基于自适应svpwm的逆变器开关管故障容错控制方法
阅读说明：本技术 基于自适应svpwm的逆变器开关管故障容错控制方法 (Fault-tolerant control method for inverter switching tube based on self-adaptive SVPWM ) 是由 朱琴跃 魏伟 谭喜堂 李爱华 李姚霖 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于自适应SVPWM的逆变器开关管故障容错控制方法,包括以下步骤：1)基于NPC五电平逆变器所对应的空间电压矢量平面,获取每一个节点所分布的空间电压矢量的数量n；2)根据故障信息获取NPC五电平逆变器在开关管故障后仍然能够继续输出的空间电压矢量集S-(n)；3)根据空间电压矢量的数量n以及空间电压矢量集S-(n)计算在发生故障后的最大线性调制系数m；4)根据最大线性调制系数m实时调整目标参考电流的幅值,以故障下的实际电流输出与参考电流之差作为目标控制函数,自适应地选择满足目标控制函数最小的电压矢量序列S-(opt)进而生成下一时刻的PWM控制信号。与现有技术相比,本发明具有适用性强、实用安全、实现难度低等优点。(The invention relates to a fault-tolerant control method for a switching tube fault of an inverter based on self-adaptive SVPWM (space vector pulse width modulation), which comprises the following steps of: 1) acquiring the number n of space voltage vectors distributed by each node based on a space voltage vector plane corresponding to the NPC five-level inverter; 2) space voltage vector set S which is obtained according to fault information and can still be continuously output by NPC five-level inverter after switching tube fault n (ii) a 3) According to the number n of space voltage vectors and the space voltage vector set S n Calculating the maximum linear modulation coefficient m after the fault occurs; 4) adjusting the amplitude of the target reference current in real time according to the maximum linear modulation coefficient m, and taking the difference between the actual current output under the fault and the reference current as the differenceA target control function, adaptively selecting a voltage vector sequence S which satisfies the minimum of the target control function opt And further generates a PWM control signal at the next time. Compared with the prior art, the invention has the advantages of strong applicability, practicability, safety, low realization difficulty and the like.)
技术领域
本发明涉及多电平逆变器控制领域，尤其是涉及一种基于自适应SVPWM的NPC五电平逆变器开关管故障容错控制方法。
背景技术
多电平逆变器由于具有降低功率器件耐压值、减小输出谐波畸变率、改善输出波形质量等优点，在中高压大功率场合得到了广泛的应用，因此，对其安全性和可靠性的要求也越来越高。如何使多电平逆变器在发生故障后采取有效的容错控制方法引起广大专家和学者的广泛关注。目前，主要容错控制方法可分为基于硬件拓扑重构的容错控制和基于冗余空间矢量的软件容错控制两大类。
对于硬件容错控制而言，自上世纪九十年代以来，人们已经提出了各种各样的逆变器容错拓扑，这些拓扑可大致分为开关冗余型容错拓扑、相冗余型容错拓扑及有源中点钳位型容错拓扑。该类方法可容错多种故障类型，但由于其需要增加额外的器件或桥臂，对于多电平逆变器而言会大大增加硬件成本和控制的复杂程度。
对于软件容错控制而言，其基本思想是当功率器件发生故障时，利用冗余的空间电压矢量替换不能输出的空间电压矢量，从而进行容错控制。该类方法不增大系统体积，不提高系统成本，但针对不同的故障类型需要制定不同的调制策略，且需要根据故障类型和容错方案离线调整矢量作用序列，计算量较为繁琐，导致系统对容错控制的响应时间存在较大的延迟，其控制效果和系统在故障情况下的输出性能也尚未到达期望要求，还需开展进一步的研究。
发明内容
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基于自适应SVPWM的逆变器开关管故障容错控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于自适应SVPWM的逆变器开关管故障容错控制方法，包括以下步骤：
1)基于NPC五电平逆变器所对应的空间电压矢量平面，获取每一个节点所分布的空间电压矢量的数量n；
2)根据故障信息获取NPC五电平逆变器在开关管故障后仍然能够继续输出的空间电压矢量集Sn；
3)根据空间电压矢量的数量n以及空间电压矢量集Sn计算在发生故障后的最大线性调制系数m；
4)根据最大线性调制系数m实时调整目标参考电流的幅值，以故障下的实际电流输出与参考电流之差作为目标控制函数，在空间电压矢量集Sn中，自适应地选择满足目标控制函数最小的电压矢量序列Sopt进而生成下一时刻的PWM控制信号，控制NPC五电平逆变器输出，完成整个容错过程。
所述的步骤1)具体包括以下步骤：
101)对于每一个节点上a相分量最小的空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)，将其转化为两相静止坐标系下连续电压变量的α、β分量，则有：
其中，Udc为NPC五电平逆变器的直流侧电压，Uα、Uβ分别为连续电压变量的α、β分量；
102)将Uα、Uβ转化为幅角形式，得到空间电压矢量幅值U以及与α轴的夹角δ，则有：
103)根据空间电压矢量幅值U计算该节点所分布的空间电压矢量的个数n，则有：
其中，ceil()为向上取整函数.
