CN112104214A - 三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法 - Google Patents

三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，包括以下步骤：1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。与现有技术相比，本发明具有提高容错能力、无需增加冗余开关管、降低实现成本和难度、适用故障类型广等优点。

Description

三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术，尤其是涉及一种面向ANPC三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，多电平变流器在我国高速电气化铁路、城市轨道交通和新能源电动汽车等领域得到了广泛应用，其中ANPC三电平逆变器因其性能稳定、对损耗的平衡控制更加灵活等优点已逐渐成为多电平逆变器的主流。与其它传统的如NPC等三电平逆变器相比，由于ANPC逆变器的功率开关器件数目较多，系统发生故障的概率也相对较高；若发生故障后不能及时处理，将影响整个电路的安全运行，甚至造成不可估量的损失。据统计，变流器中最易发生故障的是IGBT等功率开关器件。因此研究ANPC三电平逆变器针对IGBT开路故障的容错控制方法具有重要的现实意义。
目前，针对ANPC三电平逆变器容错系统的研究主要集中在硬件冗余型容错拓扑及其对应的软件容错算法两个方面。开关冗余型、相冗余型容错拓扑是当前主流的两种硬件容错拓扑结构。开关冗余型利用逆变器基本拓扑的冗余电压矢量以及熔断器实现容错控制，不需要增加额外的开关管，成本较低；但由于故障后的冗余空间矢量较少，只能容错特定类型的故障，其它类型的故障则需要降额运行。相冗余型则通过额外增加一个三电平桥臂实现容错，当电路的某相桥臂出现故障时，使用冗余桥臂替换故障相运行，因而能够对单个桥臂内的任意故障进行容错；但是所需功率开关管数量和成本会明显增加，并且面对多桥臂故障时容错能力不足。同时，现有的针对硬件结构而设计的软件容错控制策略，为了简化控制过程，往往先离线建立特定故障类型与其对应的容错拓扑重构算法和PWM控制策略间的映射关系表，供容错控制时查表获取相关信息，实现拓扑重构和容错运行。该方法虽然实现成本低，使用方便，但一旦系统发生非预期故障时便极有可能失去容错能力；并且当面向多相多管复合故障时，由于各种故障类型的组合多达上千种，由此建立的映射表规模将非常庞大，提高了设计难度。
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面向ANPC三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，包括以下步骤：
1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；
2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。
所述的步骤1)中，构建器件共享型的容错拓扑电路结构具体为：
在基本ANPC拓扑基础上，A、B、C三相每相增设三种拓扑重构开关器件，具体包括：
一个双刀双掷开关Sk：用于在桥臂发生内管故障后切换每相主桥臂内管与箝位管在相输出中的位置；
两个双向晶闸管Tku和Tkd：与主桥臂外管并联，用于在桥臂发生外管故障后将其他两相的外管作为冗余器件代替故障外管；
两个单向晶闸管Sku、Skd：用于在发生严重内管故障的情况下对故障内管进行隔离，下标k的取值为a、b或c，分别代表A、B、C三相。
所述的步骤2)中，ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障具体包括单管故障、相内双管故障和相间多管故障三类，单管故障具体为发生单个外管故障、内管故障或钳位管故障的情况，相内双管故障为单相桥臂内出现两个功率开关同时发生故障的情况。
当出现单管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：
当一相桥臂中的外管发生开路故障时，控制该相桥臂以及一相邻相桥臂的双向晶闸管导通，使得相邻相桥臂的外管与该相桥臂的故障外管并联，并代替故障外管，实现容错运行；
当一相桥臂中的内管发生开路故障时，控制双刀双掷开关的两个动头均切换位置，使得该相中钳位管转变为主桥臂内管，原主桥臂的内管则转变为钳位管，完成主桥臂的切换，实现容错运行；
