逆变器,传统低共模电压有限集模型预测控制(finite control set mode predictive control,FCS-MPC)算法通过评价函数约束进行中点电位平衡控制,需要额外设计权重系数,存在参数整定困难... 详细信息

针对中点钳位式(neutral point clamped,NPC)三电平逆变器,传统低共模电压有限集模型预测控制(finite control set mode predictive control,FCS-MPC)算法通过评价函数约束进行中点电位平衡控制,需要额外设计权重系数,存在参数整定困难、影响输出电流谐波问题。该文提出一种无权重系数三电平NPC逆变器低共模电压FCS-MPC算法。首先,电压矢量控制集中舍弃正小矢量和PPP、NNN两个零矢量,将共模电压幅值抑制在Udc/6以下。其次,对控制集中每一个基本小矢量和中矢量,构造幅值和方向相同、对中点电位影响不同的冗余虚拟电压矢量。在控制执行过程中,第一步选出电流控制目标最优基本矢量,以保证输出电流谐波不受影响。第二步通过比较所选基本矢量及其冗余虚拟矢量作用,选出满足中点电位平衡控制目标矢量作为最优矢量,并将其开关序列作用于逆变器,从而省去权重系数。最后,实验验证所提算法正确性和有效性。

关键词：三电平逆变器共模电压中点电位模型预测控制无权重系数虚拟电压矢量

基于强跟踪扩展卡尔曼观测器的三电平逆变器永磁同步电机无模型预测电流控制

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中国电机工程学报 2023年第22期43卷 8910-8921页

作者：汪凤翔柯哲涵柯栋梁胡存刚中国科学院福建物质结构研究所福建省福州市350002 中国科学院大学北京市怀柔区101408 安徽大学电气工程与自动化学院安徽省合肥市230601

为增强三电平逆变器馈电永磁同步电机驱动系统在模型失配和工况变化下的稳定性和鲁棒性,该文提出一种基于强跟踪扩展卡尔曼观测器的无模型预测电流控制(strong tracking extended Kalman observer based model-free predictive current ... 详细信息

为增强三电平逆变器馈电永磁同步电机驱动系统在模型失配和工况变化下的稳定性和鲁棒性,该文提出一种基于强跟踪扩展卡尔曼观测器的无模型预测电流控制(strong tracking extended Kalman observer based model-free predictive current control,STEKO-MFPCC)策略。首先,分析电机在模型失配工况下的集总扰动,建立系统超局部模型;其次,设计EKO估计超局部模型中非线性部分,同时引入强跟踪滤波策略,快速调整误差协方差矩阵,优化增益矩阵,提升传统扩展卡尔曼算法的动态性能;最后,构建含有中点电位和电流的预测方程,输出令代价函数最小的电压矢量。实验结果表明,相较传统MFPCC,所提方法有效抑制中点电位波动,提升电机转速响应速度,改善输出电流质量,在参数扰动工况下增强系统鲁棒性和抗扰动能力。

关键词：三电平逆变器永磁同步电机无模型预测电流控制强跟踪扩展卡尔曼观测器

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三电平逆变器容错控制策略研究

三电平逆变器容错控制策略研究

作者：秦云杰大连交通大学

学位级别：硕士

三电平逆变器是新能源发电领域以及其他工业生产领域的重要设备。实际工业生产使用的三电平逆变器所处的地理环境比较恶劣,并要较长时间的承受高电应力和高热应力,极易发生故障,影响工业生产。因此研究针对逆变器的故障诊断技术与容错... 详细信息

