CN109067214A - 基于等轴补偿比的十二扇区两电平pwm整流器容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制的方法，根据故障开关管位置，确定十二个扇区中受故障开关管影响的扇区和故障前后基本电压矢量的变化；确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况确定三相开关管的导通时间；将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成容错控制。本发明能够对出现故障的扇区进行精准补偿，对单管故障和多管故障均能实现。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制的方法，属于功率变换与控制领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，三相PWM整流器具有正弦化的输入电流、能量双向流动、可调的直流电压等特点，在海上风力发电、新能源电动汽车等中、大功率场合领域得到广泛应用。由于多数情况下整流器需要在恶劣的工业环境下长时间不间断工作，再加上功率开关管的不可靠性、控制不当等因素，导致整流器故障不可避免。为了避免重大事故和减少故障停机时间，尽可能恢复故障前的性能，必须要对系统进行容错控制。
现有的三相两电平PWM整流器容错方式分为硬件容错控制和软件容错控制两大类，其中软件容错的方式能够当开关管发生故障时，通过改变系统运行策略和控制参数对故障进行容错处理，不需要改变系统现有硬件布局和添加冗余部件，仅利用原系统未故障器件就可以最大程度恢复到故障前的运行状态。申请号为201510277790.2的专利提出了三相桥式PWM整流器的容错控制方法，通过修正开关模式，对参考压矢量实现修正，实现整流器的容错运行，无需额外元件。上述方法并未对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，并且在多个故障矢量共同影响的扇区，补偿比例并未达到最优，仅研究了单管以及双管故障。论文《基于NCAV和电路等效替换的PWM整流器容错控制系统》提出了基于等效电路的PWM整流器的容错控制方法，该方法也没有对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，并且在多个故障矢量共同影响的扇区，并未进行补偿，仅研究了单管故障。论文《一种基于空间矢量控制的整流器容错控制方法》提出了一种基于空间矢量的整流器容错控制方法，该方法没有建立统一的扇区划分函数，无法实现对多个桥臂开关管故障进行容错控制，仅研究了a相桥臂的单管故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，能够精准地对开关管故障所影响扇区进行补偿，并且对单管故障、双管故障、三管故障均能实现补偿。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据计算值N与实际扇区编号之间的关系，进行十二扇区的划分；
步骤2、根据故障开关管位置，确定十二个扇区中受故障开关管影响的扇区和故障前后基本电压矢量的变化；
步骤3、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；
步骤4、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，基于等轴补偿比的方法调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；
步骤5、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况确定三相开关管的导通时间；
步骤6、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成容错控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用十二扇区划分方式，能够将开关管故障所影响的扇区准确划分开来；2)本发明采用基于等轴补偿比的补偿方式，在保证参考旋转矢量Vref *的β轴分量相等的同时进行了α轴的补偿，降低了三相电流畸变率；3)本发明能够实现对单管故障、双管故障、三管故障在同一个扇区划分方式下进行精准容错控制。
附图说明
图1是本发明直驱式风力发电机机侧变流器系统拓扑及其故障容错控制方法控制框图。
图2是本发明三相两电平PWM整流器主电路拓扑示意图。
图3是本发明基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法的流程图。
图4是本发明三相两电平PWM整流器正常情况下以及容错情况下α、β两相静止坐标系中的基本空间电压矢量图。
图5是本发明三相两电平PWM整流器S1管故障前后扇区Ⅶ电压矢量合成图。
图6是本发明三相两电平PWM整流器S1管故障前后扇区Ⅲ电压矢量合成图。
图7是本发明三相两电平PWM整流器S1管故障前后扇区Ⅷ电压矢量合成图。
图8是本发明三相两电平PWM整流器S1、S3双管故障前后扇区V电压矢量合成图。
图9是本发明三相两电平PWM整流器S1、S6双管故障前后扇区Ⅲ电压矢量合成图。
图10是本发明三相两电平PWM整流器S1、S6双管故障前后扇区Ⅶ电压矢量合成图。
图11是本发明三相两电平PWM整流器S1管容错后扇区Ⅶ、S1管容错后扇区Ⅲ、S1管容错后扇区Ⅷ以及S1、S3双管容错后扇区V单周期PWM生成图。
图12是本发明三相两电平PWM整流器S1管正常运行、故障运行、容错运行三种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。
图13是本发明三相两电平PWM整流器S1、S4双管正常运行、故障运行、容错运行三种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。