当一相桥臂中的钳位管发生开路故障时，此时，双刀双掷开关和两个双向晶闸管均不动作，采用现有的NPC三电平逆变器的控制方法实现容错运行。
所述的相内双管故障具体包括2个外管发生故障、1个外管和1个内管发生故障以及2个内管发生故障，当相内双管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：
对于2个外管发生故障以及1个外管和1个内管发生故障的情况，则按照单管故障的拓扑重构方法进行相应的控制；
对于2个内管发生故障的情况，
当一相桥臂中的左右同侧的两个内管发生故障时，控制双刀双掷开关将故障内管作为钳位管，非故障内管作为主桥臂内管，则该相桥臂退化为基本NPC结构，并且采用现有的NPC基本控制方法保持正常三电平输出，该基本NPC结构与ANPC结构的区别为钳位管处是否使用IGBT开关管，即Tk5和Tk6；
当一相桥臂中的左右异侧的两个内管发生故障时，则控制与故障内管并联的单向晶闸管导通，将原本开路的故障内管单向短路，并保持双刀双掷开关不动作，从而维持三电平输出。
当出现相间多管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法为：
将相间多管故障等效为多个单管故障和双管故障的复合情况进行拓扑重构，实现有效的容错控制，当一相桥臂中出现三个及以上的开关管同时发生故障，部分故障拓扑已经失去容错能力时，则进行降额运行。
所述的步骤2)中，自适应容错控制系统包括：
拓扑重构开关信号生成模块：根据故障类型和故障位置计算三类拓扑重构开关的动作信号，并生成容错拓扑重构方案，以实现逆变器的拓扑重构；
容错控制开关状态表生成模块：根据容错拓扑重构方案以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表控制电平输出；
PWM输出控制模块：根据不同故障类型确定不同的SVPWM容错算法，生成相应的容错用空间电压矢量序列，进而产生对应的PWM输出脉冲，实现自适应容错控制，SVPWM本身是一种用于逆变器较为成熟的控制策略，其主要根据相应步骤生成系统正常运行时所需的空间电压矢量序列，当发生故障需进行容错时，本发明将基于不同故障类型实时调整并产生相应的用于容错的空间电压矢量序列，在此基础上再进一步生成控制逆变器开关管导通的PWM脉冲信号。
所述的步骤2)中，自适应容错控制方法包括以下步骤：
21)根据故障类型和故障位置，计算三类拓扑重构开关动作信号，并将该信号传递给容错拓扑电路结构，完成拓扑重构；
22)根据重构后的容错拓扑电路结构以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表来控制电平输出；
23)根据不同故障类型确定PWM控制方法，包括对称全额运行模式、不对称工作模式、降额运行模式，根据不同的PWM控制方法，生成对应的空间电压矢量序列，并对照有效的IGBT开关状态表，产生PWM脉冲信号，控制容错拓扑电路结构中的IGBT开关管的动作。
所述的步骤21)具体包括以下步骤：
211)计算双刀双掷开关动作信号，则双刀双掷开关动作信号的逻辑表达式为：
FIMk＝Fk2+Fk3
FICk＝Fk5+Fk6
Figure BDA0002640145410000041
Figure BDA0002640145410000042
其中，Ck1、Ck2分别为第k相双刀双掷开关的动头1和2的动作信号，“1”表示动头处于位置2，“0”表示动头处于位置1，k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相，FIMk为k相主桥臂内管的故障标志位，FICk为k相主桥臂钳位管的故障标志位，Fkp表示第k相第p个IGBT开关管故障标志位，取值1表示发生故障，取值0表示正常，Fk2、Fk3、Fk5、Fk6分别为第k相第2、3、5、6个IGBT开关管故障标志位；
212)计算双向晶闸管驱动信号，则双向晶闸管驱动信号的逻辑表达式为：
Figure BDA0002640145410000043
Figure BDA0002640145410000044
其中，Bku、Bkd分别为第k相上、下两个双向晶闸管的驱动信号，“1”表示驱动导通，“0”表示驱动关断，Fk1、F(k-1)1分别为第k和k-1相第1个IGBT开关管故障标志位，Fk4、F(k-1)4分别为第k和k-1相第4个IGBT开关管故障标志位，
Figure BDA0002640145410000045
