单相电压源多电平逆变器滞环SVPWM可重构容错控制方法

单相电压源多电平逆变器滞环svpwm可重构容错控制方法
技术领域
1.本发明涉及输配电技术领域，尤其涉及一种单相电压源多电平逆变器滞环svpwm可重构容错控制方法。


背景技术：

2.电流跟踪型多电平逆变器在光伏并网、中高压电力系统有源滤波和无功补偿等场合广泛应用；随着太阳能电池等技术的发展和成本的降低，采用多个独立直流电源的多电平逆变结构具有经济性强的特点；电平数的增加有利于提高逆变器输出电压等级，符合目前比较流行的“硅进铜退”的设计理念。
3.然而，由于多电平逆变器中的功率开关器件数量相对较多，因此发生故障的几率也会大很多。一旦发生故障，如果不采取容错控制，将会对电网和负载造成很大冲击。
4.多电平逆变器的容错控制方法可以分为硬件法和软件法2类。硬件法通常需要在多电平逆变器拓扑结构中增加备用单元或其它辅助模块，在此基础上实现容错控制。文献“reconfigurable multilevel inverter with fault-tolerant ability”在级联逆变器的负载侧增加了一个附加模块，该结构可以根据不同故障模式，灵活的进行结构重组，实现故障容错。
5.软件法不需要改变多电平逆变器的拓扑结构，而是通过控制算法实现容错控制；能够节约硬件成本，简化系统结构。主要包括以下3种：
6.一是屏蔽故障单元，并降容量运行。该类方法比较适合级联逆变器。为了保证三相输出电压的对称性，除了短接故障单元外，通常还将另外两相中与故障单元相对应的非故障单元也屏蔽。因此部分非故障单元没能得到充分利用，存在硬件资源的浪费。文献“a new fault-tolerant strategy based on a modified selective harmonic technique for three-phase multilevel converters with a single faulty cell”以七电平级联逆变器为例，证明该类容错方法中，逆变器输出线电压幅值由故障前的5.19v
dc
，下降到故障后的3.46v
dc
，其中v
dc
为级联单元直流侧电压。
7.二是中性点偏移法，其实质是注入一个基本零序电压，该方法可以在仅旁路故障单元的情况下获得最大的对称线电压；但中性点偏移法容易引起低次电压谐波升高。文献“control method for cascaded h-bridge inverter with faulty cells based on differential pwm”提出一种差补调制方式，在实现容错运行的同时，还可以降低由中性点偏移引起的电压谐波。然而，当负载功率因数较低时，注入的零序电压可能导致实际功率回流，造成直流侧电压升高，甚至超出设定的范围。
8.三是调整逆变器直流侧电压值。文献“fault-tolerant design and control strategy for cascaded h-bridge multilevel converter-based statcom”通过升高故障相中级联单元的直流侧电压，使该相输出电压最大值与故障前相同；文献“a new fault-tolerant strategy for a cascaded h-bridge based statcom”将逆变器故障相直流侧电压升高至原来的2n/(2n-1)倍，并采用一个改进的shepwm方法，实现故障容错运行的同
时，还能选择性消除低次电压谐波。但该类容错方法仅适用于直流电压可控的场合；而且会导致电力电子器件电压应力增大。为此，文献“fault-tolerant operation of a battery-energy-storage system based on a multilevel cascade pwm converter with star configuration”和“a fault-tolerant strategy based on fundamental phase-shift compensation for three-phase multilevel converters with quasi-z-source networks with discontinuous input current”提出中性点偏移和直流侧电压调整相结合的容错控制方法，可以减小故障状态下电力电子器件承受的电压应力。该类方法中，逆变器直流侧电压的升高会引起电压矢量的空间位置发生变化，使电压矢量的选取算法变的更加复杂。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种单相电压源多电平逆变器滞环svpwm可重构容错控制方法，实现对单相电压源多电平逆变器的容错控制。
10.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：单相电压源多电平逆变器滞环svpwm可重构容错控制方法，包括以下步骤：
11.步骤1、构建单相多电平电压源逆变器；
12.所述单相多电平电压源逆变器由2个独立的直流电源和9组功率开关器件t
1-t9组成；其中，3组开关器件t5、t8和t9采用单相桥式不可控整流模块，并将igbt置于整流桥直流侧；逆变器开关状态和电压空间矢量见表1，其中，u
ab
为逆变器输出相电压，e为直流电源电压；逆变器共有17个开关状态和电压空间矢量，输出3e、2e、e、0、-e、-2e、-3e共7种电平；
