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摘 要

本文分析了中点箝位型三电平逆变器的工作原理，研究了空间电压矢量调制策略，完成了容错控制策略的设计。对多电平逆变器的发展做了梳理。深入研究了空间电压矢量调制策略，分析了电压输出状态对于电容中点电压的影响。研究了故障对于逆变器的影响，发现开路故障可能会使输出电平发生突变，短路故障可能造成电容直通。提出了利用冗余电压矢量进行容错的控制策略，对不同故障的情况提出了相应的容错控制策略。利用Matlab/Simulink，采用空间电压矢量调制策略对逆变器进行了仿真，仿真的结果说明利用冗余电压矢量实现容错控制策略是有可能的，还对比分析了故障情况下和正常情况下输出电压电流的波形。采用DSP和FPGA控制的硬件平台进行了逆变器的实验，实验的结果验证了容错控制策略的可行性，在故障情况下，逆变器能有三种容错工作模式可以继续工作。

关键词：中点箝位型三电平逆变器，空间电压矢量调制，容错

Design of Fault-Tolerant Control Strategies of Three-Level Neutral-Point Clamped Inverter

Abstract

In this thesis, the working principle of three-level neutral-point clamped inverter was analyzed. The space vector modulation strategy was investigated and the fault-tolerant control strategies were designed.The development of multi-level inverter was arranged. The space vector modulation strategy was deeply investigated. The influence of voltage output state on capacitor midpoint voltage was analyzed. The impact of faults to the inverter was investigated. It was found that open fault can cause the change of output level and short circuit can cause the straight connect of capacitor. The fault-tolerant control strategies using redundant voltage vector were proposed. The fault-tolerant control strategies were proposed according to the different fault conditions. The simulation of inverter was completed using space vector modulation strategy in Matlab/Simulink. The results of simulation showed that the fault-tolerant control strategies using redundant voltage vector were possible. The voltage and current waveforms were analyzed under fault conditions and normal condition. The experiments were conducted using DSP and FPGA controlled hardware platform. The results of experiment verified the feasibility of fault-tolerant control strategies. The inverter continued to work in three working modes under fault conditions.

KEY WORDS: three-level neutral-point clamped inverter, space vector modulation strategy, fault-tolerant

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 多电平逆变器PWM控制技术的研究 2

第2章 空间电压矢量调制策略的研究 3

2.1 空间电压调制策略的原理 3

2.2 电压输出状态对中点电压的影响 4

2.3 空间电压矢量的实现 6

2.3.1 电压矢量区域判断 6

2.3.2 电压矢量作用时间的计算 7

2.3.3 开关序列的分配 7

第3章 容错控制策略的研究 10

3.1 容错控制策略的说明 10

3.2 有源中点箝位型三电平逆变器工作分析 10

3.3 故障对逆变器的影响分析 12

3.4 容错控制策略的说明 14

第4章 仿真结果的说明 18

4.1 仿真电路的介绍说明 18

4.2 仿真结果 18

4.3 仿真得到的结论 25

第5章 实验说明 26

5.1 实验装置的说明 26

5.1.1 DSP的介绍 26

5.1.2 FPGA的介绍 26

5.2 实验过程 26

5.3 实验结果的说明 27

5.4 实验结论 29

第6章 结论及不足 31

致谢 32

参考文献（References） 33

绪论

背景

多电平逆变器的产生是以直流输电、电力有源滤波器、无功功率补偿等电力系统应用发展的需要，高压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需要，以及世界性的能源危机和由于环境污染引起的对节能环保技术的关注为背景的。^[1]

现有的电力系统存在着许许多多的问题，比如市电电网就存在着电压波动闪变、谐波过大、电流谐波过大等问题，采用灵活交流输电系统，可以有效治理电力系统的无功与谐波污染，提高电能的质量，使电力系统高效、稳定地运行。灵活交流输电系统的一个关键就是采用高压大功率多电平逆变器。另外，在传统工业技术改造的场合，高压大功率交流电动机变频调速技术也逐渐取代直流电动机调速技术占据主导地位，交流电动机调速系统可以节能，提高生产效率。而两电平逆变器由于存在一些缺点，例如开关频率低，逆变效率低，所以不适用于高压大功率的情况，但是多电平逆变器就可以很好地达到逆变效果。可以采用一种直接改变逆变器自身结构或者用H桥直接串联叠加的方法的高压大功率多电平逆变器，这样可以不用升压变压器和降压变压器，也不需要均压电路，使得系统更加简单、损耗减少、效率增加。我国发电的很大一部分用于驱动电动机做功，而绝大部分的电动机都是交流电动机，这些电机中许多都是采用直接转矩拖动，每年会造成很大的电能浪费，如果采用交流电机调速技术，就能很大程度上的节约电能，因此，研究和发展用于交流电机变频调速系统的多电平逆变技术是很有必要的。

经过许多年的研究和发展，目前已经形成了一些典型的多电平逆变器的主电路结构形式。从原理上可以将这些主电路结构形式可以分为两大类：一类是箝位式的半桥结构形式，其中包括二极管箝位、飞跨电容箝位、二极管飞跨电容混合箝位和通用箝位式半桥结构形式；另一类是利用单相全桥逆变器通过直接串联叠加而成的级联式结构形式^[1]。

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