Figure BDA0002640145410000046
分别为Fk1、Fk4的取反操作值。
213)计算单向晶闸管驱动信号，则单向晶闸管驱动信号的逻辑表达式为：
Dku＝Fk2&(Fk5·Fk6)
Dkd＝Fk3&(Fk5·Fk6)
其中，Dku、Dkd分别为第k相上、下两个单向晶闸管的驱动信号，“1”表示驱动导通，“0”表示驱动关断，符号&和·分别表示与和乘积操作。
所述的步骤22)具体包括以下步骤：
221)根据故障类型和故障位置，在排除故障开关管后，随机生成一组基于重构拓扑的IGBT开关状态表；
222)根据三类拓扑重构开关的动作信号，将步骤221)中随机生成的重构拓扑的IGBT开关状态经过变换等效成标准ANPC三电平逆变器的IGBT开关状态，等效转换后各IGBT开关状态的逻辑表达式为：
Figure BDA0002640145410000051
Figure BDA0002640145410000052
Figure BDA0002640145410000053
Figure BDA0002640145410000054
Figure BDA0002640145410000055
Figure BDA0002640145410000056
其中，STk1、STk2、STk3、STk4、STk5、STk6分别为等效转换后标准ANPC拓扑中第k相第1、2、3、4、5、6个IGBT的开关状态，FTk1、FTk2、FTk3、FTk4、FTk5、FTk6分别为随机生成的重构拓扑中第k相第1、2、3、4、5、6个IGBT开关状态，
Figure BDA0002640145410000057
表示异或操作，上方横线表示取反操作；
223)判断等效转换后的IGBT开关状态表是否为标准拓扑开关状态表的子集，用以校验能否正确输出对应电平，若是，则表明步骤221)中随机生成的基于重构拓扑的开关状态表有效，若否，则返回步骤221)重新随机生成一组基于重构拓扑的IGBT开关状态表。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明通过设计基于器件共享的容错拓扑电路结构以及相应的拓扑重构方法，提高了逆变器对多相多管复合故障的容错能力，同时能实现单管或双管开路故障时，ANPC三电平逆变器能以额定功率容错运行。
二、本发明利用三相相同位置的外管互为冗余器件，无需为外管增加额外的冗余开关管，在降低成本缩小体积的同时，提高了功率器件的利用率。
三、本发明设计的自适应容错控制算法，当面向多相多管复合故障时，无需对组合多达上千种故障类型建立一一对应的PWM映射表，而是通过等效转换公式实时求解容错控制开关状态表，降低了容错控制算法的实现难度。
四、本发明设计的自适应容错算法解决了传统离线算法无法容错非预期故障的问题，对于任意故障类型均能够求解出有效的容错控制信号，很好地提升了ANPC三电平逆变器对于复杂故障的容错能力。
附图说明
图1为ANPC三电平逆变器自适应容错控制系统的总体结构框图。
图2为器件共享型ANPC逆变器容错拓扑结构图。
图3为A相外管Ta1开路故障容错拓扑重构图。
图4为A相内管Ta2开路故障容错拓扑重构图。
图5为A相钳位管Ta5开路故障容错拓扑重构图。
图6为A相Ta2、Ta6双管开路故障拓扑重构图。
图7为A相Ta1、Ta2、Ta6三管同时故障拓扑重构图。
图8为自适应容错控制算法系统结构图。
图9为Ta1、Ta4故障下重构拓扑的开关状态表及其等效转换。
图10为Ta1、Ta4故障容错控制的输出波形图。
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
一、ANPC三电平逆变器自适应容错控制系统的总体结构介绍：
如图1所示，本发明提供了一种面向ANPC三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，包括容错拓扑模块和自适应容错控制算法模块两部分，其中，ANPC三电平逆变器容错拓扑模块是本发明的主体电路结构部分，自适应容错控制算法模块则是实现容错的控制方法，两个模块之间通过传递故障位置信号、拓扑重构开关信号、PWM控制信号来完成自适应容错控制。
二、ANPC三电平逆变器容错拓扑的具体结构：
本发明设计的ANPC三电平逆变器容错拓扑主要基于器件共享的思想，使逆变器经过重构后实现同一个功率器件承担两相甚至是三相电流负荷的功能，以使逆变器在实现容错的同时，减少闲置器件的数量，相应容错拓扑如图2所示，其中虚线框内是A相桥臂，与之关联(B相桥臂)的重构器件在图中已标出。
