基于虚拟健全的有源电力滤波器容错控制

针对有源电力滤波器(APF)故障,提出一种基于虚拟健全概念的无辅助电路容错控制方法,在所提容错控制方法实现过程中,不需要改变电路拓扑和控制架构,只需要修改参考电流;给出正常运行与容错运行均适用的APF统一控制架构;研究了APF的缺相故障和开关管故障特性,分别给出了对应的容错控制参考电流。通过采用所提APF的缺相故障和开关管故障容错控制方法,电网电流的总谐波畸变率减小,有效改善了电网的电能质量。实验结果验证了该方法的有效性。     

器件共享型三电平逆变器容错控制

针对有源中点钳位(ANPC)型三电平逆变器现有容错拓扑难以对多桥臂多开关管复合开路故障进行有效容错、以及器件利用率较低的问题,提出了器件共享型ANPC三电平逆变器容错拓扑,对系统单管、相内双管以及相间多管等不同故障类型设计了容错拓扑重构方法,在不降低或少量降低系统输出性能的情况下实现对各类复合故障的有效容错.为解决传统离线容错控制算法对非预期故障容错能力较弱的问题,提出了一种基于组合逻辑的自适应容错控制算法,根据故障类型和故障位置在线求解并获得合适的容错拓扑重构开关驱动控制信息,生成有效的容错控制开关状态表,结合PWM容错控制算法,实现故障的实时容错控制.仿真和实验结果表明,器件共享型容错拓扑能够保证逆变器在容错运行时的输出性能,且器件利用率高,冗余成本较低.     

多电平逆变器开关管开路故障容错重构策略

针对有源中点箝位(ANPC)三电平逆变器难以对多管复合开路故障进行有效容错的问题,提出一种改进型三电平ANPC逆变器容错拓扑。为对比所提改进型ANPC容错拓扑与已有拓扑结构的整体容错性能,提出了一种基于系统输出特性的可靠性计算方法。同时,为改进传统控制算法无法容错非预期故障的不足,提出一种在线容错拓扑重构控制算法,能够基于故障信息实时求解容错拓扑重构方式,并得到可行的等效开关状态,实现对于故障的实时容错控制。仿真和实验结果验证了所提容错拓扑及其重构控制算法的有效性。     

基于修正开关模式的三相整流器故障容错控制

通过分析三相桥式脉宽调制(PWM)整流器的开关管开路故障时空间电压矢量的变化情况,提出一种基于修正开关模式的开关管开路故障容错控制算法,对比分析修正前后电压矢量的变化,给出具体的实现方法。该方法对于单管和多管同时开路故障均能实现容错控制,能较好地改善故障下三相电流平衡度,减小直流侧电压纹波,提升系统性能和可靠性,实现算法简单,无需增加硬件电路。仿真与实验验证了该方法的有效性。     

适用于双级矩阵变换器整流级功率开关故障的容错策略研究

将传统矩阵变换器逆变级的单向开关更换为双向开关,可构成全双向开关型双级矩阵变换器。该拓扑通过增加6个开关管以具备母线电压可反向、拓扑结构高度对称等特征。上述特征结合使得该拓扑在整流级功率开关发生故障时,可仅通过修正调制算法保证变换器正常运行,实现容错。该文针对整流级一个双向开关单元开路、两个不同侧双向开关单元开路两个故障,提出相应的容错策略。为保证容错策略安全有效的实施,随后提出相应的模态切换策略,并分析模态切换对电压调制比的影响。所提整流级容错策略的有效性最终通过实验得到验证。     

双向AC/DC容错变换器模型预测直接功率控制

双向交直流变换器的故障容错运行能力可有效提高其可靠性。综合考虑双向变换器直流侧电压调节及变换器容错运行控制,本文提出一种双有源桥(DAB)级联容错三相四开关变换器(FSTP)的两级式结构及其四矢量下的模型预测功率控制策略。当变换器桥臂发生故障时,前级DAB结构可提高直流电压,后级FSTP结构能够保证变换器的可持续容错连续运行。与传统无容错变换器方案相比,本文所设计的结构及控制方法能够升高直流电压且具有故障容错运行能力,保证双向交直流变换器在桥臂故障下能够持续可靠运行。通过与传统无容错变换器的仿真及实验对比,验证了本文所设计的结构及控制策略的有效性和可靠性。     

应用于高频辅助变流器的DBSRC变换器IGBT开路故障分析及容错运行研究

随着电力电子技术的进步,以双向全桥串联谐振变换器(dual bridge series resonant DC-DC converter, DBSRC)为核心的新一代高频车载辅助变流器发展迅速,并逐步走向实用化。为了提高基于DBSRC变换器的高频辅助变流器的可靠性,首先利用模态分析法(operation mode analysis, OMA)对移相闭环控制下DBSRC发生IGBT开路故障展开研究,分析并阐明了DBSRC输入、输出侧故障后的运行机理及特性。其次,提出一种基于输出功率调整的高频车载辅助变流器容错运行策略,在不改变DBSRC拓扑及移相控制方法的条件下通过实时监测辅助变流器输入电压并动态调节辅助变流器的输出功率,将谐振电流应力及谐振电容电压应力限制在安全阈值内,实现容错运行。最后通过仿真与实验对故障特性分析的准确性与该容错运行策略的有效性进行验证。     