对于空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)，在确定该节点所分布的空间电压矢量的个数n后，即可得到空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)的冗余空间电压矢量为：
(Sa+1，Sb+1，Sc+1)，(Sa+2，Sb+2，Sc+2)，…，(Sa+n-1，Sb+n-1，Sc+n-1)。
所述的步骤2)具体包括以下步骤：
201)生成正常运行情况下NPC五电平拓扑的53个空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)所构成的矢量集S；
202)根据输入的故障信息矩阵F，结合不同开关管发生不同种类故障时电平的损失情况，得到在发生设定的故障类型下，受故障管影响而不能正常输出的故障矢量集Sf；
203)在矢量集S中剔除故障矢量集Sf，得到受故障管影响仍然能继续输出的矢量集Sn。
所述的故障信息矩阵F为i行j列的矩阵，其中，i＝1，2，3，j＝1，…，8，矩阵中各元素表示各开关管的状态，0表示正常运行，1表示发生开路故障，2表示发生短路故障。
所述的步骤3)具体包括以下步骤：
301)当参考电压矢量位于空间矢量平面内的第x扇区时，系统在第x扇区内能输出的最大矢量为(Sa0，Sb0，Sc0)∈Sn，计算最大线性调制系数m，并在五电平空间电压矢量平面上，分别绘制出最大线性调制系数m由大到小的变化过程中所对应的对称六边形区域；
302)以第x扇区内仅小于可输出最大矢量的空间电压矢量为起点，在矢量集Sn中查找构成该六边形顶点的剩余5个矢量，当由不同的矢量构成的两个六边形拥有相同大小的最大线性调制系数时，这些矢量具有相同的查找优先级，若矢量集Sn中的矢量因故障不能输出时，则对冗余矢量进行查找，若存在冗余矢量仍可输出，则根据第x扇区内最大空间电压矢量中a相分量最小的空间电压矢量坐标实时计算发生各种故障后系统的最大线性调制系数m。
所述的步骤301)中，最大线性调制系数m的计算式为：
其中，N表示系统在正常运行时每一相能够输出的电平数，对于NPC五电平拓扑，N取值为5。
所述的步骤4)具体包括以下步骤：
401)在k时刻采样得到NPC五电平逆变器的三相输出电流ia(k)，ib(k)及ic(k)；
402)对三相输出电流进行Clark变换，得到两相静止坐标系下的被控变量，则有：
其中，iα(k)、iβ(k)分别为两相静止坐标系下α轴和β轴的电流分量；
403)根据NPC五电平逆变器的预测模型获取k+1时刻被控变量的预测值；
404)由二阶拉格朗日外推法计算得到k+1时刻的参考电流值，则有：
其中，分别为k+1、k、k-1、k-2时刻α轴和β轴的参考电流值；
405)通过最大线性调制系数m实时调整目标参考电流的幅值，则有：
其中，分别为调整后的目标参考电流的幅值；
406)将矢量集Sn中的所有电压矢量状态依次代入价值函数中进行计算，选取使得价值函数最小的空间矢量Sopt在下一时刻作用于NPC五电平逆变器，选取平方误差作为电流跟踪模型价值函数，则有：
其中，g表示平方误差。
所述的步骤403)中，五电平逆变器预测控制模型的建立过程具体包括以下步骤：
4031)假定NPC五电平逆变器的三相输出负载为对称阻感性负载，由基尔霍夫电压、电流定律得到三相电压和电流之间的关系，则有：
其中，ua(k)、ub(k)、uc(k)分别为三相输出电压，L为负载电感，R为负载电阻；
4032)进行Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的输出模型，则有：
其中，uα(k)、uβ(k)分别为两相静止坐标系下α轴和β轴的输出电压；
4033)采样前向差分法来对连续输出模型进行离散化处理、变换并整理得到的两相静止坐标系下的NPC五电平逆变器离散预测模型，则有：
其中，Ts为采样周期，R为负载电阻，L为负载电感。
该方法通过逆变器开关管故障容错控制系统实现，所述的逆变器开关管故障容错控制系统包括：
