阅读说明：本技术 一种t型三电平逆变器开路故障的容错控制方法和系统 (A kind of fault tolerant control method and system of T-type three-level inverter open-circuit fault ) 是由 王荣坤 梁毅庆 于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种T型三电平逆变器开路故障诊断及容错运行方法和系统,包括首先采用7段式SVPWM调制方式控制T型三电平逆变器运行,同时采样逆变器桥臂输出与直流侧中点电压,得到其低频电压信号并进行坐标变换,得到逆变器等效输出电压矢量轨迹,通过计算不同故障情况以及运行状态下的电压矢量轨迹,建立故障特征值真值表,并根据当前系统的特征值以及故障特征值真值表,判断系统当前的故障类型,最后切换对应控制方案,利用冗余矢量等效替换方法,实现T型三电平逆变器容错运行。(The invention discloses a kind of diagnosis of T-type three-level inverter open-circuit fault and fault-tolerant operation method and systems, including using the control T-type three-level inverter operation of 7 segmentation SVPWM modulation systems first, inverter leg output and DC side mid-point voltage are sampled simultaneously, it obtains its low-frequency voltage signal and is coordinately transformed, obtain the equivalent output voltage vector track of inverter, by calculating the voltage vector track under different faults situation and operating status, establish fault eigenvalue truth table, and according to the characteristic value of current system and fault eigenvalue truth table, the current fault type of judgement system, finally switch corresponding control program, utilize redundant vectors equivalence replacement method, realize T-type three-level inverter fault-tolerant operation.)

一种T型三电平逆变器开路故障的容错控制方法和系统

技术领域

本发明涉及T型三电平逆变器的容错控制领域，特别是指一种T型三电平逆变器开路故障的容错控制方法和系统。

背景技术

T型三电平逆变器具备某些故障情况下的容错运行能力,在电力系统、航空航天、冶金矿业、轨道交通等领域有着十分广泛的应用。这些场合对电源的供电连续性要求高，长时间的断电可能造成重大经济损失或事故，这对T型三电平逆变器长时间稳定工作提出了更高要求。逆变器在部分故障情况下的容错运行能够大程度地提高系统的供电连续性。逆变器实现容错运行的前提为系统诊断出故障并快速实现控制方案的切换。目前，T型三电平逆变器的故障诊断研究的最大问题就是如何快速、精确地诊断出各种类型的故障，同时减少负载变化引起的误诊断。

工业应用的交流调速系统中，大部分故障来自于功率器件的损坏。器件故障包括短路故障和开路故障，短路故障存在时间短，可以将快速熔丝植入电路中，将短路故障转化为开路故障。T型三电平逆变器发生单个开关管开路故障时，会出现输出电流、电压波形的畸变，直流侧中点电位偏移，功率器件发热等异常情况。目前，IGBT开路故障诊断方法上所展开的研究，主要有专家系统法、电流检测法和电压检测法三种。其中电流法是最为常用的一种方法。传统的诊断方法将逆变器开路故障时的输出电压电流波形畸变作为判断故障位置的依据，这些方法会在负载投切或者发生突变的时候产生较大的误诊断，且对负载平衡度、功率因数要求较为苛刻。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种T型三电平逆变器开路故障诊断与容错控制方法和系统,其能够解决现有技术中，容错控制系统诊断方法无法适用于各种负载大小、负载功率因数以及负载不平衡度的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种T型三电平逆变器开路故障的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：系统采用7段式SVPWM调制方式控制T型三电平逆变器运行；

步骤2：采样T型三电平逆变器的桥臂输出与直流侧中点电压，得到其低频电压信号；

步骤3：将低频电压信号进行坐标变换得到逆变器等效输出电压矢量轨迹；

步骤4：计算不同故障情况以及运行状态下的电压矢量轨迹，建立故障特征值真值表；

步骤5：根据当前系统的特征值以及故障特征值真值表，判断系统当前的故障类型；

步骤6：根据故障类型，切换对应控制方案，实现T型三电平逆变器容错运行。

优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：根据三相T型三电平逆变器拓扑电路得到其相电压输出方程：