基于四相全桥的磁悬浮轴承开关器件开路故障容错控制策略

功率半导体开关器件的开路故障是主动磁悬浮轴承系统失效的一个主要原因。为了保障主动磁悬浮轴承在高速旋转场合安全可靠运行,该文在功率放大器容错控制方面,针对四相全桥拓扑提出一种开关器件开路故障容错控制策略。首先从四相四桥臂工作原理出发,分析了四相全桥拓扑的两种工作模式对磁轴承的作用力和控制效果相同,可利用该特性进行功放容错设计;然后基于电流差分控制的特点给出了判断开路故障的条件,并提出相应的容错控制策略,即一旦四相全桥拓扑正常模式下的开关器件发生开路故障,在几百微秒内将检测到故障的发生,并立即切换至冗余模式下工作,以达到故障不停机的目的;最后仿真与实验结果表明故障检测时间和位移波动范围均保证了切换过渡过程中磁轴承的悬浮,证明了该容错控制策略在四相全桥拓扑上的可行性。     

新型三相容错逆变器研究

功率变换器中电力电子器件及其驱动电路是最易发生故障的薄弱环节,为提高系统可靠性,提出一种新型容错逆变器。通过在每个桥臂上串联快速熔断器,实现短路故障转换为开路故障,同时实现所在支路的故障隔离。通过在传统逆变器的直流环节添加辅助单元,实现逆变器发生单上开关管开路故障、单下开关管开路故障和一个桥臂上下两开关管同时开路故障时的容错运行,并且不降低系统性能。详细阐述该容错逆变器拓扑的工作原理和动作模式。对提出的新型容错逆变器驱动三相无刷直流电机进行仿真和实验,结果验证了电路结构和理论分析的正确性与可行性。     

整流器主电路开路故障诊断及容错控制研究

针对牵引变流器故障中较常见的开关管开路故障,提出一种故障诊断和容错控制新方法,可在不增加传感器的基础上,准确、迅速地诊断/定位任意开关管开路故障,并在此基础上,实施所提出的新型容错控制方案,使得变流器在任一开关管开路情况下,仍能保持全功率运行。其中,诊断/定位方法无需增加任何传感器,利用变流器控制所必须采集的输入和输出电压信号作为参考量,诊断过程与控制触发信号及负载变化无关;容错控制方案需增加5组外部开关,改变变流器与变压器绕组的连接方式,在不改动原有设备的基础上,保障容错控制目标,新加入的开关工作在零电压零电流条件下。通过试验样机和测试结果验证了理论分析的有效性。     

基于复合重复控制的LCL型三相四开关有源电力滤波器

三相四开关有源电力滤波器TF-APF(three-phase four-switch active power filter)作为一种容错拓扑,能够在容错状态下运行,有效抑制谐波电流,其研究对于电力电子功率器件及系统可靠性运行具有重要意义;采用LCL型输出滤波器能进一步提高TF-APF中开关次高频谐波的滤波效果,提高补偿精度。针对LCL三阶系统的谐振峰问题,采用一种电容电流反馈的控制策略,有效抑制谐振峰,提升系统稳定性与可靠性;为提高系统对指令电流跟踪的稳态特性与动态特性,采用一种复合重复控制策略,以实现对TF-APF指令电流的精准、快速跟踪控制。基于Matlab仿真实验,验证了所提基于复合重复控制的LCL型TF-APF系统的可行性与有效性。     

并网变换器电流重构模型预测容错控制

当传统并网变换器发生桥臂故障时,通过连接故障相到直流侧电容中点,重构为三相四开关容错运行结构。针对三相四开关容错变换器的交流电流传感器故障问题,提出了一种基于电流重构的模型预测功率控制方法。首先,利用采样的直流电流和正常交流传感器信息,并根据变换器电压矢量与电流关系重新构造出三相电流。其次,建立容错变换器功率预测模型,利用重构电流参与容错变换器的模型预测控制,应用使代价函数取得最小值的开关矢量。最后,搭建仿真和实验平台进行验证,结果表明所提控制策略有效,输出功率稳定,实现了并网变换器在桥臂和传感器双重故障下的容错运行,提高了系统的可靠性。     

链式STATCOM冗余容错过程的开关暂态分析

功率模块的冗余容错控制对链式静止同步补偿器(STATCOM)可靠性的提高非常关键.冗余容错包括故障容错和异常容错2种,而目前多采用理想模型来描述系统冗余容错过程,不能很好地体现这2种情况中的开关暂态过程.提出了一种电路等效模型,综合考虑了接触器励磁回路、电弧放电等因素的影响,建立冗余容错过程中的开关暂态数学模型,并通过理论分析和试验对比理想模型和所提模型.对比结果表明,所提模型可以更准确地描述系统冗余容错过程中的开关暂态过程.     

