摘要
在光伏发电和风力发电系统中，电力变换器是实现能量变换的核心部分，其故障会影响整个发电系统的正常运行，带来不容忽视的安全问题和经济损失。因此，提高电力变换器的可靠性成为了当前的研究热点。本文以T型三电平逆变器、T型三电平逆变器两机并联系统、T型三电平有源电力滤波器（ActivePowerFilter,APF）三个基于T型三电平变换器的系统作为研究对象，基于有限控制集模型预测控制（FiniteControlSetModelPredictiveControl,FCS-MPC）方法，研究了系统的单个开关器件发生开路故障后的软件容错控制策略，提高了系统的可靠性，拓展了FCS-MPC在容错控制中的应用。论文的主要工作和创新点如下： 首先，本文介绍了T型三电平变换器系统的基本工作原理，包括系统的拓扑结构展示以及变换器的输出矢量分析。构建了系统的LCL型滤波器和中点电压的离散化数学模型，以及参考值的数学表达。对T型三电平变换器水平器件和垂直器件开路故障的机侧电流和输出矢量进行了理论分析，得到了水平故障和垂直故障需区别设计容错控制的结论。给出了故障运行中健康状态和非健康状态的判断准则，为后续的研究内容提供了充足的理论基础。 其次，针对T型三电平逆变器的健康状态和非健康状态，分别设计了无权重FCS-MPC和有限控制集优化的顺序模型预测控制（SequentialModelPredictiveControl,SMPC）。无权重FCS-MPC采用了中点电压输出矢量表并寻找参考输出矢量对应的扇区，对中点电压进行了简化控制。有限控制集优化SMPC对有限控制集进行了简化和重构，实现了水平器件开路故障的容错。相比于传统的FCS-MPC，上述两种所提出的方法均能减小权重数的试探时间和算法的计算量。容错控制的有效性在仿真和实验分析中得到了验证。 再次，针对T型三电平逆变器并联系统的无故障状态，通过分析系统的零序环流（Zero-SequenceCirculationCurrent,ZSCC）模型，并基于有限控制集优化SMPC的原理提出了一种伪三层SMPC，保证了无故障下的网侧电流质量和ZSCC的抑制。借助故障下网侧和机侧的仿真波形，分析了垂直器件的开路故障下数学建模的不精确性。基于仿真分析，设计了一种基于缺相控制的SMPC，解决了故障条件下建模不精确性，实现了并联系统的近似容错控制。容错控制的有效性在实验分析中得到了验证。 最后，针对T型三电平APF，基于其拓扑结构分析和谐波提取方法，并根据其在无故障、水平故障、垂直故障的三种条件下的运行特性，提出了一种自适应直流母线电压控制方法，可以保证任何条件下具有充足的调制范围。根据有限控制集优化SMPC的原理，设计了三层SMPC和权重数优化SMPC两种容错控制，均能实现有源电力滤波器任意开关器件开路故障的容错控制。另外，权重数优化SMPC能够自适应输出权重数，在宏观上体现出权重数的非整数特性，让控制效果更加灵活。容错控制的有效性在实验分析中得到了验证。
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