图14是本发明三相两电平PWM整流器S1、S3双管正常运行、故障运行、容错运行三种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。
图15是本发明三相两电平PWM整流器S1、S3、S5三管正常运行、故障运行、容错运行三种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。
图16是本发明三相两电平PWM整流器S1管正常运行、故障运行、容错运行三种状态下发电机转速波形图。
图中标号说明：S1～S6三相两电平PWM整流器中6个功率开关管，D1～D6三相两电平PWM整流器6个续流二极管，F1～F6三相两电平PWM整流器6个热熔丝，La,Lb,Lc为发电机定子绕组等效电感，Ua,Ub,Uc为发电机等效电压源。C为直流侧滤波电容。三相电流ia,ib,ic为永磁同步发电机产生的三相电流，vw为自然风速大小，ωm为永磁同步发电机角速度，θ为三相电流电角度，id,iq为dq两相旋转坐标系下的电流给定值，为dq两相旋转坐标系下的电流反馈值，为电机转矩反馈值，为α、β两相静止坐标系下的参考电压电网电压。tf为S1发生故障的时刻，tcom为对S1进行容错控制的时刻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。
图1是永磁直驱式风力发电机机侧变流器系统拓扑及其故障容错控制方法控制框图，图2给出了三相两电平PWM整流器主电路拓扑示意图，将发电机侧等效为电压源Ua,Ub,Uc和定子电感La,Lb,Lc。在实际应用当中，功率开关管和与其反并联的二极管同时发生故障的概率极小，所以本发明只考虑功率开关管发生故障，默认与其反并联的二极管仍正常工作。当图二中的功率开关管(S1～S6)发生故障时，因为短路故障可以由串联的热熔丝(F1～F6)转化为开路故障，其他故障也可结合故障诊断算法通过封闭故障开关管驱动脉冲信号将故障转化为开路故障，所以本发明只考虑开路故障。
针对上述线路拓扑，本发明基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法的流程如图3所示，步骤如下：
步骤1、根据计算值N与实际扇区编号之间的关系，进行十二扇区的划分，具体方法为：
定义六个变量：
并定义符号函数：
式中，i＝A，B，C，D，E，F。
令N＝sign(A)+sign(B)+2sign(C)+2sign(D)+4sign(E)+3sign(F)
通过表1可以确定计算值N与实际扇区编号之间存在的对应关系
表1计算值N与扇区对应关系
| 计算值N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 扇区编号 | Ⅷ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅶ | Ⅳ | IX | XII | Ⅰ | X | Ⅵ | Ⅴ | Ⅺ |
根据α、β两相静止坐标系下的参考电压分量确定旋转参考矢量Vref *，，如图4所示，当旋转参考矢量Vref *旋转一周，计算值N的变化顺序为：8→4→2→1→3→6→5→9→11→12→10→7→8，即实际扇区编号的变化顺序，确定十二扇区的划分，可以据此定位旋转参考矢量Vref *所在的位置以及受故障开关管影响的扇区，提高容错控制算法在每个扇区控制效果的准确性。
步骤2、根据故障开关管位置，确定十二个扇区中受故障开关管影响的扇区和故障前后基本电压矢量的变化，具体按照表2确定在十二个扇区中受故障开关管影响的扇区，根据表3确定开关管故障前后基本电压矢量即故障零矢量和有效矢量的变化情况。
表2单个开关管故障对应的受影响扇区
表中，灰色部分表示扇区受故障开关管影响，白色部分表示扇区不受故障开关管影响。
表3单个开关管故障前后电压矢量变化表
将同一桥臂的上下开关状态设为互补的，即同一桥臂上桥臂导通则下桥臂必须关断，将这个状态记为1，同理，将同一桥臂上桥臂关闭，下桥臂导通的状态记为0。三个桥臂在同桥臂互补的前提下，有8种开关状态组合，“000”、“100”、“110”、“010”、“011”、“001”、“101”、“111”对应八个矢量，其中包括六个有效矢量和两个零矢量。
步骤3、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间，具体方法为：
首先，定义中间变量为：
式中，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量，Udc为直流侧输出电压，Ts为采样周期；
然后，根据表4确定各扇区基本电压矢量中有效矢量的作用时间T1和T2；
表4扇区与基本电压矢量作用时间关系
接着，根据有效矢量的作用时间T1和T2计算基本电压矢量中零矢量的作用时间T0＝Ts-T1-T2；
最后，进行过调制判断，即在计算出两非零基本电压矢量的作用时间后要判断两时间之和是否大于采样周期，若大于采样周期会造成输出电压严重失真，需要对两时间进行重新分配，其分配原则为：
则合成参考电压旋转矢量Vref *的比例系数为：
即：
步骤4、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，基于等轴补偿比的方法调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间，具体方法为：
对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，用正常零矢量代替故障零矢量。对于S1管故障影响的扇区，即设置正常零矢量的作用时间为T0，实现该扇区的容错控制，T0为故障前零矢量的作用时间；
