本文是一篇电气工程论文，本文以单传感电压源型逆变器为研究对象，以RCSVPWM方法与模型预测控制方法实现了对逆变器的控制，同时实现了相电流的准确重构，更为单电流传感器逆变器开路故障诊断提供了准确的电流信息，经过仿真和实物实验验证了所提策略的可行性及有效性。
第一章 绪论
1.1 选题背景与意义
随着新能源汽车技术持续进步和智能化电力系统不断发展，电动汽车、风力发电、光伏发电等产业都取得了良好的前景，为电压源型逆变器的应用提供了广阔的市场空间。在新能源汽车交流电机驱动方面，两电平电压源型逆变器作为核心设备，其性能和控制策略直接影响到电机的运行效率和稳定性，同时，随着电力系统的智能化，两电平电压源型逆变器需要具备更强的故障诊断能力，以应对复杂多变的运行环境，如图1-1所示。
电压源型逆变器一般采用矢量控制方法，对于交流电机驱动系统，矢量控制可精确控制电机交流输出侧电流，并实现对电机转矩和磁通的独立调节，从而提高电机的运行效率和性能[1-5]。在电力系统并网中，矢量控制可以优化逆变器的并网过程，提高电流质量，降低谐波污染，增强系统的稳定性和可靠性[6-9]。准确的三相电流信息是矢量控制的核心[10-16]，考虑到实际工业应用领域需要对逆变系统的体积、重量大小和成本高低严格把控，电压源型逆变器通常需要在交流输出侧放置三个电流传感器获取电流信息并检测电流质量，进而控制其运行状态，以确保系统的安全和稳定，而多个传感器的使用不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能由于多传感器之间性能的不一致和相互干扰而降低系统的可靠性。
1.2 电压源型逆变器控制策略研究现状
随着现代电力电子技术的飞速发展，高效、精确、智能的控制策略成为了推动各个领域技术进步的关键力量。电力电子技术的革新不仅提高了电力转换与传输的效率，也为电压源型逆变器控制策略的创新与应用提供了更广阔的空间。常见的电压源型逆变器控制策略有正弦脉宽调制 、空间矢量脉冲宽度调制、模型预测控制、无差拍控制、直接转矩控制等。
（1）正弦脉宽调制
文献[17]针对传统SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）提出了新的载波峰值位置调制方案，突破了调制指数的限制，采用三角载波的峰值位置延迟或提前的方式以避免零状态，该方法下共模电压峰值可以明显降低，从而降低电机轴的峰值电压水平。文献[18]基于SPWM方法利用小信号扰动法将非线性系统变换为线性系统，推导出了调制器与逆变器之间的传递函数，解决了非线性系统的线性控制问题。
（2）空间矢量脉冲宽度调制
文献[19]针对相电流传感器故障容错控制，提出了改进十二扇区空间矢量脉宽调制的三相逆变器相电流重构方法，与传统SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）方法相比，所提出方法可以降低相电流谐波，且可适用于低成本、小尺寸的容错系统。文献[20]提出有效且低成本的广义随机脉冲位置空间矢量脉宽调制方法，在每个载波周期随机选择一个设计良好的载波模式，该方法可以显著地分散占主导的PWM谐波，但开关功率损耗略有增加。文献[21]提出了改进的SVPWM有源滤波器控制策略，定义了有效时间，取消了扇区识别步骤，简化了矢量作用时间的计算，进而减少了数字处理器的计算量。文献[22]针对传统SVPWM对于过调制区域控制的实现需要大量计算及查表的问题，提出了基于逻辑判断的过调制脉宽调制方法，通过实验证明该方法具有输出电压谐波含量低的优点。
第二章 基于空间矢量脉宽调制的相电流重构策略
2.1 交流电机电压源型逆变器系统拓扑
本文中交流电机电压源型逆变器系统拓扑由直流输入侧、电压源型逆变器和交流输出侧组成，如图2-1所示。图中直流输出侧包含直流侧电压Udc，母线电容C1和C2，O点为零电位参考点，直流母线电流idc以及直流母线电流传感器。电压源型逆变器为两电平三相六开关逆变器，其由6个功率开关管及6个反并联二极管组成，各相桥臂开关器件的开关信号由变量Si(i{a，b，c})表示，上桥臂导通时用Si=1表示，下桥臂导通时用Si=0来表示。交流输出侧移除了三相电流传感器，仅包含感应电机负载。
2.2 SVPWM工作原理
根据两电平逆变器上下桥臂的导通与关断可发现逆变器共有8种开关状态(Sa Sb Sc)，即(100)、(110)、(101)、(011)、(001)、(010)、(111)和(000)。其中在(111)和(000)开关状态时，两电平逆变器输出为零，其余状态输出有效电压，即定义空间电压矢量ui(Sa Sb Sc)，i{0,1,2,3,4,5,6,7}对应表示8个不同的开关状态，将u7和u0定义为零电压矢量，u1、u2、u3、u4、u5和u6定义为有效电压矢量，在三相坐标系下进行矢量合成可发现各有效电压矢量之间相角相差60°且|ui|=2Udc/3，因此可将空间电压矢量平面划分成六个扇区，各扇区内包括正常区域、扇区边界区域、低调制区域和过调制区域，如图2-2所示。