空间电压矢量冗余度计算模块：用以基于NPC五电平逆变器所对应的空间电压矢量平面，计算每一个节点所分布的空间电压矢量的数量n；
电压矢量集计算模块：用以根据故障信息计算得到故障后仍然能够继续输出的空间电压矢量集Sn；
最大线性调制系数计算模块：结合空间电压矢量冗余度计算模块和电压矢量集计算模块的输出结果，计算系统在发生故障后的最大线性调制系数m；
电流跟踪控制模块：通过最大线性调制系数计算模块的输出结果实时调整目标参考电流的幅值，以故障下的实际电流输出与参考电流之差作为目标控制函数，在由电压矢量集计算模块得到的矢量集Sn中，自适应地选择满足目标控制函数最小的电压矢量序列Sopt生成下一时刻的PWM控制信号，控制NPC五电平逆变器输出，完成整个容错过程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明对控制对象要求较为简单，所提供的设计方法仅要求知道被控对象即五电平逆变器的相应参数、开关管故障信息、采样电流/电压、空间电压矢量参数等信息，这从很大程度上放宽了对于对象的要求，增强了本发明方法的适用性。
二、本发明在设计控制方法过程中充分考虑到实际应用中NPC五电平逆变器的约束条件，不仅能够有效抑制输出电流谐波，还能在逆变器发生开路、短路故障时进行有效容错控制，提高了逆变器运行时的动态与稳态性能，增强了实用性和安全性。
三、本发明在面对逆变器不同位置与类型的复合故障时，无需建立对应的PWM映射表，而是通过故障类型进行可用空间电压矢量集的实时圈定，计算对应调制比，并配合模型预测控制算法生成开关管栅极信号，降低了容错控制算法实现难度。
四、本发明通过自适应SVPWM容错控制，解决了现有离线算法无法容错非预期故障的问题，对于NPC五电平逆变器开关管的开路、短路故障容错控制具有一定程度的通用性，使用较为灵活。
五、本发明无需增加其余器件数量，不增加控制成本，不增大系统体积，性价比高、易实现、应用方便，提高了功率器件利用率，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明与被控对象间信号传递示意图。
图2为NPC五电平逆变器拓扑结构图。
图3为本发明系统结构框图。
图4为空间电压矢量冗余度计算示意图。
图5为矢量集Sn计算流程图。
图6为不同m及其对应的六边形区域。
图7为NPC五电平逆变器电流跟踪控制框图。
图8为Sa1与Sb1开路故障时三相输出电流波形。
图9为Sa1与Sb1开路故障时三相输出电压波形。
图10为Sa1与Sa3短路故障时三相输出电流波形。
图11为Sa1与Sa3短路故障时三相输出电压波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供一种基于自适应SVPWM的NPC五电平逆变器开关管故障容错控制系统及控制方法，NPC五电平逆变器间的信号传递情况如图1所示，NPC五电平逆变器模块是被控对象，其拓扑结构如图2所示。自适应容错控制模块内含用以实现容错控制方法的程序，两个模块之间通过传递采样电流/电压数值、故障信息与开关信号来完成容错控制。
如图3所示，基于自适应SVPWM的容错控制系统主要包括空间电压矢量冗余度计算模块、电压矢量集计算模块、最大线性调制系数计算模块和电流跟踪控制模块。其中，空间电压矢量冗余度计算模块基于NPC五电平逆变器所对应的空间电压矢量平面，计算出每一个节点所分布的空间电压矢量的数量n；电压矢量集计算模块则根据故障信息计算得到故障后仍然能够继续输出的空间电压矢量集Sn；最大线性调制系数计算模块综合上述两个模块的结果，实现系统在发生故障后的最大线性调制系数m的计算；电流跟踪控制模块则通过最大线性调制系数计算模块的输出结果实时调整目标参考电流的幅值，以故障下的实际电流输出与参考电流之差作为目标控制函数，在由电压矢量集计算模块得到的矢量集Sn中，自适应地选择满足上述目标控制函数最小的电压矢量序列Sopt来生成下一时刻的PWM控制信号，控制NPC五电平逆变器输出，从而完成整个容错过程。