13.表1逆变器开关状态与电压矢量
14.[0015][0016]
步骤2、将逆变器的跟踪误差控制在滞环范围内；
[0017]
首先利用滞环比较确定逆变器电流跟踪误差
△
i＝i
*-i，其中，i
*
为参考电流，i为实际电流；然后通过合理选取逆变器电压矢量将跟踪误差降低到滞环范围内；三阶滞环宽度分别为h、2h和3h；非故障状态下的电压矢量选取方法见表2；故障状态下，还需要将非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量进行等效替代，即进行容错控制；
[0018]
非故障状态下分别选取电压空间矢量v1、v4、v5、v6、v
13
、v
14
和v
15
来产生3e、2e、e、0、-e、-2e、-3e 7种电平；即每个电平只保留1种逆变器开关状态；此时，开关器件t6和t7仅在容错控制时参与工作；
[0019]
表2非故障状态下滞环控制方法
[0020]
跟踪误差电压矢量u
ab
△
i＞3hv
15
～v
17
3e2h＜
△
i≤3hv
14
2eh＜
△
i≤2hv
13
e-h≤
△
i≤hv6～v
12
0-2h≤
△
i＜-hv
5-e-3h≤
△
i＜-2hv
4-2e
△
i＜-3hv1～v
3-3e
[0021]
当逆变器中的某一个或几个igbt发生开路故障时，一些电压矢量会受到故障影响，成为故障矢量，如表3所示，其中“√”表示故障对该电压矢量无影响；
“×”
表示有影响，即该电压矢量变成故障矢量；
[0022]
表3单管开路故障对逆变器的影响
[0023]
矢量t1t2t3t4t5t6t7t8t9u
abv1
√
××
√√√√√√-3ev2√√
×
√√
×
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×‑
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×
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××
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×
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0v
10
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×
√√√
×
√
×
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11
√√√
×
√√
××
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12
√√√√√√√
××
0v
13
√√√
××
√√
×
√ev
14
×
√√√
×
√√√
×
2ev
15
×
√√
×
√√√√√3ev
16
×
√√√√√
×
√
×
3ev
17
√√√
×
√
×
√
×
√3e
[0024]
步骤3、当故障发生前非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量为非故障矢量时，该电压矢量即为逆变器最终输出矢量；当选取的电压矢量为故障矢量时，则需要进行电压矢量替代；
[0025]
(1)逆变器发生单管开路故障下的电压矢量进行替代；
[0026]
在非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量中，不会受到故障影响的电压矢量继续使用，无需替代；受到该故障影响的电压矢量如果有与其电平值相同的电压矢量，则使用电平值相同的电压矢量进行等效替代，替代前后逆变器输出电平相同；而如果没有与其电平值完全相同的电压矢量可选择，选择电平方向相同、大小小于设定阈值的矢量进行替代；即当h＜
△
i≤2h和2h＜
△
i≤3h时，均选取矢量v
13
；或者当2h＜
△
i≤3h和
△
i＞3h时，均选取矢量v
17
；
[0027]
(2)逆变器发生双管开路故障下的电压矢量进行替代；
[0028]
当逆变器发生双管开路故障时，能够输出至少1个正电平、零电平和负电平，则通过电压矢量替代进行容错控制；当逆变器发生双管开路故障时，如果输出端缺少正电平或缺少负电平，无法通过逆变器拓扑结构重构和电压矢量替代实现容错控制，则执行步骤4；
[0029]
步骤4、进行滞环svpwm可重构容错控制；根据电流跟踪误差合理选取有效电压矢量，优先选择位置重合的冗余电压矢量进行等效替代；如果没有位置重合的冗余电压矢量，则选择位置和作用效果最接近的其它非故障矢量，控制逆变器实际输出电流的升降，从而跟踪参考电流，实现容错控制。
[0030]
当故障发生前非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量为非故障矢量时，该电压矢量即为逆变器最终输出矢量；当选取的电压矢量为故障矢量时，则需要进行电压矢量替代；逆变器单管开路和双管开路故障下的电压矢量替代方法如表4-5所示；
[0031]
表4单管开路故障下逆变器电压矢量替代表
[0032][0033]
表5双管开路故障下逆变器电压矢量替代表
[0034][0035][0036]
