三电平逆变器故障诊断与容错控制研究

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1、硕士学位论文三电平逆变器故障诊断与容错控制研究ResearchonFaultDiagonosisandFaultTolerantControlofThree-LevelInverter作者：王真导师：何凤有教授中国矿业大学二О一五年六月中图分类号TM464学校代码10290UDC621.3密级公开中国矿业大学硕士学位论文三电平逆变器故障诊断与容错控制研究ResearchonFaultDiagonosisandFaultTolerantControlofThree-LevelInverter作者王真导师何凤有申请学位

2、工学硕士培养单位信电学院学科专业电气工程研究方向逆变器故障诊断与容错控制答辩委员会主席谭国俊评阅人二○一五年六月论文审阅认定书研究生王真在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢本论文是在我的导师何凤有教授的精心指导下完成的。在这三年的研究生学习、生活中，何老师给了我极大的帮助，为我创造了良好的学习环境。何老师

3、严谨的治学态度、高度的责任感、渊博的知识、乐观积极的态度、和蔼可亲的人格魅力给我留下深刻印象，一直深深地感染着我，是我今后工作、为人的榜样，让我受益终生。在此向何老师表示由衷的感谢和深深的敬意！感谢谭国俊教授在研究生期间给予我的帮助，谭老师渊博的学识、孜孜不倦的研究精神潜移默化地影响着我。感谢邓先明教授、吴轩钦老师、叶宗彬老师、张辉老师、徐世周博士、耿程飞博士、刘毅博士、曹晓冬博士、刘战博士等给予我的热情帮助与支持。感谢实验室的徐海奇、王雷、周选选同学，在学习中遇到困难时，他们与我一起寻求解决问题的方案。同时，在与

4、他们相处的日子里，他们身上体现出来的对学习的热情与执着、面临难题时的沉稳以及简洁严谨的思维方式，深深地影响着我，这些将为我日后的工作带来动力、信心和勇气。在此衷心感谢他们对我的关心和厚爱。感谢中国矿业大学、江苏省电力传动与自动控制工程技术研究中心和徐州中矿大传动与自动化有限公司提供的实验条件，为我创造了良好的科研环境。感谢我的家人，感谢你们在我求学生涯中的的默默付出，感谢你们对我的理解和关爱，我学业的顺利完成离不开你们的支持。感谢各位专家和老师在百忙之中评阅论文！摘要近年来，多电平逆变器在航空、煤矿、电力等大功率领

5、域得到日益广泛的应用，其中三电平逆变器以其损耗小、谐波含量低等优点受到国内外学者的青睐。然而，逆变器中的功率器件是最易发生故障的薄弱环节，一旦功率器件发生故障，轻则带来经济损失重则威胁系统安全。本文以中点箝位型（NeutralPointClamped，NPC）三电平逆变器为对象，研究其功率器件的故障诊断与容错控制，从而实现功率器件故障后系统可以持续工作，提高系统的可靠性。首先，以三电平逆变器工作原理为基础，分析位于不同位置的功率器件发生短路或开路故障后，逆变器拓扑结构中电流流通路径的不同。分析得到，通过提取每一时刻

6、箝位二极管电流、桥臂开关状态和负载电流，不仅可以准确定位故障功率器件，而且可以诊断出故障器件的故障类型，进而得到基于电流流通路径的三电平逆变器故障诊断逻辑。通过Matlab仿真验证了该故障诊断方法的有效性，可以实现任一开关器件发生短路或开路故障后，故障被快速诊断。为了有效地进行容错控制，分析不同位置的功率器件发生短路或开路故障后，三电平逆变器电压空间矢量的变化。根据故障后电压空间矢量的分布特点，将功率器件的故障分为I型、II型和III型故障。指出I型和II型故障发生后，逆变器仅利用自身冗余矢量，即可完成容错控制。而

7、III型故障发生后，必须通过拓扑重构才可以实现容错运行。针对I型和II型故障，采用基于电压空间矢量冗余的容错控制方法。具体给出其扇区划分方法、矢量合成顺序，进而得到其空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）算法。通过Matlab仿真，验证了该容错控制方法的有效性，可以实现在I型和II型故障发生后，逆变器容错运行。针对III型故障，提出基于拓扑重构的容错控制方法。先以两电平拓扑重构型容错逆变器为例，即三相四开关逆变器，介绍拓扑重构的基本思想。进而得到三电平容错逆变器拓扑结构，实现故障发生后，三电平逆变器拓扑结构重构为三相八

8、开关逆变器。分析三相八开关逆变器的空间矢量，得到其空间矢量合成方法。通过Matlab仿真验证，表明基于拓扑重构的容错控制方法可以有效实现III型故障发生后，逆变器持续工作，且可靠性高、成本低。至此，实现任一功率器件发生短路或开路故障后，均可保证逆变器持续工作。该论文有图49幅，表15个，参考文献77篇。关键词：三电平逆变器；故障诊断；容错控制；冗余；拓扑重构