式中X∈{A，B，C}，S_A1＝1表示A相1号管导通，S_A1＝0表示A相1号管关断，u_dc代表T型三电平逆变器直流侧母线电压；

步骤1.2：计算T型三电平逆变器输出的三相电压矢量空间分布方程：

式中，S_A,S_B,S_C∈{1,0,-1}，S_A取1代表A相输出高电平u_dc/2，0代表输出中间电平，-1代表输出低电平-u_dc/2；

步骤1.3：根据三相电压矢量空间分布方程绘制三电平逆变器的输出电压矢量分布图；

步骤1.4：计算当前参考电压矢量V_ref处于电压矢量分布图的区间；

步骤1.5：进行SVPWM调制，根据V_ref所处扇区计算开关周期内的矢量顺序以及作用时间。

优选的，所述步骤1.5中，根据V_ref所处扇区计算开关周期内的矢量顺序以及作用时间包括：开关周期内每个矢量切换时保证仅一相桥臂进行状态切换，且每相在一个周期内仅切换两次；以负极性短矢量作为一个开关周期内的第一个矢量和最后一个矢量，保证小扇区切换的时候至多有一个桥臂需要切换状态；每个大扇区内的正负短矢量对于中点电位的偏移作用要相互抵消。

优选的，所述步骤2中，所述T型三电平逆变器的桥臂输出与直流侧中点电压经过低通滤波器得到所述低频电压信号。

优选的，所述步骤3中，所述坐标变换为Clark变换，其公式为：

u_α、u_β分别为电压矢量在α轴方向和β轴方向的分量，u_AO、u_BO、u_CO为T型三电平逆变器三相桥臂输出端A、B、C三点与直流侧中点O之间的电压。

优选的，所述步骤4，具体包括：

步骤4.1：计算各种开路故障情况下的电流路径，分析各开路故障下相电压的变化规律；

步骤4.2：根据相电压的变化规律修改逆变器输出电压矢量分布图；

步骤4.3：根据每个小扇区内矢量作用的顺序和时间，计算当前故障类型下每个开关周期内的等效电压矢量，绘制出对应的畸变轨迹；

故障情况下的等效矢量计算方程为：

式中V_cal为畸变电压矢量，V_ref为参考电压矢量，V_k为周期内第k个故障开关状态的偏移矢量,η_k为周期内第k个故障开关状态的作用时间占比，k取值1至7；

S44：绘制在各调制度情况下，各种故障情况对应的畸变轨迹，提取出各轨迹的特征值，包括畸变的程度以及畸变的方向，得到故障特征值真值表。

优选的，所述步骤5具体包括：计算系统当前的特征值A和θ，A和θ分别为平均电压矢量的模和相角；

A的计算公式为：

θ的计算公式为：

n为T型三电平逆变器系统于一个工频周期内的采样次数。

优选的，所述步骤6具体包括：

步骤6.1：根据故障类型计算当前故障下T型三电平逆变器剩余的有效电压矢量；

步骤6.2：根据所得剩余的有效电压矢量，判断T型三电平逆变器是否具有容错运行的能力；

步骤6.3：计算开关周期内开关状态的失效情况，绘制当前逆变器有效输出电压矢量范围图；若有效输出电压矢量范围减小，且调制度>0.5,则将调制度强制调整至有效输出电压矢量范围内，进行降额容错运行；若有效输出电压矢量范围不变，则能够进行全额容错运行；

步骤6.4：用等效矢量替换的方法调整开关周期内的矢量顺序以及切换时间。

一种T型三电平逆变器开路故障的容错控制系统，其特征在于：用于实现任一项上述的一种T型三电平逆变器开路故障的容错控制方法，包括直流源、T型三电平逆变器、负载、控制器和故障特征提取模块；该直流源与T型三电平逆变器相连以供电，负载与T型三电平逆变器相连；该故障特征提取模块与T型三电平逆变器相连以实现故障信号的读取；该控制器与故障特征提取模块和T型三电平逆变器相连以实现故障诊断并根据故障类型对T型三电平逆变器的进行容错控制。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的方法，采用基于等效电压矢量轨迹预测的开路故障诊断策略，能够适应负载大小、功率因数以及不平衡度的变化。本发明的系统根据调制度大小动态调整阈值，较好地实现了T型三电平逆变器开路点的精准定位，并通过矢量等效替换实现系统的容错运行。