器件共享型容错拓扑在基本ANPC拓扑基础上，每相增设三种拓扑重构开关器件：(1)一个双刀双掷开关Sk，(2)两个双向晶闸管Tku和Tkd，(3)两个单向晶闸管Sku、Skd，k＝a,b,c，各重构开关器件的作用为：
双刀双掷开关Sk用于在桥臂发生内管故障后切换每相主桥臂内管与箝位管在相输出中的位置，以A相桥臂为例，当开关Sa的动头处在位置“1”时，功率器件Ta1、Ta2、Ta3、Ta4作为主桥臂，功率器件Ta5、Ta6起到钳位作用；当开关Sa的动头处在位置“2”时，功率器件Ta1、Ta4、Ta5、Ta6作为主桥臂，功率器件Ta2、Ta3起到钳位作用。
双向晶闸管Tku和Tkd用于在桥臂发生外管故障后将其他两相的外管作为冗余器件代替故障外管。以B相外管与A相外管的连接为例，如图2中的重构关联器件所示，Tb1和Tb4为B相主桥臂外管，分别通过Tau、Tbu和Tad、Tbd与A相外管并联；当A相外管发生开路故障时，B相外管可作为备用功率器件承担A相外管的作用，提供A相电流通路。
单向晶闸管Sku和Skd与主桥臂内管并联，用于在发生严重内管故障的情况下对故障内管进行隔离，避免在发生复杂相间多管故障时降额运行。
三、不同故障容错拓扑重构方法：
上述ANPC三电平逆变器容错拓扑能够通过控制三种拓扑重构开关器件来对复杂的故障类型进行拓扑重构，根据同时发生开路故障的IGBT数目及位置，将故障分为单管故障、相内双管故障、相间多管故障三类，不同故障类型的容错拓扑重构方法如下：
(1)单管故障拓扑重构
根据其单管开路故障发生位置的不同，可分为外管、内管和钳位管故障三类，以A相桥臂为例，具体子故障类型的拓扑重构方法如下：
(101)A相桥臂外管Ta1发生开路故障，控制双向晶闸Tau、Tbu导通，使B相外管Tb1作为冗余器件替代Ta1构成A相正向“P”电平的电流通路，实现容错运行。拓扑重构示意如图3所示，其中虚线表示拓扑重构后故障桥臂输出正电平“P”的电流通路。
(102)A相桥臂内管Ta2发生开路故障，控制双刀双掷开关Sa的两个动头均切换到位置“2”，钳位管Ta5、Ta6替换Ta2、Ta3变成主桥臂内管，Ta2、Ta3转变为钳位管，利用Ta3为零电平“O”的输出提供通路。拓扑重构示意如图4所示。
(103)A相桥臂钳位管Ta5发生开路故障，控制双刀双掷开关Sa、两个双向晶闸管Tau和Tad均不动作，采用基本NPC三电平逆变器的控制策略实现容错运行。拓扑重构示意如图5所示。
(2)相内双管故障拓扑重构
ANPC三电平逆变器单相桥臂共有6个IGBT，当有两个功率开关同时发生故障时，可将单相桥臂的双管故障分为五类。以A相为例，其双管故障类型如表1所示，不同类型故障的拓扑重构方法如下：
表1 A相双管故障分类
Figure BDA0002640145410000081
(201)①类、②类和③类故障，根据上述单管故障的重构方法，控制相应的双刀双掷开关或双向晶闸管动作即可完成拓扑重构，使逆变器恢复正常输出。如A相外管Ta1、Ta4同时发生开路故障，控制双向晶闸Tau、Tad、Tbu、Tbd导通，使B相外管Tb1、Tb4作为冗余器件替代Ta1、Ta4，实现容错运行。拓扑重构示意如图6所示。另外，当发生②类故障时，由于特定的功率器件在拓扑重构后将在两相间共享使用，为防止出现直通现象短接直流母线电容，需将故障相退化为两电平输出，其余两相仍维持三电平输出。
(202)④类故障，如A相内管Ta5、Ta6同时发生开路故障，故障A相桥臂退化为基本NPC结构，此时A相采用NPC基本控制策略，来保持正常三电平输出。
(203)⑤类故障，如A相的Ta2、Ta6同时发生开路故障，控制与Ta2并联的单向晶闸管Sau导通，将原本开路的Ta2单向短路，并保持双刀双掷开关Sa不动作，从而维持三电平输出。
(3)相间多管故障拓扑重构
相间多管故障可等效为多个单管故障和双管故障的复合，采用上述方法，同时利用三相ANPC固有的互相冗余便能进行拓扑重构，实现有效的容错控制。
但若出现一种特殊故障情况，即当单相桥臂有三个及以上开关管同时发生故障，部分故障拓扑已经失去容错能力。如A相内管Ta1、Ta2、Ta6同时发生开路故障，控制双刀双掷开关Sa动头位置进行切换，将A相输出端直接与直流母线中点相连，使故障相恒定输出“O”电平，实现降额运行，拓扑重构示意如图7所示。
四、自适应容错控制算法的具体结构：
由于针对不同故障类型，需采用不同的容错拓扑重构方法，为改进传统离线控制算法无法容错非预期故障的不足，同时简化容错控制算法，本发明设计了一种基于组合逻辑的在线容错控制算法。如图8所示，该算法主要包括拓扑重构开关信号生成模块、容错控制开关状态表生成模块和PWM输出控制模块三部分。
