申请/专利权人：太原理工大学

申请日：2022-04-07

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN114759817B

主分类号：H02M7/487

分类号：H02M7/487;H02M7/5387;H02M1/32

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2022.08.02#实质审查的生效;2022.07.15#公开

摘要：本发明公开了一种适用于级联全桥NPC逆变器的无缝开路故障模型预测容错控制方法，涉及级联多电平逆变器故障容错控制领域。容错拓扑由n+1个子模块串联构成；子模块1至n为普通子模块，子模块n+1为冗余子模块；普通子模块交流输出侧配置了双向晶闸管，冗余子模块交流输出侧未配置双向晶闸管。在正常运行阶段，普通子模块投入运行，冗余子模块旁路；在故障诊断阶段，普通子模块继续在故障条件下运行，冗余子模块对开路故障器件引起的电流跟踪误差进行实时补偿；在故障重构阶段，故障子模块切除，冗余子模块代替故障子模块投入运行。本发明可在故障诊断阶段维持级联全桥NPC逆变器输出电流波形的完整性，可在单个器件开路故障的条件下实现输出电流的无缝输出，提高系统可靠性。

主权项：1.一种适用于级联全桥NPC逆变器的无缝开路故障模型预测容错控制方法，其特征在于：所述控制方法在如下容错拓扑中实现：采用的容错拓扑由n+1个子模块串联构成，每个子模块的电路拓扑均为级联全桥NPC逆变器；子模块1至子模块n为普通子模块，子模块n+1为冗余子模块；普通子模块交流输出侧均配置了双向晶闸管，冗余子模块的交流输出侧未配置双向晶闸管；所述级联全桥NPC逆变器的运行包括正常运行、故障诊断、故障重构三个阶段，每个控制周期首先判断级联全桥NPC逆变器当前的运行阶段；所述控制方法具体步骤如下：一、若判断级联全桥NPC逆变器当前的运行阶段为正常运行：1普通子模块的控制方法包括以下步骤：①依次按式1和式2计算总输出电平数Mk： 式1中，Lo表示级联全桥NPC逆变器交流输出侧滤波电感的电感值，Ro表示级联全桥NPC逆变器交流输出侧负载电阻的电阻值，Vdc表示子模块直流输入电源的电压；TS表示普通子模块模型预测控制的控制周期，iorefk+1表示级联全桥NPC逆变器交流输出电流在第k+1个控制周期的瞬时值，iok表示级联全桥NPC逆变器交流输出电流在第k个控制周期的采样值；函数round[x]表示四舍五入函数；②依次按a、b、c将总输出电平数Mk分配至每个普通子模块：a、求所有普通子模块电容电压差值ΔUC1、ΔUC2、……、ΔUCn的绝对值|ΔUC1|、|ΔUC2|、……、|ΔUCn|；b、对|ΔUC1|、|ΔUC2|、……、|ΔUCn|进行降序排序；c、由前至后地进行第一趟电平分配：当Mk0时，每个子模块被分配得到+1电平，当Mk0时，每个子模块被分配得到-1电平，直至总电平数Mk被分配完；若第一趟未能将Mk分配完，则进行第二趟由后至前地反向分配，直至总电平数Mk被分配完；第一个子模块至第n个子模块最终被分配得到的电平数依次用M1k、M2k、……、Mnk表示；③根据每个普通子模块分配得到的输出电平数确定该子模块的开关状态，所有普通子模块均采用相同的开关状态确定方法：若某子模块被分配得到+2电平，则该子模块的开关状态被确定为[11000011]；若某子模块被分配得到+1电平，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[11000110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01100011]；若某子模块被分配得到0电平，则该子模块的开关状态被确定为[01100110]；若某子模块被分配得到-1电平，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[00110110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01101100]；若某子模块被分配得到-2电平，则该子模块的开关状态被确定为[00111100]；2冗余子模块的控制方法为：将冗余子模块的开关状态SWn+1设置为[01100110]；二、若判断级联全桥NPC逆变器当前的运行阶段为故障诊断：1普通子模块的控制方法包括以下步骤：①依次按式1和式2计算总输出电平数Mk：②依次按a、b、c将总输出电平数Mk分配至每个普通子模块：a、求所有普通子模块电容电压差值ΔUC1、ΔUC2、……、ΔUCn的绝对值|ΔUC1|、|ΔUC2|、……、|ΔUCn|；b、对|ΔUC1|、|ΔUC2|、……、|ΔUCn|进行降序排序；c、由前至后地进行第一趟电平分配：当Mk0时，每个子模块被分配得到+1电平，当Mk0时，每个子模块被分配得到-1电平，直