第三章 基于反向互补空间矢量脉宽调制的相电流重构策略 ........................... 29
3.1 RCSVPWM工作原理 ........................................... 29
3.2 RCSVPWM相电流重构原理 .............................. 32
第四章 基于单电流传感器的电压源型逆变器故障诊断策略 ........................... 47
4.1 电压源型逆变器故障下的电压矢量分析 .......................... 47
4.2 平均电流矢量故障诊断 .................................... 50
第五章 基于模型预测控制的相电流重构策略 ................. 57
5.1 电压源型并网逆变器系统拓扑 ................................ 57
5.2 模型预测电流控制原理 .................................... 59
第五章 基于模型预测控制的相电流重构策略
5.1 电压源型并网逆变器系统拓扑
电压源型并网逆变器系统拓扑如图5-1所示，其中Udc为直流侧电压，C1和C2为母线电容，S1和S2分别为a相上、下桥臂的功率开关管，S3456依次同理，L为滤波电感，R为线路损耗电阻，ea、eb、ec为交流测并网电压，ia、ib、ic为输出侧三相电流，n为并网中性点。
在两电平并网逆变器系统中，传统电流测量的方法为在交流测放置3个电流传感器，可分别测量出ia、ib、ic，为降低成本及器件空间占用率，可取消第三相电流传感器的放置，采用基尔霍夫电流定律在已知两相电流ia、ib的前提下计算第三相电流ic。本系统拓扑在直流母线初放置单电流传感器以替代交流测电流传感器，根据矢量控制原理及模型预测控制方法，在不同电压矢量作用时，流经直流母线处的电流可代表交流测电流且大小方向均不相同，进而为单电流传感器相电流重构的可行性提供了理论依据。
第六章 结论与展望
6.1 结论
交流电机电压源型逆变器系统和电压源型并网逆变器系统运行的过程中，为保证逆变器稳定运行，需在直流输出侧或交流输出侧放置电流传感器实时检测电流，而多传感器存在维护成本过高以及参数不一的问题，为此对单传感器逆变器电流重构方法进行了研究。
针对交流电机电压源型逆变器系统提出了基于RCSVPWM方法的相电流重构策略，解决了SVPWM方法下由于不可观测区域的影响导致重构电流存在畸变的问题，并基于RCSVPWM方法通过单传感器实现了逆变器功率开关管开路故障的故障诊断。针对电压源型并网逆变器系统，提出了基于模型预测控制的单传感器相电流重构策略，实现了并网逆变器多矢量控制及三相电流重构。通过软件仿真和实物实验证明了以上所提策略的可行性和有效性，以下为研究结论：
（1）根据SVPWM方法下不可观测区域分析，定义了最小采样时间Tmin，为解决扇区边界处不可观测区域影响的问题，分析了RCSVPWM工作原理，确定反向互补矢量在单一载周期内替换零矢量进行脉宽调制的可行性，同时确保了PWM波形的对称性。设计了RCSVPWM直流母线采样策略，通过判断前后扇区进行生成采样脉冲，在反向互补矢量的替换下使得采样窗口时长始终大于Tmin，进而在单传感器下准确重构了三相电流，同时实现了全新调制方式下的异步感应电机控制。在不同工作状态下，重构电流的误差绝对值保持在0A到0.45A的范围内，重构电流总谐波失真为SVPWM重构策略下的28%，可体现较高的电流质量，并为重构电流的应用提供可靠的电流信息。
（2）提出了单电流传感器电压源型逆变器故障诊断策略，通过分析各类故障下电流流向和故障矢量的合成，区分了不同功率开关管故障时电流矢量相角，设计特定功率开关管开路故障，并根据RCSVPWM重构策略得到开路故障后的重构三相电流电流，对故障后重构电流进行Park变换，同时在一个电流周期内求其平均值，进而得到两相坐标系下平均电流矢量，最后通过数学计算得到平均电流矢量模值及相角，二者与电流矢量相角同时作为诊断判据，用于实现电流重构策略单电流传感器下逆变器的开路故障诊断。实验表明诊断时间为5个载波周期，即0.5ms，实现了功率开关管开路故障的快速定位。
参考文献（略）