拓扑重构开关信号生成模块根据故障类型和故障位置，计算出拓扑重构开关所需的触发动作信号，生成容错拓扑重构方案，以实现逆变器拓扑重构。重构开关信号共有三类：双刀双掷开关动作信号、双向晶闸管和单向晶闸管驱动信号。
容错控制开关状态表生成模块根据容错拓扑重构方案以及三类拓扑重构开关动作信号，生成有效的IGBT开关状态表来控制电平输出。
PWM输出控制模块是在传统SVPWM控制策略的基础上，根据不同故障类型确定不同的SVPWM容错算法，生成相应的容错用空间电压矢量序列，继而产生不同的PWM输出脉冲。
五、自适应容错控制算法的设计方法：
自适应容错控制算法的设计方法包括以下步骤：
(1)根据故障类型和故障位置，计算出拓扑重构开关所需的触发动作信号，并将信号传递给硬件拓扑，完成拓扑重构，具体包括以下几个子步骤：
(101)双刀双掷开关动作信号求解：
双刀双掷开关的动作信号仅与内管故障有关。判断k相主桥臂内管以及钳位管是否发生故障的公式为：
FIMk＝Fk2+Fk3 (1)
FICk＝Fk5+Fk6 (2)
其中，Fkp表示第k相第p个IGBT开关管故障标志位，1为发生故障，0为正常。k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相，如k＝1表示A相，则k-1表示C相，k+1表示B相；p＝1,2,3,4,5,6。
根据逻辑对应关系，同时综合考虑具有更高优先级的单向晶闸管驱动信号，得到双刀双掷开关动作信号Ck1、Ck2的逻辑表达式为：
Figure BDA0002640145410000101
Figure BDA0002640145410000102
式中，Ck1、Ck2为第k相双刀双掷开关的动头1、2的动作信号，“1”表示动头处于位置2，“0”表示动头处于位置1，k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相。
(102)双向晶闸管驱动信号求解：
双向晶闸管的驱动信号与外管故障有关。由于拓扑重构后多个桥臂共用同一个外管，需要综合考虑其他桥臂的故障情况来确定容错重构方案。根据故障外管的位置以及故障外管与第k相外管的相对位置关系，得到双向晶闸管驱动信号Bku、Bkd的逻辑表达式为：
Figure BDA0002640145410000103
Figure BDA0002640145410000104
式中，Bku、Bkd为第k相上、下两个双向晶闸管驱动信号，“1”表示驱动导通，“0”表示驱动关断，k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相。
(103)单向晶闸管驱动信号求解：
单向晶闸管的驱动信号与上述双管故障中第⑤类双内管故障有关，并且其的驱动信号比双刀双掷开关和双向晶闸管动作信号具有更高优先级。其故障开关管的故障位置如表1所示，得到单向晶闸管驱动信号Dku、Dkd的逻辑表达式为：
Dku＝Fk2&(Fk5·Fk6) (7)
Dkd＝Fk3&(Fk5·Fk6) (8)
式中，Dku、Dkd为第k相上、下两个单向晶闸管的驱动信号，“1”表示驱动导通，“0”表示驱动关断。k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相。
(2)根据步骤(1)中得到的重构后容错拓扑以及三种拓扑重构开关动作信号，生成有效的IGBT开关状态表来控制电平输出，具体包括以下几个子步骤：
(201)根据故障类型和故障位置，排除故障开关管后，随机生成一组基于重构拓扑的IGBT开关状态表；
(202)根据三种拓扑重构开关的动作信号，将步骤(201)中重构拓扑的开关状态经过变换等效成标准ANPC三电平逆变器的IGBT开关状态，这一等效转换的过程是依据重构拓扑中IGBT开关管在第k相输出电平时的发挥作用来完成的，开关管等效转换的逻辑表达式如下：
设FTkp为重构拓扑中第k相第p个IGBT的开关状态，STkp为等效转换后标准ANPC拓扑中第k相第p个IGBT的开关状态，以外管Tk1为例，等效转换后的开关状态STk1受到开关状态FTk1、双向晶闸管动作信号Bku和Bkd、双刀双掷开关动作信号Ck1和Ck2三个因素的影响，从而确定等效转换后Tk1的开关状态表达式为：
Figure BDA0002640145410000111
式中，k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相。
同理，可以推导出其他IGBT开关状态的等效转换逻辑表达式，如表2所示。
表2开关管等效转换逻辑表达式