本发明基于自适应SVPWM的容错控制系统提供一种容错控制方法，包括以下步骤：
(1)建立空间电压矢量冗余度计算模型
根据SVPWM调制策略的基本原理可知，空间矢量平面六边形的边长为2Udc/3，对于五电平拓扑的空间电压矢量平面，每一个小三角形的边长为Udc/6，如图4所示。对于位于每一个节点上所分布的空间电压矢量，越靠近内侧，空间电压矢量的冗余度则越多，因此，该模型主要基于空间矢量平面的几何关系和SVPWM的基本原理，在线计算出每一个节点所对应的空间电压矢量的数量。
本步骤具体包括以下子步骤：
(101)对于每一个节点上a相分量最小的空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)，通过式(1)将其转化为两相静止坐标系下连续电压变量的α、β分量，其中，Udc为NPC五电平逆变器的直流侧电压，则有：
(102)将Uα、Uβ转化为幅角的形式，得到空间电压矢量幅值U和与α轴夹角δ，如式(2)所示：
(103)观察图4可知，对于每一个空间矢量，U到零矢量的距离相对于每一个小三角形边长的大小决定了该空间电压矢量的冗余度，因此，在得到U后，利用式(3)即可得到该节点所分布的空间电压矢量的个数n，其中，ceil()为向上取整函数。
(104)对于空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)，在确定了该节点所分布的空间电压矢量的数量n后，即可得到(Sa，Sb，Sc)的冗余空间电压矢量为：(Sa+1，Sb+1，Sc+1)，(Sa+2，Sb+2，Sc+2)，…，(Sa+n-1，Sb+n-1，Sc+n-1)，该矢量及其所得到的冗余矢量将作为输入量参与系统在发生故障后最大线性调制系数的计算。
(2)建立电压矢量集计算模型
电压矢量集计算模块的作用是在NPC五电平拓扑对应的53个空间电压矢量所构成的矢量集S中，根据故障信息实时计算出在该种故障类型下不受故障管影响仍然能继续输出的矢量集Sn。
本步骤具体包括以下子步骤：
(201)产生正常运行情况下NPC五电平拓扑的53个空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)所构成的矢量集S；
(202)根据输入的故障信息F，结合不同开关管发生不同种类故障时电平的损失情况，得到在发生该种故障类型下，受故障管影响而不能正常输出的故障矢量集Sf。F为i行j列的矩阵，其中，i＝1，2，3，j＝1，…，8，矩阵中各元素表示各开关管的状态，“0”表示正常运行，“1”表示发生开路故障，“2”表示发生短路故障；
(203)在矢量集S中减去故障矢量集Sf，即可得到受故障管影响仍然能继续输出的矢量集Sn，矢量集Sn的计算流程图如图5所示。
(3)建立最大线性调制系数计算模型
最大线性调制系数计算模型是在由电压矢量集计算模块得到的矢量集Sn中，根据预先设计好的查找顺序，以幅值最大的矢量为起始，不断向内层矢量变化，最终在线计算出系统在发生该故障后的最大线性调制系数。
本步骤具体包括以下子步骤：
(301)当参考电压矢量位于空间矢量平面内的第x扇区时，系统在第x扇区内能输出的最大矢量为(Sa0，Sb0，Sc0)，这里(Sa0，Sb0，Sc0)∈Sn，则最大线性调制系数m可按照式(4)进行计算，该式中，N表示系统在正常运行时每一相能够输出的电平数，即对于NPC五电平拓扑，N＝5。根据上述计算方法，在五电平空间电压矢量平面上，分别绘制出最大线性调制系数m由大到小的变化过程中所对应的对称六边形区域，如图6所示。
(302)以第x扇区内仅小于可输出最大矢量的空间电压矢量为起点，在Sn中查找构成该六边形顶点的剩余5个矢量。需要注意的是，对于不同的矢量，其构成的两个六边形可能拥有相同大小的最大线性调制系数，这时他们具有相同的查找优先级。
由此从第1扇区至第6扇区、从大矢量至零矢量，设置在矢量集Sn中优先级由大到小的查找顺序，按照优先级顺序依次查找每一个矢量。若表中矢量因故障不能输出，则需要对通过空间电压矢量冗余度计算模块得到的冗余矢量进行查找，若存在冗余矢量仍可输出，则将第x扇区内最大空间电压矢量中a相分量最小的空间电压矢量的坐标代入式(3)，即可实时得到发生各种故障后系统的最大线性调制系数m。