其中，单管开路故障包括9种，双管开路故障包括36种；“√”表示故障对该电压矢量无影响，不需要替代；表5中，写“无”的情况就是“当逆变器发生双管开路故障时，如果输出端缺少正电平或缺少负电平，无法通过逆变器拓扑结构重构和电压矢量替代实现容错控
制。
[0037]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种单相电压源多电平逆变器滞环svpwm可重构容错控制方法，结合了硬件和软件容错控制方法的优势，当功率单管和双管故障发生时，利用拓扑结构重构和冗余电压矢量等效替代的方法实现容错控制。该方法优先选择位置重合的冗余电压矢量进行等效替代，如果没有重合矢量，则选择位置和作用效果最接近的其它矢量，从而实现容错控制。该方法可以在逆变器单管和大多数双管开路故障情况下，保证逆变器继续稳定工作，能够较准确的跟踪参考电流值。该容错方法不需要逆变器主、备用开关器件单元的投切操作，可以省去投切过程中所需的附加开关器件，具有操作简单、稳定性高的优点。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例提供的单相多电平电压源逆变器主电路的结构拓扑图；
[0039]
图2为本发明实施例提供的各开关均正常及t1开路故障时对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为各开关正常，(b)为t1开路故障；
[0040]
图3为本发明实施例提供的逆变器滞环电流跟踪控制方法框图；
[0041]
图4为本发明实施例提供的t2和t3开路故障对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为t2开路故障，(b)为t3开路故障；
[0042]
图5为本发明实施例提供的t4和t5开路故障对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为t4开路故障，(b)为t5开路故障；
[0043]
图6为本发明实施例提供的t6和t7开路故障对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为t6开路故障，(b)为t7开路故障；
[0044]
图7为本发明实施例提供的t8和t9开路故障对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为t8开路故障，(b)为t9开路故障；
[0045]
图8为本发明实施例提供的t1和t2、t1和t7故障时对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为t1和t2开路同时故障，(b)为t1和t7开路同时故障；
[0046]
图9为本发明实施例提供的t4和t5、t4和t8故障时对电压矢量的影响示意图，其中，(a)为t4和t5开路同时故障，(b)为t4和t8开路同时故障；
[0047]
图10为本发明实施例提供的开关管均正常时的电压、电流波形图；
[0048]
图11为本发明实施例提供的正常时的电流thd图；
[0049]
图12为本发明实施例提供的t1故障时的电压、电流波形图；
[0050]
图13为本发明实施例提供的t1故障时的电流thd图；
[0051]
图14为本发明实施例提供的t1故障经容错后的电压、电流波形图；
[0052]
图15为本发明实施例提供的t1故障经容错后的电流thd图；
[0053]
图16为本发明实施例提供的t5故障经容错后的电压、电流波形图；
[0054]
图17为本发明实施例提供的t5故障经容错后的电流thd图；
[0055]
图18为本发明实施例提供的t1和t2同时故障经容错后的电压、电流波形图；
[0056]
图19为本发明实施例提供的t1和t2同时故障经容错后的电压、电流波形图；
[0057]
图20为本发明实施例提供的t1和t2同时故障经容错后的电流thd图；
[0058]
图21为本发明实施例提供的t4和t5同时故障经容错后的电压、电流波形图；
[0059]
图22为本发明实施例提供的t4和t5同时故障经容错后的电流thd图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0061]
本实施例中，单相电压源多电平逆变器滞环svpwm可重构容错控制方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤1、构建单相多电平电压源逆变器；
[0063]
本实施例中，单相多电平电压源逆变器如图1所示，由2个独立的直流电源和9组功率开关器件t
1-t9组成。其中，3组开关器件t5、t8和t9采用常用的单相桥式不可控整流模块，并将igbt置于整流桥直流侧；逆变器开关状态和电压空间矢量见表1，其中，u
ab
为逆变器输出相电压，e为直流电源电压；电压矢量的空间位置见图2(a)，逆变器共有17个开关状态和电压空间矢量，输出3e、2e、e、0、-e、-2e、-3e共7种电平；故障状态下，可以通过拓扑结构重构产生冗余电压矢量，为容错控制算法奠定基础。
[0064]
表1逆变器开关状态与电压矢量
[0065][0066][0067]
步骤2、将逆变器的跟踪误差控制在滞环范围内；
[0068]
本实施例中，逆变器滞环电流跟踪控制如图3所示，首先利用滞环比较确定逆变器电流跟踪误差
△
i＝i
*-i，其中，i
*
