故障条件下电能质量调节器的强欠驱动特性与容错控制研究

Based on the existing research achievement of "underactuated system modeling and control", for lack of "system modeling theory considering power semiconductor device fault", "controllability criterion of fault-tolerant system with complex topology" and "generic fault-tolerant controller design methods" in power quality conditioner research field, the project applies "underactuated system theory" to the power quality conditioner fault-tolerant control system. "Strong underactuated property" is deeply studied on the basis of system modeling of power quality conditioner considering power semiconductor device fault. In combination with existing fault diagnosis methods, the comprehensive evaluation system of power electronic system is constructed and high real-time diagnosis method is proposed. Moreover, based on the rank condition of lie algebra for underactuated system, the judging method for controllability of fault-tolerant power quality conditioner is developed in order to improve fundamental theory issues of power electronics. With the help of diffeomorphism coordinates transformation and cascade system control of underactuated system theory, for fault-tolerant control design of power quality conditioner, a universal generic control system design theory is presented so as to reduce the blindness of controller design. The semi-physical simulation research platform of power quality control based on dSPACE is constructed so that the validity of the proposed theory is verified. From the novel viewpoint of "strong underactuated property", fault-tolerant control of power quality conditioner is researched in the project in order to improve system reliability and survival ability at emergency moment; meanwhile, the expected research achievement has reference meaning to other power electronic systems.

本项目以"欠驱动系统建模与控制"等前期工作为基础，针对电能质量调节器"模型建立未考虑开关器件故障状态"、"复杂拓扑容错系统能控性难于判定"和"容错控制缺乏系统化设计方法"等问题，将欠驱动系统理论应用于电能质量调节器容错控制中。在计及功率器件故障的电能质量调节器数学模型基础上，深入探究故障条件下系统的"强欠驱动特性"。综合现有故障诊断算法，建立电力电子系统故障诊断评价体系，并提出高实时性诊断方法。基于欠驱动系统李代数秩条件，研究电能质量调节器容错系统的能控性判定方法。以欠驱动系统微分同胚坐标变换和级联系统控制为基础，针对电能质量调节器容错控制问题，提出规范化控制系统设计理论。建立电能质量控制半实物仿真研究平台，以验证所提理论的有效性。本项目将以"强欠驱动特性"为新视角，对电能质量调节器的容错控制问题展开研究，以提高系统可靠性和应急时刻的生存能力，相关研究成果对于其它电力电子系统具有借鉴意义。

本项目针对功率开关器件故障后电能质量调节器的故障诊断与容错控制问题展开研究。针对复杂电网故障（电网含有直流电压分量、发生不对称故障以及严重畸变），提出了一种将相序解耦控制器和改进二阶广义积分器相结合的锁相方法，以应用于电能质量调节器的电网同步中。提出了一种应用于有源电力滤波器的双陷波开关频率滤波器，其兼具LCL滤波器、LLCL滤波器和多调谐陷波滤波器的特点，优化了谐波抑制性能。针对三相四开关有源电力滤波器，提出了一种复合重复控制器，并采用改进电容电流反馈的控制方法有效抑制了谐振峰，具有无阻尼损耗和不影响高频滤波特性的优点，可提高系统的稳定性与可靠性。针对有源电力滤波器中IGBT容易损坏和现有开路故障诊断方法诊断时间长、鲁棒性差的特点，提出了一种基于电流残差的故障诊断方案。同时，对于复杂拓扑结构的中点钳位式三电平静止同步补偿器，针对功率开关管开路故障诊断问题，提出了一种基于模型切换的故障建模方法，建立了考虑开关器件开路故障的实时仿真模型，提出了一种时域和频域故障特征相结合的故障诊断策略。在容错控制方面，针对有源电力滤波器功率开关器件故障后的容错拓扑，提出了一种三相四开关空间矢量脉宽调制优化算法，有效解决了三相四开关有源电力滤波器直流侧中点电位的波动问题，同时提出了基于反馈线性化的非线性控制方法，实现了指令电流的零稳态误差跟踪。此外，本项目还将研究成果和研究对象进一步扩展到电力牵引变流器中，分析了三电平逆变器开环时各开关管开路对输出电压的影响，以此为基础提出了一种可应用于三电平逆变器闭环控制系统的开路故障诊断方法，并给出了三相八开关容错型三电平逆变器的调制和控制方案。本项目较好完成了预期研究内容和目标，研究成果对提高电能质量调节器的系统可靠性和应急时刻生存能力具有重要意义。