三电平逆变器是新能源发电领域以及其他工业生产领域的重要设备。实际工业生产使用的三电平逆变器所处的地理环境比较恶劣,并要较长时间的承受高电应力和高热应力,极易发生故障,影响工业生产。因此研究针对逆变器的故障诊断技术与容错控制策略具有重要意义。本文主要以中点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器为研究对象,研究内容如下:首先,分析了NPC三电平逆变器的拓扑结构、工作原理,以及其空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)策略,研究了功率开关管开路故障机理并对其进行归类,使用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型,并采集其输出侧三相电流信号。对三相输出电流信号进行3/2变换转化为二维信号I_α和I_β,然后分别对I_α和I_β信号采用小波包分解算法分解,对其各频带能量值归一化处理后作为故障特征向量。其次,设计了适合NPC三电平逆变器开路故障诊断的BP神经网络模型,利用故障特征向量训练神经网络。由于BP神经网络存在收敛速度慢和易陷入局部极小值等缺点,本文提出用改进的灰狼优化算法(Improved Grey Wolf Optimizer,IMGWO)确定其初始权值和阈值,由于传统灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)的全局和局部搜索能力不协调,因此采用将收敛因子余弦化和引入可变比例权重的方式对其进行优化。然后采用自适应矩估计算法(Adaptive Moment Estimation Algorithm,ADAM)来优化BP神经网络的学习率,可以避免BP神经网络陷入局部极小值。最后,研究了逆变器在发生开路故障后的容错控制策略,提出了一种三相四桥臂容错控制策略,通过在逆变器中并联一条两电平桥臂,器件发生开路故障时,通过双向晶闸管将故障相桥臂隔离,同时将故障相的负载连接到两电平桥臂的中点,可以使NPC三电平逆变器在发生开路故障时仍然能够全额运行。为了能够有效抑制电容中点电压的波动,提出利用“矢量替换SVPWM算法”重新调整SVPWM算法的开关次序及其作用时间。仿真结果表明,所提出的容错控制策略在逆变器发生故障后仍可以保持中点电压平衡,而且输出侧电压幅值不会受到影响,可靠性高。

关键词：三电平逆变器故障诊断改进的灰狼算法 BP神经网络自适应矩估计算法容错控制

适用于中点箝位型三电平逆变器的多目标调制策略

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电力自动化设备 2024年第1期44卷 160-166,224页

作者：姜卫东董浩王金平吉耀聪合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽合肥230009

为同时实现中点箝位型三电平逆变器的中点电压平衡和共模电压降低,分别分析了基于载波脉宽调制(CBPWM)和基于虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)的中点电压平衡和共模电压降低方法。基于CBPWM提出一种可以降低共模电压的载波脉宽调制(RCMV_CB... 详细信息

为同时实现中点箝位型三电平逆变器的中点电压平衡和共模电压降低,分别分析了基于载波脉宽调制(CBPWM)和基于虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)的中点电压平衡和共模电压降低方法。基于CBPWM提出一种可以降低共模电压的载波脉宽调制(RCMV_CBPWM)策略,可将大多数工作区域的共模电压限制在直流侧电压的1/6以内。为了实现上述2个目标,同时不过分增加开关损耗,在RCMV_CBPWM基础上提出了一种多目标调制(MOPWM)策略,在全调制度和全负载功率因数范围内,共模电压可限制在直流侧电压的1/6以内并实现中点电压平衡,且其开关损耗低于VSVPWM。比较了MOPWM、RCMV_CBPWM和VSVPWM在中点电压控制、共模电压降低和开关损耗降低方面的性能。实验结果验证了MOPWM的可行性和优越性。

关键词：三电平逆变器调制策略中点电压平衡共模电压开关损耗

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三电平逆变器多故障模式识别方法

系统仿真学报 2017年第7期29卷 1447-1456,1463页

作者：沈艳霞吴娟赵芝璞纪志成江南大学物联网工程学院电气自动化研究所江苏无锡214122

以二极管中点钳位型三电平逆变器为例,分析了三电平逆变器单管开路和多管同时开路故障状态下的相电流和桥臂电压信号,提出了基于相空间重构和小波包分析的三电平逆变器故障识别方法。利用相空间重构技术,对相电流进行重构,得到表征系统... 详细信息

以二极管中点钳位型三电平逆变器为例,分析了三电平逆变器单管开路和多管同时开路故障状态下的相电流和桥臂电压信号,提出了基于相空间重构和小波包分析的三电平逆变器故障识别方法。利用相空间重构技术,对相电流进行重构,得到表征系统故障特征的不同形状、大小和方向的电流轨迹图形,借助图像处理技术识别出相电流不同的各类故障;对相电流相同的不同故障模式辅以小波包分析,提取出桥臂电压的特征频谱,识别出三电平逆变器的所有典型故障。仿真与实验结果表明该方法可以精确提取出各故障状态的特征向量,实现多种故障模式的识别。

关键词：三电平逆变器故障识别相电流桥臂电压相空间重构小波包分析