NPC型三电平逆变器的故障诊断与容错控制研究

摘要

近年来，多电平逆变器在航空、煤矿、电力等大功率领域得到日益广泛的应用，其中三电平逆变器以其损耗小、谐波含量低等优点受到国内外学者的青睐。然而，逆变器中的功率器件是最易发生故障的薄弱环节，一旦功率器件发生故障，轻则带来经济损失重则威胁系统安全。本文以中点箝位型(Neutral Point Clamped，NPC)三电平逆变器为对象，研究其功率器件的故障诊断与容错控制，从而实现功率器件故障后系统可以持续工作，提高系统的可靠性。研究内容如下:
　　首先具体研究NPC型三电平逆变器的故障诊断，基于三电平逆变器的工作原理，通过分析三电平逆变器故障前后的电流流通路径，提取出每一时刻箝位二极管电流、桥臂开关状态和负载电流作为故障特征，得到基于电流流通路径的三电平逆变器故障诊断逻辑，准确定位故障功率器件，且诊断出故障器件的故障类型。通过仿真对所提故障诊断方法的有效性进行验证。
　　然后对NPC型三电平逆变器的功率器件故障分类，以便进行容错控制研究。分析不同位置的功率器件发生短路或者开路故障后电压空间矢量的不同特点，将三电平逆变器功率器件故障分为三种类型:Ⅰ型，即外管短路故障;Ⅱ型，即内管短路故障和外管开路故障;Ⅲ型，即内部开关器件开路故障。针对Ⅰ型和Ⅱ型故障，提出基于电压空间矢量冗余的容错控制方法，即修正的SVPWM调制算法，并对其容错性能进行评价。通过仿真对所提基于电压空间矢量冗余的容错控制方法的有效性进行验证。
　　最后重点研究NPC型三电平逆变器的Ⅲ型故障，提出基于拓扑重构的容错控制方法。首先以两电平逆变器三相四开关容错拓扑为例，介绍拓扑重构型容错控制的基本原理;进而得到三电平逆变器容错拓扑;再给出其拓扑重构过程，分析新拓扑的空间矢量，并与三电平逆变器正常工作模式、Ⅱ型故障和三相四开关拓扑结构的空间矢量进行对比，得到其空间矢量合成方法;最后针对某些区间矢量的特殊性，给出具体SVPWM调制策略。通过Matlab仿真平台验证了拓扑重构型容错控制方法的有效性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 逆变器故障诊断技术研究现状

1．3 逆变器容错控制研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 基于桥臂开关状态与电流逻辑关系的故障诊断方法

2．1 NPC型三电平逆变器拓扑及其工作原理

2．2．1 故障类型

2．2．2 故障特征

2．2 NPC型三电平逆变器的故障诊断策略

2．3 仿真验证

2．4 本章小结

第三章 基于SVPWM调制的矢量冗余容错控制方法

3．1 NPC型三电平逆变器故障前后电压空间矢量分析

3．1．1 正常工作时空间矢量分析

3．1．2 故障后电压空间矢量分析

3．2 基于SVPWM调制的矢量冗余容错控制方法

3．2．1 Ⅰ型故障容错研究

3．2．2 Ⅱ型故障容错研究

3．3 仿真验证

3．4 本章小结

第四章 NPC型三电平拓扑重构型容错控制方法

4．1 拓扑重构容错控制原理

4．1．1 两电平逆变器容错拓扑及其电压空间矢量

4．1．2 两电平拓扑重构后的SVPWM调制算法

4．2 NPC型三电平逆变器拓扑重构容错控制策略

4．2．1 NPC型三电平容错拓扑结构及其电压空间矢量

4．2．2 NPC型三电平拓扑重构后的SVPWM控制策略

4．3 仿真验证

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况