Figure BDA0002640145410000112
(203)将步骤(202)中等效转换后的IGBT开关状态表与标准拓扑开关状态表3进行匹配比较，判断该表是否为表3的子集，以校验能否正确输出对应电平，若是表3的子集，则表明步骤(201)中随机生成的基于重构拓扑的开关状态表有效，否则返回执行步骤(201)继续求解。
表3标准ANPC三电平逆变器开关状态表
Figure BDA0002640145410000121
(3)根据不同故障类型来确定SVPWM容错算法，可采用的PWM控制算法分为三种，分别为：对称全额运行模式、不对称工作模式、降额运行模式。根据不同的PWM控制算法，生成对应的空间电压矢量序列，并对照步骤(2)中得到的有效的IGBT开关状态表，产生PWM脉冲信号，控制逆变器拓扑中的IGBT开关管的动作。
(4)以单相两外管Ta1、Ta4发生开路故障为实际案例进行分析，说明本发明的有效性，具体有；
(401)计算拓扑重构开关所需的动作信号，并进行容错拓扑重构
当Ta1、Ta4发生开路故障时，Fa1＝Fa4＝1，故设置故障标志矩阵Fault_info＝[1 0 01 0 0,0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0]，以表明18个IGBT开关管的故障标志。根据公式(3)到公式(8)，对双刀双掷开关、双向晶闸管以及单向晶闸管的动作信号进行求解，得到双刀双掷开关动作信号矩阵Cons、双向晶闸管动作信号矩阵BTTs、单向晶闸管动作信号矩阵TTs分别为：
Cons＝[0 0 0 0 0 0] (10)
其中“1”表示双刀双掷开关的动头处于位置2，“0”表示双刀双掷开关的动头处于位置1。
BTTs＝[1 1 1 1 0 0] (11)
其中“1”表示双向晶闸管导通，“0”表示双向晶闸管关断。
TTs＝[0 0 0 0 0 0] (12)
其中“1”表示单向晶闸管导通，“0”表示单向晶闸管关断。
由上述计算得到的拓扑重构开关信号矩阵可知，此时需要控制双向晶闸Tau、Tad、Tbu、Tbd导通，使B相外管Tb1、Tb4作为冗余器件替代Ta1、Ta4，而其它拓扑重构开关均不变。这样便可将计算而得的拓扑重构开关信号传输至容错拓扑电路，实现拓扑重构，由此得到的重构拓扑如图6所示。
(402)生成IGBT开关状态表
完成拓扑重构后，首先随机生成一张基于重构拓扑的IGBT开关状态表，并将Fault_info，BTTs，Cons，TTs矩阵信号作为输入变量，根据表2列出的开关管等效转换逻辑表达式，求解得出图9所示的开关状态表LookupTable，其中，左侧矩阵为随机生成的重构拓扑的开关状态表，右侧矩阵为将其等效转换为标准ANPC拓扑的开关状态表。然后，匹配比较并确定LookupTable是否有效：从图9右侧的开关状态表LookupTable可以看出，A相的N电平为[1 0 1 1 0 0][0 0 1 1 0 0]，O电平为[1 0 1 0 0 1][0 1 0 1 1 0]，P电平为[1 1 00 0 0]，均为表3子集。因此可判断左侧矩阵为可用矩阵。
(403)SVPWM控制
根据故障标志矩阵Fault_info以及拓扑重构开关的动作信号综合判断，该故障类型采用对称全额运行的SVPWM控制模式，容错后三相均工作于三电平状态，以参考电压矢量位于第1扇区B区间为例，说明SVPWM控制的步骤：当参考电压矢量位于第1扇区B区间时，7段式空间电压矢量序列为ONN OON PON
POO PON OON ONN，首先作用的电压矢量为ONN，从图9的左侧LookupTable可以得到，此时18个IGBT开关管的状态应该为[0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0]，而下一个电压矢量OON对应的开关状态为[0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0]，按照矢量序列依次查表，即可得到PWM脉冲信号，控制硬件拓扑的18个IGBT开关管动作，实现容错运行。
图10为A相两外管Ta1、Ta4发生开路故障时，在MATLAB/Simulink环境下仿真运行的ANPC三电平逆变器容错控制输出波形图。由图可以看出，当A相Ta1、Ta4发生开路故障后，输出波形即产生畸变。0.04秒容错投入后，通过拓扑重构并按照IGBT开关状态表进行SVPWM容错控制，外管Tb1、Tb4被A、B两相共享，A相输出恢复正常，同时B相的输出未受到任何影响，三相电流恢复对称输出，达到了容错控制的目的，该结果与上述原理分析相符。