为参考电流，i为实际电流；然后通过合理选取逆变器电压矢量将跟踪误差降低到滞环范围内；三阶滞环宽度分别为h、2h和3h；非故障状态下的电压矢量选取方法见表2；故障状态下，还需要将非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量进行等效替代，即进行容错控制；
[0069]
为了简化算法，非故障状态下分别选取电压空间矢量v1、v4、v5、v6、v
13
、v
14
和v
15
来产生3e、2e、e、0、-e、-2e、-3e 7种电平；即每个电平只保留1种逆变器开关状态；此时，开关器件t6和t7仅在容错控制时参与工作；
[0070]
表2非故障状态下滞环控制方法
[0071][0072][0073]
当逆变器中的某一个或几个igbt发生开路故障时，一些电压矢量会受到故障影响，成为故障矢量；如表3所示，其中“√”表示故障对该电压矢量无影响；
“×”
表示有影响，即该电压矢量变成故障矢量；
[0074]
由表3可知，当t1～t9中的某1个发生开路故障时，逆变器均可以输出至少1个正电平、零电平和负电平；即理论上仍可以控制负载电流升高和降低，只是可供选择的电压矢量和输出电平数减少了；
[0075]
图2(b)、图4～图7给出了单管开路故障下逆变器电压矢量空间分布图。图8和图9以t1和t2、t1和t7、t4和t5、t4和t8故障为例进行双管开路故障分析。其中，虚线代表故障矢量，需要进行电压矢量替代；实线代表非故障矢量，不需要进行电压矢量替代。
[0076]
表3单管开路故障对逆变器的影响
[0077]
矢量t1t2t3t4t5t6t7t8t9u
abv1
√
××
√√√√√√-3ev2√√
×
√√
×
√√
×‑
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×
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××
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×
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×
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××
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×
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14
×
√√√
×
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×
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15
×
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×
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16
×
√√√√√
×
√
×
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17
√√√
×
√
×
√
×
√3e
[0078]
步骤3、当故障发生前非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量为非故障矢量时，该电压矢量即为逆变器最终输出矢量；当选取的电压矢量为故障矢量时，则需要进行电压矢量替代；
[0079]
(1)逆变器发生单管开路故障下的电压矢量进行替代；
[0080]
在非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量中，不会受到故障影响的电压矢量继续使用，无需替代；受到该故障影响的电压矢量如果有与其电平值相同的电压矢量，则使用电平值相同的电压矢量进行等效替代，替代前后逆变器输出电平相同；而如果没有与其电平值完全相同的电压矢量可选择，选择电平方向相同、大小小于设定阈值的矢量进行替代；即当h＜
△
i≤2h和2h＜
△
i≤3h时，均选取矢量v
13
；或者当2h＜
△
i≤3h和
△
i＞3h时，均选取矢量v
17
。
[0081]
(2)逆变器发生双管开路故障下的电压矢量进行替代；
[0082]
当逆变器发生双管开路故障时，能够输出至少1个正电平、零电平和负电平，则通过电压矢量替代进行容错控制；当逆变器发生双管开路故障时，如果输出端缺少正电平或缺少负电平，无法通过逆变器拓扑结构重构和电压矢量替代实现容错控制，则执行步骤4；
[0083]
步骤4、进行滞环svpwm可重构容错控制；根据电流跟踪误差合理选取有效电压矢量，优先选择位置重合的冗余电压矢量进行等效替代；如果没有重合的非故障矢量，则选择位置和作用效果最接近的其它非故障矢量，控制逆变器实际输出电流的升降，从而跟踪参考电流，实现容错控制。
[0084]
如图2(a)和表3所示，当故障发生前非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的电压矢量为非故障矢量时，该电压矢量即为逆变器最终输出矢量；当选取的电压矢量为故障矢量时，则需要进行电压矢量替代。表4-5给出了逆变器单管开路和双管开路故障下的电压矢量替代方法；其中，单管开路故障包括9种，双管开路故障包括36种；“√”表示故障对该电压矢量无影响，不需要替代。表中，写“无”的情况就是“当逆变器发生双管开路故障时，如果输出端缺少正电平或缺少负电平，无法通过逆变器拓扑结构重构和电压矢量替代实现容错控制。