至总电平数Mk被分配完；若第一趟未能将Mk分配完，则进行第二趟由后至前地反向分配，直至总电平数Mk被分配完；第一个子模块至第n个子模块最终被分配得到的电平数依次用M1k、M2k、……、Mnk表示；③根据每个普通子模块分配得到的输出电平数确定该子模块的开关状态，所有普通子模块均采用相同的开关状态确定方法：若某子模块被分配得到+2电平，则该子模块的开关状态被确定为[11000011]；若某子模块被分配得到+1电平，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[11000110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01100011]；若某子模块被分配得到0电平，则该子模块的开关状态被确定为[01100110]；若某子模块被分配得到-1电平，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[00110110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01101100]；若某子模块被分配得到-2电平，则该子模块的开关状态被确定为[00111100]；2冗余子模块的控制方法包括如下步骤：①依次按式3和式4计算冗余子模块输出电平数Mn+1k： 式3中，Δiok表示级联全桥NPC逆变器交流输出电流跟踪误差在第k个控制周期的采样值；TR表示冗余子模块模型预测控制的控制周期；TR与公式1中TS的关系为：TS＝qTR，q＝1，2，……，10；②确定冗余子模块的开关状态SWn+1，方法为：若Mn+1k＝+2，则该子模块的开关状态被确定为[11000011]；若Mn+1k＝+1，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[11000110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01100011]；若Mn+1k＝0，则该子模块的开关状态被确定为[01100110]；若Mn+1k＝-1，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[00110110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01101100]；若Mn+1k＝-2，则该子模块的开关状态被确定为[00111100]；三、若判断级联全桥NPC逆变器当前的运行阶段为故障重构：1普通子模块的控制方法包括以下步骤：①将故障子模块交流输出侧的双向晶闸管开通，即Tx＝1，x表示故障子模块的编号；②按式1和式2计算总输出电平数Mk；③将冗余子模块的电容电压差值ΔUCn+1赋值给故障子模块的电容差值ΔUCx，即ΔUCx＝ΔUCn+1；④依次按a、b、c将总输出电平数Mk分配至每个普通子模块：a、求所有普通子模块电容电压差值ΔUC1、ΔUC2、…、ΔUCx-1、ΔUCn+1、ΔUCx+1、…、ΔUCn的绝对值|ΔUC1|、|ΔUC2|、…、|ΔUCx-1|、|ΔUCn+1|、|ΔUCx+1|、…、|ΔUCn|；b、对|ΔUC1|、|ΔUC2|、…、|ΔUCx-1|、|ΔUCn+1|、|ΔUCx+1|、…、|ΔUCn|进行降序排序；c、由前至后地进行第一趟电平分配：当Mk0时，每个子模块被分配得到+1电平，当Mk0时，每个子模块被分配得到-1电平，直至总电平数Mk被分配完；若第一趟未能将Mk分配完，则进行第二趟由后至前地反向分配，直至总电平数Mk被分配完；⑤根据每个普通子模块分配得到的输出电平数确定该子模块的开关状态，所有普通子模块均采用相同的开关状态确定方法：若某子模块被分配得到+2电平，则该子模块的开关状态被确定为[11000011]；若某子模块被分配得到+1电平，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[11000110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01100011]；若某子模块被分配得到0电平，则该子模块的开关状态被确定为[01100110]；若某子模块被分配得到-1电平，则当该子模块的电容电压差值与输出电流同号时该子模块的开关状态应被确定为[00110110]，反之该子模块的开关状态应被确定为[01101100]；若某子模块被分配得到-2电平，则该子模块的开关状态被确定为[00111100]；⑥将故障子模块的开关状态SWx赋值给冗余子模块的开关状态SWn+1，即SWn+1＝SWx；再将故障子模块的开关状态SWx置零，即SWx＝[00000000]。

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