通过本发明容错拓扑的重构、IGBT开关状态表的生成以及SVPWM容错控制，保证了系统在Ta1、Ta4故障下的输出特性，能够很好的实现了自适应容错控制功能。

Claims (10)

1.一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建ANPC三电平逆变器器件共享型的容错拓扑电路结构；
2)根据器件共享型的容错拓扑电路结构，通过自适应容错控制系统及自适应容错控制方法实现ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障的自适应容错控制。
2.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，构建器件共享型的容错拓扑电路结构具体为：
在基本ANPC拓扑基础上，A、B、C三相每相增设三种拓扑重构开关器件，具体包括：
一个双刀双掷开关Sk：用于在桥臂发生内管故障后切换每相主桥臂内管与箝位管在相输出中的位置；
两个双向晶闸管Tku和Tkd：与主桥臂外管并联，用于在桥臂发生外管故障后将其他两相的外管作为冗余器件代替故障外管；
两个单向晶闸管Sku、Skd：用于在发生严重内管故障的情况下对故障内管进行隔离，下标k的取值为a、b或c，分别代表A、B、C三相。
3.根据权利要求2所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，ANPC三电平逆变器开关管不同类型故障具体包括单管故障、相内双管故障和相间多管故障三类，单管故障具体为发生单个外管故障、内管故障或钳位管故障的情况，相内双管故障为单相桥臂内出现两个功率开关同时发生故障的情况。
4.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，当出现单管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：
当一相桥臂中的外管发生开路故障时，控制该相桥臂以及一相邻相桥臂的双向晶闸管导通，使得相邻相桥臂的外管与该相桥臂的故障外管并联，并代替故障外管，实现容错运行；
当一相桥臂中的内管发生开路故障时，控制双刀双掷开关的两个动头均切换位置，使得该相中钳位管转变为主桥臂内管，原主桥臂的内管则转变为钳位管，完成主桥臂的切换，实现容错运行；
当一相桥臂中的钳位管发生开路故障时，此时，双刀双掷开关和两个双向晶闸管均不动作，采用现有的NPC三电平逆变器的控制方法实现容错运行。
5.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的相内双管故障具体包括2个外管发生故障、1个外管和1个内管发生故障以及2个内管发生故障，当相内双管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法包括：
对于2个外管发生故障以及1个外管和1个内管发生故障的情况，则按照单管故障的拓扑重构方法进行相应的控制；
对于2个内管发生故障的情况，
当一相桥臂中的左右同侧的两个内管发生故障时，控制双刀双掷开关将故障内管作为钳位管，非故障内管作为主桥臂内管，则该相桥臂退化为基本NPC结构，并且采用现有的NPC基本控制方法保持正常三电平输出；
当一相桥臂中的左右异侧的两个内管发生故障时，则控制与故障内管并联的单向晶闸管导通，将原本开路的故障内管单向短路，并保持双刀双掷开关不动作，从而维持三电平输出。
6.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，当出现相间多管故障时，对容错拓扑电路结构进行拓扑重构的具体方法为：
将相间多管故障等效为多个单管故障和双管故障的复合情况进行拓扑重构，实现有效的容错控制，当一相桥臂中出现三个及以上的开关管同时发生故障，部分故障拓扑已经失去容错能力时，则进行降额运行。
7.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，自适应容错控制系统包括：
拓扑重构开关信号生成模块：根据故障类型和故障位置计算三类拓扑重构开关的动作信号，并生成容错拓扑重构方案，以实现逆变器的拓扑重构；
容错控制开关状态表生成模块：根据容错拓扑重构方案以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表控制电平输出；
PWM输出控制模块：根据不同故障类型确定不同的SVPWM容错算法，生成相应的容错用空间电压矢量序列，进而产生对应的PWM输出脉冲，实现自适应容错控制。