(4)建立电流跟踪控制模型
电流跟踪控制模型基于现代模型预测控制的思想，在每一个采样时刻通过采集故障时的实际三相输出电流与目标参考电流做差，从而得到目标控制函数，即价值函数，在线求解满足价值函数最小的电压矢量序列在下一个时刻作用于被控对象，即采用每一时刻的测量值来预测系统在下一时刻的输出性能，以期实现故障情况下的电流跟踪控制。电流跟踪控制模型的控制流程如图7所示，主要包含以下步骤：
(401)在k时刻对逆变器的三相输出电流ia(k)，ib(k)及ic(k)进行采样。
(402)采样电流值经过式(5)进行Clark变换，得到两相静止坐标系下的被控变量。
(403)根据五电平逆变器的预测模型计算k+1时刻被控变量的预测值，五电平逆变器预测控制模型的建立过程如下：
(4031)假定NPC五电平逆变器的三相输出负载为对称阻感性负载，由基尔霍夫电压、电流定律可得三相电压和电流之间的关系如式(6)所示。
(4032)对上式进行Clark变换，可以得到两相静止αβ坐标系下的输出模型如式(7)所示。
(4033)选取前向差分法来对连续模型进行离散化处理，前向差分的计算公式如式(8)所示，根据前向差分法变换并整理得到的αβ坐标系下的NPC五电平逆变器离散预测模型如式(9)所示。其中，Ts为采样周期，R为负载电阻，L为负载电感。
(404)由二阶拉格朗日外推法计算得到k+1时刻的参考电流值，其表达式如式(10)所示。
(405)通过最大线性调制系数计算模型的输出结果实时调整目标参考电流的幅值，如下式(11)所示。
(406)将由电压矢量集计算模块得到矢量集Sn中的所有电压矢量状态依次代入价值函数中进行计算，选取使得价值函数最小的空间矢量Sopt在下一时刻作用于NPC五电平逆变器，选取平方误差作为电流跟踪模型价值函数的基本形式，如式(12)所示。
下面以NPC五电平逆变器接三相阻感对称负载时的仿真运行结果来说明本发明的有效性。
(501)假设各参数设置如下：三相阻感负载为电阻R＝10Ω，电感L＝10mH。直流侧电压Udc＝1500V，分压电容Ci＝2.125mF(i＝1，2，3，4)，逆变器参数为基波频率f1＝50Hz，调制比m＝0.8，载波频率fc＝1250Hz。
(502)Sa1与Sb1开关管发生相间开路故障后的输出电流、电压仿真波形分别如图8、9所示。由于本发明所提出的容错控制方法并未改变NPC五电平逆变器的原始拓扑结构，系统对于Sx4开关管发生的开路故障不具备容错能力。因此，本发明所提出的容错控制方法对于一切不包含Sx4开关管开路故障在内的单管开路故障、单相双管开路故障以及相间双管开路故障均具有较好的容错能力。
(503)Sa1与Sa3开关管发生单相短路故障后的输出电流、电压仿真波形分别如图10、11所示。尽管从容错的角度来看，相同故障管位置和相同故障管数量的短路故障相对于开路故障具备更好的容错能力，但其对系统造成的影响比开路故障要严重得多。本发明所提出的容错控制方法对于单管短路故障和单相双管短路故障具备较好的容错能力，而对于相间双管短路故障和更加复杂的短路故障类型而言，系统在故障后的情况变得更加复杂，对系统进行容错时需要结合实际的拓扑结构和电流流通路径来进行考虑，因此，本发明所提出的容错控制方法仅能够对单管短路故障和单相双管短路故障两种短路故障类型进行容错控制。
综上，本发明针对NPC五电平逆变器功率开关管的开路、短路故障，设计了基于自适应SVPWM的逆变器开关管故障容错控制方法。当面对不同位置与类型的复合故障时，无需建立对应的PWM映射表，而是通过故障类型进行可用空间电压矢量集的实时选定，计算对应调制比，并配合模型预测控制算法生成开关信号。所设计的发明降低了容错控制算法实现难度，并在同时解决了现有离线算法无法容错非预期故障的问题，提升了NPC五电平逆变器对于复杂故障的容错能力。
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