[0085]
表4单管开路故障下逆变器电压矢量替代表
[0086][0087][0088]
表5双管开路故障下逆变器电压矢量替代表
[0089][0090]
本实施例以t1单管开路故障为例，容错运行状态下逆变器只能输出3e、e、0、-e、-2e、-3e 6个电平，输出电平数由正常时的7种变为6种。在非故障状态下的电流跟踪控制算法选取的v1、v4、v5、v6、v
13
、v
14
和v
15
7个电压矢量中，v1、v4、v5和v
13
不会受到该故障的影响，可
以继续使用，无需替代；v6、v
14
和v
15
会受到该故障的影响，需要替代；其中，v6和v
15
分别可以采用电压矢量v7和v
17
进行等效替代，替代前后逆变器输出电平相同；而v
14
则没有电平值完全相同的电压矢量可选择，为了简化算法，选择电平方向相同、大小相近的矢量v
13
或v
17
替代；即当h＜
△
i≤2h和2h＜
△
i≤3h时，均选取矢量v
13
；或者当2h＜
△
i≤3h和
△
i＞3h时，均选取矢量v
17
。
[0091]
当逆变器发生双管开路故障时，9组igbt可以出现36种双管故障排列组合形式。经过分析可知，其中30种双管故障情况下，逆变器均可以输出至少1个正电平、零电平和负电平，可通过电压矢量替代进行容错控制。此外，当t1和t4、t1和t8、t4和t9同时发生故障时，逆变器输出端会缺少正电平；当t2和t3、t2和t9、t3和t8同时出现故障时，缺少负电平。上述6种情况均无法通过逆变器拓扑结构重构和电压矢量替代实现容错控制。
[0092]
这样，就能够在表4和表5的基础上根据电流跟踪误差合理选取有效电压矢量，控制逆变器实际输出电流的升降，从而跟踪参考电流，实现容错控制。
[0093]
本实施例为验证本发明方法的正确性和有效性，搭建系统实验平台进行验证与分析；系统参数如下：逆变器直流侧2个电源电压分别为24v和12v；输出端电感为5mh，电阻为5ω，参考电流为幅值4a的正弦波，每阶滞环宽度h为0.1a。逆变器功率开关器件igbt型号为bsm50gb120dn2；电力二极管采用单相整流桥mdq60-1600v；驱动电路采用落木源集成igbt驱动模块da962d6；系统主控芯片采用32位dsp tms320f28335；逆变器死区时间设置4.27μs；实验中示波器型号为ds1052e，电能质量分析仪为hioki pw3198；
[0094]
图10为非故障状态下，逆变器输出电压和电流波形图，图11为对应的电流thd图。由图10和11可见，当所有开关器件均正常时，逆变器输出的电压波形和电流波形均按正弦规律变化；此时的输出电压为7电平，输出电流能够准确跟踪参考值，电流谐波畸变率为1.48％。
[0095]
本实施例还分别对单管开路故障和双管开路故障进行分析；其中，单管开路故障分析如下：
[0096]
分别将逆变器中的t1～t9逐一断开，产生每个igbt发生开路故障时的状态。由于故障情况较多，本实施例仅以t1单管故障为例，如图12和13所示。单管故障时对应的容错方法波形如图14和图15所示。
[0097]
由图12-13可见，当t1发生开路故障时，逆变器输出电平将缺少3e、2e和0电平；而负半轴中的3个电平-e、-2e和-3e不受影响。因此，输出电流波形在正半轴部分明显出现了不规则变化，而负半轴波形部分基本没有受到影响；此时电流畸变率高达52.5％。
[0098]
由图14-15中的t1故障容错运行波形可知，通过冗余电压矢量代替后，逆变器输出电平数升至六电平，输出电流波形恢复正常，正弦度较好，容错运行状态下的电流谐波畸变率为1.53％，稍高于非故障状态。
[0099]
同理可得t5故障容错时的情况，如图16-17所示，此时的输出电流谐波畸变率为1.72％。其它单管开路故障这里不再重复叙述。
[0100]
通过上述分析可知，在单管开路故障状态下，利用基于电压矢量替代的容错控制方法，可以保证逆变器输出电流较准确的跟踪参考电流，电流谐波总畸变率相比于故障前稍有提高。这是由于电压矢量替代的过程中，逆变器输出电平误差导致电流跟踪误差的升高。
[0101]
双管开路故障分析如下：
[0102]
本实施例的双管故障状态仅以t1和t2同时发生故障时为例，故障波形如图18所示。当t1和t2同时发生故障时，逆变器的输出电平数由故障前的7种降为2种；由于绝大多数输出电平的丢失，使得逆变器无法正常跟踪参考电流，输出电压和电流也出现了明显不规则变化。
[0103]
该双管故障经过容错控制之后的逆变器输出电压、电流及其畸变率见图19-20。由图可见，经过容错控制后，逆变器输出电流基本恢复正常，正弦度较好，电流谐波畸变率为1.59％。同理可得t4和t5双管故障时的容错运行情况，如图21-22所示，此时的输出电流正弦度较好，电流谐波畸变率为1.63％。
[0104]
经过上述分析可知，在上述双管开路故障状态下，利用容错控制方法，均可以保证逆变器输出电流较准确的跟踪参考电流，电流谐波畸变率相比故障前稍有提高。
[0105]
综上所述，当逆变器发生单管开路或双管开路故障时，该容错控制方法可以保证逆变器较准确的跟踪参考电流，即保证系统继续稳定运行。
[0106]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。