[发明专利]多电平逆变器的参考电压信号重构的容错控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及电力电子领域中的多电平逆变器的容错控制，尤其涉及一种自适应容错PWM调制算法。

背景技术：

近年来，高压大功率变换器以其优越的性能和良好的节能效果，在工业生产、交通运输等领域得到了迅速的推广和应用。但是，开关器件的耐压等级严重制约着高压变频技术的发展。为了在现有开关器件耐压等级基础上得到更高的输出电压，多电平逆变器以其输出电能质量高、功率器件电压应力低、开关损耗小等特点在工业生产、交通运输、航空航天等领域得到广泛的应用。多电平逆变器拓扑主要包含二极管箝位型逆变器，飞跨电容式逆变器以及级联型多电平逆变器。其中级联H桥型逆变器因其不需要大量的箝位二极管或电容，无需均衡电容电压，结构上易于模块化和扩展，并具有良好的电能质量，因此在工业中得到了广泛的应用。

但是在实际工业工程中，级联型多电平逆变器的每相中都含有大量的H桥，因而会大大增加开关器件开路和短路的故障发生概率。而且随着电压的升高，故障出现的概率也变大。级联H桥型多电平逆变器的产生虽然为电力电子技术在高压、大功率场合的应用提供了很多便利，但一旦发生故障，轻则造成企业停产，重则会造成灾难性事故，给社会带来巨大的损失。研究表明，逆变器供电的变频调速系统中开关器件的故障占整个驱动系统故障的82.5％，是驱动系统中最容易发生故障的环节。

目前针对逆变器IGBT开路故障，主要有两种容错控制策略。一种是添加冗余桥臂或者添加冗余模块的硬件冗余方法。这种方法能实现全载运行，但是以成本的提高、逆变器的重量以及复杂度的增加为代价而实现的。在体积以及重量严格限制的使用场合，无法采用这种方法。为了减少生产成本，另一种策略则是利用余下的开关器件降载运行，通过改变控制算法，达到容错目的。但是传统的多电平逆变器PWM波调制算法无法适用故障模块切除后的逆变器控制，需更换调制策略才能进行容错控制，对于电平数越高的逆变器，所需添加的冗余算法就越多。而且切换算法需要进行故障判断和算法选择，在电平数越高的多电平逆变器中，故障种类越多，则整体的算法选择时间会更长，一定程度上延长了系统响应时间。

发明内容：

本发明首次将故障信号引入到故障情况下级联型多电平逆变器的PWM波重构算法中，通过对总参考电压幅值与相位的重构以及各H桥参考电压再重构的方法实现故障桥的切除以及正常桥的容错控制。

本发明的目的是提供一种参考电压信号重构的容错控制方法来实现级联型多电平逆变器的容错控制，其技术方案如下：

一种多电平逆变器的参考电压信号重构容错控制方法，其整体容错逆变器包括直流电源、H桥电路、故障诊断模块、PWM波生成模块、电阻负载。直流电源由多个直流电源组成，PWM波生成模块产生开关信号驱动H桥主电路将来自直流电源的直流电转换成交流电。对该交流电的电压进行检测以及故障诊断，根据故障诊断结果重构PWM波对逆变器进行容错控制。故障诊断方法采用基于数据驱动的故障诊断方法，先根据故障类别采取正常与故障情况下三相电压信号样本，对样本进行FFT变换、PCA主元提取以及BP神经网络数据预处理训练得到BP神经网络的权值矩阵，然后在实时系统中，对采集到的三相电压信号进行FFT变换、PCA主元提取并利用已设置好权值矩阵的进行故障诊断。

级联型多电平逆变器中每一相主电路均由n个H桥组成。每一相中将H桥自下而上排列，最下面的是第一个H桥，最上面的是第n个H桥。将第i个H桥(i＝1,2…n)的四个开关管分别标记为HiS1、HiS2、HiS3和HiS4，开关管选择为IGBT。Voi是第i个H桥的输出电压，Vo是该电路的总输出电压，将n个H桥的输出端级联后，使得由于每个H桥的直流电源电压均为E，所以Voi三个输出状态为0V或±E。这样，在任意时刻，Vo可以等于±nE、±(n-1)E、…±E或0V，即每一相可以输出(2n+1)种不同的电平。基本PWM波调制算法选择为载波层叠SPWM调制算法。在每个H桥两端并联故障隔离开关Si，当故障发生时用来切除故障桥。

H桥主电路中，一个H桥的IGBT开路故障分为一类故障，即不管故障桥内有几个IGBT发生开路故障，均将其归为该H桥故障。所以本发明针对H桥故障进行容错控制。

通过故障诊断模块对逆变器的输出电压做到实时的检测和故障诊断。根据诊断结果对三相总参考电压的幅值与相位进行重构，并且建立故障信号向量对各个H桥的参考电压信号进行再重构，从而利用重构后的PWM波对级联型多电平逆变器进行容错控制。