附图说明

图1为本发明中基于等效电压矢量特征的T型三电平逆变器开路故障诊断与容错控制系统示意图；

图2为本发明中T型三电平逆变器输出电压矢量分布图；

图3为本发明中SVPWM调制过程中的大扇区判断示意图；

图4为本发明中SVPWM调制过程中的小扇区判断示意图；

图5为本发明中逆变器于一个开关周期内的三相开关状态变化图；

图6为本发明T型三电平逆变器与故障特征提取模块连接示意图；

图7为本发明故障特征提取模块电路图；

图8为本发明中正常运行状态下逆变器的电流路径情况；

图9为本发明中开路故障情况下逆变器的电流路径情况；

图10为本发明中开路故障情况下输出电压矢量畸变图；

图11为本发明中开路故障情况下等效输出电压矢量轨迹图；

图12为本发明中开路故障下逆变器需要进行降额容错运行的有效电压矢量分布图；

图13为本发明中开路故障下逆变器能够进行全额容错运行的有效电压矢量分布图；

图14为本发明中容错控制在一个开关周期内对开关状态的调整过程图；

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，本发明提供了一种T型三电平逆变器开路故障诊断与容错控制系统，其包括直流源、T型三电平逆变器电路、负载、控制器和故障特征提取模块，直流源，T型三电平逆变器电路，负载为系统的主要工作部分。控制器与T型三电平逆变器电路相连实现控制，故障特征提取模块与T型三电平逆变器电路相连实现故障信号的读取。控制器与故障特征提取模块相连实现故障信号的处理，即实现故障诊断，最后实现控制器对T型三电平逆变器电路的容错控制。

本发明系统采用一种T型三电平逆变器开路故障的容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1：系统采用7段式SVPWM调制方式控制T型三电平逆变器运行，具体包括以下步骤：

步骤1.1：根据三相T型三电平逆变器拓扑电路得到其相电压输出方程：

式中X∈{A，B，C}，S_A1＝1表示A相1号管导通，S_A1＝0表示A相1号管关断，u_dc代表T型三电平逆变器直流侧母线电压。

步骤1.2：计算T型三电平逆变器输出的三相电压矢量空间分布方程：

式中，S_A,S_B,S_C∈{1,0,-1}，S_A取1代表A相输出高电平u_dc/2，0代表输出中间电平，-1代表输出低电平-u_dc/2。

步骤1.3：根据三相电压矢量空间分布方程绘制三电平逆变器的输出电压矢量分布图。

如图2所示，电压矢量分布范围为一个正六边形，其中包括六个短矢量，各对应2种开关状态，六个中矢量，各对应1种开关状态，六个长矢量，各对应1种开关状态，一个零矢量，对应3种开关状态。

图2中P，O，N分别代表桥臂输出高电平u_dc/2，零点平0，低电平-u_dc/2，

将短矢量分为正极性短矢量和负极性短矢量，前者的作用下，直流侧中点电位上升，后者的作用下，直流侧中点电位下降。

步骤1.4：计算当前参考电压矢量V_ref处于电压矢量分布图的区间。

如图3所示，按照逆时针方向每隔60°划分为一个大扇区，依次定为第I扇区至第VI扇区；如图4所示，将扇区I划分为1至6共六个小扇区，其他扇区同理划分；计算参考电压矢量V_ref的相角并判断其大扇区以及小扇区。

步骤1.5：进行SVPWM调制，根据V_ref所处扇区计算开关周期内的矢量顺序以及作用时间。

步骤1.5中，根据V_ref所处扇区计算开关周期内的矢量顺序以及作用时间包括：开关周期内每个矢量切换时保证仅一相桥臂进行状态切换，且每相在一个周期内仅切换两次；以负极性短矢量作为一个开关周期内的第一个矢量和最后一个矢量，保证小扇区切换的时候至多有一个桥臂需要切换状态；每个大扇区内的正负短矢量对于中点电位的偏移作用要相互抵消。

根据矢量安排规则安排各个扇区的矢量状态顺序如表：

如图5所示，根据所述矢量计算方法，得到三相开关状态在其中一个周期内的波形图。

步骤2：采样T型三电平逆变器的桥臂输出与直流侧中点电压，得到其低频电压信号。如图6所示，为故障特征提取模块与T型三电平逆变器系统的连接图，其中T型三电平逆变器由12个IGBT、两个直流侧电容C1、C2构成，故障特征提取模块包括采样电路和调理电路，采样并处理T型三电平逆变器三相桥臂输出端A、B、C三点与直流侧中点O之间的电压u_AO、u_BO、u_CO。三相的电路完全一致，以A相电路为例进行说明，如图7所示的故障特征提取模块电路图，其能够将A、B、C三点与直流侧中点O之间的离散电压信号进行采样，从中提取出可用于故障诊断的有效信号。通过采样电路所采样的电压信号u_AO、u_BO、u_CO经过调理电路处理得到低频电压信号u_AO1、u_BO1、u_CO1。