容错型三相四开关有源电力滤波器及其控制策略

有源电力滤波器(APF)多基于三相六开关拓扑,为提高其运行可靠性,提出一种基于元件冗余的三相四开关容错型APF。针对三相六开关APF的故障判别,应用功率器件承受电压变化识别桥路开路故障;研究了基于谐波检测APF补偿算法与控制电源电流跟踪电网电压APF补偿算法的关系,指出容错型APF切换控制中更适合采用电源电流直接跟踪补偿算法;在三相四开关APF数学模型基础上,研究了直流母线中点偏移对三相四开关APF补偿性能的影响,提出一种直流中点电压差值前馈补偿方法。扩展了配置直流侧储能的情况下,容错型APF的有功调节实现方法;设计了APF容错控制切换策略和硬件实现的电流滞环跟踪控制电路,在建立的三相四开关APF平台上,实验验证了所提方法的有效性。     

Design and Analysis of Fault Diagnosis and Fault-tolerant Control for a Class of MIMO Nonlinear State Systems

This paper presents a fault diagnosis and fault-tolerant control algorithm, which can be used for a class of multi-input multi-output (MIMO) nonlinear state systems. First, a state estimator is proposed, which is able to detect fault occurrence, by using a residual signal. Second, when the state is at an abnormal condition, the fault-tolerant control will be triggered to minimize the impact of the fault occurrence. This fault-tolerant control is designed by using a robust controller (original controller), and an on-line approximator to capture a nonlinear function that indicates the fault occurrence. The detailed analysis is given for the proposed fault accommodation control.     

用于VSC-HVDC系统的模块化直串式直流耗能装置

柔性直流输电(VSC-HVDC)因其所具备的长距离输电损耗低而易于实现故障隔离与穿越、独立控制有功与无功等优势,使得其在海上风电并网领域具备极大的应用前景.为了实现海上风电VSC-HVDC系统的故障穿越,在对比分析现有耗能装置方案的基础上,提出一种经济型模块化直串式直流耗能装置拓扑.该拓扑结合了集中式耗能电阻户外散热和分布式模块自取能、软开关控制的优势,解决了拓扑中功率器件异步通断造成的子模块电压持续攀升的可控放电难题.详述了所提拓扑的详细工作状态与控制策略,并通过模块样机实验及等效最小系统实验验证了所提拓扑的可行性与子模块可控放电控制逻辑.通过RTDS实验验证了模块化直串式直流耗能装置能够实现系统的平滑故障穿越.     

Fixed-time fault-tolerant control of uncertain MIMO switched interconnected systems subject to state delay,unknown control directions,and quantized nonlinear inputs

This paper investigates design of an adaptive fixed-time fault-tolerant decentralized controller for a class of uncertain multi-input multi-output (MIMO) switched large-scale non-strict interconnected systems under arbitrary switching subject to unknown control directions, quantized nonlinear inputs, actuator failures unknown external disturbances, and unmodeled dynamics. In addition to interconnected terms, time-varying delayed interconnected terms have been considered in the system model which makes it more general than previous works in the literature. The proposed controller can handle switched systems with unknown switching signal and different types of input nonlinearities including, saturation, backlash, and dead-zone. The singularity problem in designing the fixed time controller has been solved. The quantizer and actuators fault parameters are assumed to be unknown. The Razumikhin lemma has been used to deal with the delayed interconnected terms. To cope with the system unknown dynamics, neural networks (NNs) have been applied and by updating the maximum norms of the networks weight vectors the computational load has been reduced. The explosion of complexity occurring in the traditional back-stepping technique has been avoided by applying dynamic surface control (DSC). Finally, by defining an appropriate common Lyapunov function (CLF), fixed-time convergence of system outputs and the closed-loop system stability have been established. The effectiveness of the proposed controller has been shown via simulation study.     

多相电驱重构型车载充电系统绕组开路故障诊断与容错控制

电动汽车(EV)用电驱重构型车载充电系统(EDROC)因其突出的商业价值成为国内外学者的研究焦点。文中针对六相EDROC充电模式中单相绕组开路故障条件下的故障诊断与容错控制进行研究。首先,介绍了六相EDROC的电路拓扑与基本工作原理;其次,针对绕组开路故障问题,提出一种简单易行的故障诊断方法,包括故障检测与故障定位两个环节,分别通过判断电流矢量的角度变化率与绕组电流平均极性实现;然后,研究了系统单相开路故障下的容错控制,通过重新分配绕组电流幅值与相位,实现网侧电流平衡与无旋转磁场;最后,搭建了实验平台,实验结果验证了所提故障诊断方法与容错控制的正确性。