8.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，自适应容错控制方法包括以下步骤：
21)根据故障类型和故障位置，计算三类拓扑重构开关动作信号，并将该信号传递给容错拓扑电路结构，完成拓扑重构；
22)根据重构后的容错拓扑电路结构以及三类拓扑重构开关的动作信号，生成有效的IGBT开关状态表来控制电平输出；
23)根据不同故障类型确定PWM控制方法，包括对称全额运行模式、不对称工作模式、降额运行模式，根据不同的PWM控制方法，生成对应的空间电压矢量序列，并对照有效的IGBT开关状态表，产生PWM脉冲信号，控制容错拓扑电路结构中的IGBT开关管的动作。
9.根据权利要求8所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤21)具体包括以下步骤：
211)计算双刀双掷开关动作信号，则双刀双掷开关动作信号的逻辑表达式为：
FIMk＝Fk2+Fk3
FICk＝Fk5+Fk6
Figure FDA0002640145400000031
Figure FDA0002640145400000032
其中，Ck1、Ck2分别为第k相双刀双掷开关的动头1和2的动作信号，“1”表示动头处于位置2，“0”表示动头处于位置1，k的取值为0、1、2、3、4，分别表示C相、A相、B相、C相、A相，FIMk为k相主桥臂内管的故障标志位，FICk为k相主桥臂钳位管的故障标志位，Fkp表示第k相第p个IGBT开关管故障标志位，取值1表示发生故障，取值0表示正常，Fk2、Fk3、Fk5、Fk6分别为第k相第2、3、5、6个IGBT开关管故障标志位；
212)计算双向晶闸管驱动信号，则双向晶闸管驱动信号的逻辑表达式为：
Figure FDA0002640145400000033
Figure FDA0002640145400000034
其中，Bku、Bkd分别为第k相上、下两个双向晶闸管的驱动信号，“1”表示驱动导通，“0”表示驱动关断，Fk1、F(k-1)1分别为第k和k-1相第1个IGBT开关管故障标志位，Fk4、F(k-1)4分别为第k和k-1相第4个IGBT开关管故障标志位，
Figure FDA0002640145400000041
Figure FDA0002640145400000042
分别为Fk1、Fk4的取反操作值。
213)计算单向晶闸管驱动信号，则单向晶闸管驱动信号的逻辑表达式为：
Dku＝Fk2&(Fk5·Fk6)
Dkd＝Fk3&(Fk5·Fk6)
其中，Dku、Dkd分别为第k相上、下两个单向晶闸管的驱动信号，“1”表示驱动导通，“0”表示驱动关断，符号&和·分别表示与和乘积操作。
10.根据权利要求9所述的一种三电平逆变器开关管复合开路故障的自适应容错控制方法，其特征在于，所述的步骤22)具体包括以下步骤：
221)根据故障类型和故障位置，在排除故障开关管后，随机生成一组基于重构拓扑的IGBT开关状态表；
222)根据三类拓扑重构开关的动作信号，将步骤221)中随机生成的重构拓扑的IGBT开关状态经过变换等效成标准ANPC三电平逆变器的IGBT开关状态，等效转换后各IGBT开关状态的逻辑表达式为：
Figure FDA0002640145400000043
Figure FDA0002640145400000044
Figure FDA0002640145400000045
Figure FDA0002640145400000046
Figure FDA0002640145400000047
Figure FDA0002640145400000048
其中，STk1、STk2、STk3、STk4、STk5、STk6分别为等效转换后标准ANPC拓扑中第k相第1、2、3、4、5、6个IGBT的开关状态，FTk1、FTk2、FTk3、FTk4、FTk5、FTk6分别为随机生成的重构拓扑中第k相第1、2、3、4、5、6个IGBT开关状态，
Figure FDA0002640145400000049
表示异或操作，上方横线表示取反操作；
223)判断等效转换后的IGBT开关状态表是否为标准拓扑开关状态表的子集，用以校验能否正确输出对应电平，若是，则表明步骤221)中随机生成的基于重构拓扑的开关状态表有效，若否，则返回步骤221)重新随机生成一组基于重构拓扑的IGBT开关状态表。
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