具体的，图7中的采样电路以电压传感器LV25-P为核心，用于采集T型三电平逆变器电压信号u_AO并将其等比例缩小至-3V至3V。其中，R11与R21为限流电阻其一端与电压传感器一输入端相连，另一端连接T型三电平逆变器。电压传感器LV25-P、采样电阻R31，滤波电容C11，电阻R11与电阻R21五者组成采样电路。

调理电路以运算放大器TL082为核心，用于对采样电路得到的信号进行进一步处理以得到能够让控制器进行读取的电压信号。电路具体包含两个部分，电阻R41、R51、R61、电容C21、运算放大器U11A组成的电路实现了信号的偏置，即将-3V至3V的前级信号处理成0至3V的信号；电阻R71、电容C31、二极管D11、D21、运算放大器U11B组成的电路实现了信号的低通滤波，去除了信号中频率较高的分量，最终得到低频信号u_AO1。

步骤3：将低频电压信号进行坐标变换得到逆变器等效输出电压矢量轨迹。即将低频电压信号u_AO1、u_BO1、u_CO1进行Clark变换得到电压矢量u_inv，并在α-β坐标系中得到对应的电压矢量轨迹，Clark坐标变换公式为：

式中系数2/3对应等幅值变化坐标变换，u_α、u_β分别为u_inv在α轴方向和β轴方向的分量。

步骤4：计算不同故障情况以及运行状态下的电压矢量轨迹，建立故障特征值真值表。具体包括如下步骤：

步骤4.1：计算各种开路故障情况下的电流路径，分析各开路故障下相电压的变化规律。图8所示为其中一相桥臂正常工作状态下的电流路径，图9所示为计算各种开路故障情况下的电流路径，分析各故障下相电压的变化规律。

步骤4.2：根据相电压的变化修改逆变器输出电压矢量分布图，如图10所示为S_A1开路故障情况下的电压矢量畸变情况，其中带有方框标记的开关状态为畸变开关状态。

步骤4.3：根据每个小扇区内矢量作用的顺序和时间，计算当前故障类型下每个开关周期内的等效电压矢量，绘制出对应的畸变轨迹，

故障情况下的等效矢量计算方程为：

式中V_cal为畸变电压矢量，V_ref为参考电压矢量，V_k为周期内第k个故障开关状态的偏移矢量,η_k为周期内第k个故障开关状态的作用时间占比。T型三电平逆变器采用七段式SVPWM调制，k取值1至7。

步骤4.4：绘制在各调制度m情况下，各种故障情况对应的畸变轨迹，提取出各轨迹的特征值，包括畸变的程度以及畸变的方向，得到故障特征值真值表。调制度m为T型三电平逆变器输出过程中决定输出电压大小的量。

如图11所示，为m＝0.8，S_A1开路故障时的等效电压等效矢量轨迹，其畸变轨迹方程如下表：

步骤5：根据当前系统的特征值以及故障特征值真值表，判断系统当前的故障类型。计算每个工频周期内n个采样值u_α、u_β的平均值Σu_α/n、Σu_β/n，计算平均电压矢量的模A和相角θ，A与θ作为故障诊断的两个特征值。

特征值A的计算公式为：

特征值θ的计算公式为：

步骤6：根据故障类型，切换对应控制方案，实现T型三电平逆变器容错运行。包括以下步骤：

步骤6.1：根据故障诊断结果计算当前故障下T型三电平逆变器剩余的有效电压矢量。

开路故障发生时，部分开关状态失效，其中短矢量和零矢量分别对应两种和三种开关状态，中矢量和长矢量仅对应一种开关状态，各矢量若无有效开关状态时，矢量失效。

步骤6.2：根据所得故障下剩余有效电压矢量，判断T型三电平逆变器是否具有容错运行的能力。

系统拥有容错运行能力的基本条件有以下两条：

1、剩余的有效电压矢量区域包含零矢量，且零矢量位于有效区域内部；

2、剩余的有效短矢量能够实现对直流侧中点电位的平衡。

步骤6.3：计算开关周期内开关状态的失效情况，绘制当前逆变器有效输出电压矢量范围图。

如图12所示，若有效输出电压矢量范围减小，且调制度m>0.5,则将m强制调整至有效输出电压矢量范围内，进行降额容错运行。

如图13所示，若有效输出电压矢量范围不变，则能够进行全额容错运行。

步骤6.4：如图14所示，用等效矢量替换的方法调整开关周期内的矢量顺序以及切换时间。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。