NPC型三电平变流器故障诊断及其容错控制研究

发布时间：2020-03-22 14:23

【摘要】：近年来,随着工业的发展,发电并网、舰艇驱动、厂矿拖动等领域对大功率变流器的需求越来越多,二极管中点箝位(Neutral Point Clamped,NPC)型三电平变流器得到了广泛的应用。三电平变流技术较传统的两电平变流技术,在采用相同耐压等级器件的情况下,可获得更大的系统容量和更低的谐波含量,需要采用更多的开关器件、更复杂的控制算法,也更易发生不同类型的故障。本文针对传统NPC型三电平变流器提出了一种基于电流路径的故障诊断方法,并提出了一种容错电路结构和一种容错运行控制方法,对未来NPC型三电平变流器的设计与控制具有一定的意义。根据NPC型三电平电路的工作原理,深入分析了其工作于不同状态下的电流路径,提出了一种基于电流路径的故障诊断方法。通过采集桥臂的指定位置的电流信号分析桥臂中的电流路径,再结合桥臂所处的工作状态,综合判断,实现对开关管开路故障的准确定位。针对这一方法在部分场合下不能判断的情况,通过电流过零时间和无功注入的方法对该诊断方法进行修正,并通过Matlab Simulink仿真验证了该诊断方法的可靠性。分析了T型三电平电路的结构与工作原理,结合该电路的特点,提出了一种带有T型冗余第四桥臂的NPC型三电平电路。利用冗余第四桥臂,实现了无故障时稳压、出现故障时替代故障半桥臂维持变流器持续运行的功能,并使用Matlab Simulink验证了该容错电路结构的可行性。研究了三电平空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的工作原理以及不同开关管故障对变流器空间矢量的影响。提出通过拓扑重连,利用调制中的冗余矢量实现不同故障下变流器容错运行的方法,并针对减少开关管损耗的目标,对开关管的开关时序进行了优化。最后,综合上述故障诊断、容错电路结构和容错运行控制算法在Matlab Simulink对带有T型第四桥臂的NPC型三电平变流器模型连续发生开关管开路故障进行仿真,实现了初次故障系统持续运行,再次故障系统降额运行的控制效果,验证了故障诊断与容错运行系统的可靠性。
【图文】：

轨迹图,开路故障,开关管,轨迹

1.2.1 国外研究状况针对 NPC 型三电平变流器中开关管故障所进行的故障诊断研究主要起始于 2004 年前后，韩国汉阳大学 Dong-SeokHyun 教授课题组是较早关注 NPC 三电平变流器中故障诊断领域的研究组[12]。2004 年，该组学者 Ho-In Son 分析了 NPC 三电平逆变电路在连接三相负载的情况下，不同位置的开关管发生故障后的电压、电流波形，指出可以根据逆变器输出的电压范围或经派克变换后的电流轨迹确定故障的具体位置[12]，如图 1-4 所示。然而，该文只是指出了故障发生后的电压电流的变化现象，并未针对这一现象给出明确的判断方法。2007 年，同课题组学者 Jung-DaeLee 提出，当逆变器的输出电压不是±Udc/2 时即报错，但仍不能实现对故障开关器件的准确定位[13]。2009 年，该组博士 Tae-Jin Kim 在上述研究的基础上，在文献[14]中提出电压范围法，给出了更详细的故障诊断方法。文中将开关器件开路故障分为外部器件开路和内部器件开路两种，外部器件开路会导致输出电压持续为 0，内部器件开路会导致特定工作状态下输出电压为±Udc/4 的电平。通过采集逆变器三相输出电压，即可实现对故障开关器件的定位。这一方法具有一定的可操作性，诊断速度小于两个采样周期，但仍有几点不足：一是此诊断方法只能应用于三相对称负载的情况下，，使用范围有限；二是仅能对单管故障进行诊断，对更复杂的开关器件故障无能为力。

流程图,判断法,残差,电压

第 1 章绪论行故障诊断[20]。该课题组多年来一直致力于多电平变流器的研究，该组博士 L. M. ACaseiro 针对 NPC 三电平整流器中 IGBT 开路故障的诊断方法又发表了多篇文章[21]。他在文献[16]的基础上，在文献[21]中提出了利用电压残差实现了故障开关器件的准确定位。将 NPC 三电平整流器接入理想电压源，根据其工作状态，算出整流器的理想相电压，再测得的线电压和线电流算出实际的相电压，将两者进行比较，当残差超过阈值时触发故障诊断效果。然而，该方法仍然存在着只能检测单个器件、只能用于并网环境的不足。他在文献[23]中对这一方法进行了拓展，通过对电压信号进行进一步的分解处理，引入了更多判断阈值，实现对故障位置进行更为精确的定位。该方法可应用于整流、逆变等不同场合，但也更为复杂也更依赖于阈值的设定，且仍需要直流侧的阻抗数据作为计算参考。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

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