对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即设置正常有效矢量作用时间T1+T2，实现该扇区的容错控制，T1和T2为故障前两个有效矢量的作用时间；
对于零矢量同时故障的扇区，由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量Vref *输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制；
对于多个故障矢量共同影响且零矢量同时故障的扇区，由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量Vref *输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制。
为了便于理解技术方案，下面结合附图介绍上述方法。
对于不受故障矢量影响的扇区，参考电压旋转矢量以S1管故障扇区Ⅶ电压矢量合成进行为例，如图5所示。
对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区，用正常零矢量代替故障零矢量以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。以S1管故障扇区Ⅲ电压矢量合成进行为例，如图6所示。通过重新定义时间变量即可实现用正常零矢量(V0)代替故障零矢量(V7)，正常时参考电压旋转矢量为故障后参考电压旋转矢量变为为进行容错控制之后的参考电压旋转矢量为可实现该扇区的容错控制。
对于仅受单个故障开关管作用且多个故障电压矢量共同影响的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。以S1管故障扇区Ⅷ电压矢量合成进行为例，如图7所示。通过重新定义时间变量即可在受影响的扇区内实现基于等β轴分量原则容错控制，实现对故障后参考电压旋转矢量的部分补偿。正常时参考电压旋转矢量Vref *为开关管发生故障后参考电压旋转矢量Vref *变为进行容错控制之后的参考电压旋转矢量为可实现该扇区的容错控制。
对于多个故障矢量共同影响且零矢量V0、V7没有同时故障的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。以S1、S3双管故障扇区Ⅴ电压矢量合成进行为例，如图8所示。通过重新定义时间变量即可在受影响的扇区内实现基于等β轴分量原则容错控制，实现对故障后参考电压旋转矢量的部分补偿。正常时参考电压旋转矢量Vref *为开关管发生故障后参考电压旋转矢量Vref *变为进行容错控制之后的参考电压旋转矢量为可实现该扇区的容错控制。
当多个开关管发生开路故障时，对于仅有零矢量V0、V7同时故障的扇区。由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量Vref *输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制。以S1、S6双管故障扇区Ⅲ电压矢量合成进行为例，如图9所示。正常时参考电压旋转矢量Vref *为开关管发生故障后参考电压旋转矢量Vref *变为
当多个开关管发生开路故障时，对于多个故障矢量共同影响且零矢量V0、V7同时故障的扇区。由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量Vref *输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制。以S1、S6双管故障扇区Ⅶ电压矢量合成进行为例，如图10所示。正常时参考电压旋转矢量Vref *为开关管发生故障后量Vref *变为
步骤5、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况确定三相开关管的导通时间，具体方法为：
首选，对于不受故障矢量影响的扇区，定义三相开关管的导通时间为：
式中，Ts为采样周期，T1和T2为有效矢量的作用时间；
对于仅零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，重新定义Ta,Tb,Tc；
故障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：
故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：
对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，重新定义Ta,Tb,Tc；
障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：
故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：
然后，根据表5确定各扇区的开关时间；
表5不同扇区的开关时间分配关系
步骤6、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成容错控制，具体方法为：将开关管导通时间与周期为采样周期的等腰三角形波进行调制，采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则来确定矢量的作用顺序，即可得到PWM脉冲。将输出的6路PWM脉冲脉冲作用于IGBT驱动电路，驱动电路驱动相应的开关管开通与关断，完成容错控制。
本发明通过提出十二扇区划分方式对单管故障、双管故障、三管故障在同一个扇区划分方式下进行精准容错控制。该方案通过重构控制器SVPWM算法，简单容易实现，无需增加额外的硬件成本。提出基于等轴补偿比的补偿方式在保证参考旋转矢量Vref *的β轴分量相等并进行了α轴的补偿，能较好地改善故障情况下的三相电流THD(总谐波畸变率)，减小发电机侧转速波动，提升系统性能和可靠性。
实施例1
本实施例以单管故障S1来说明，当S1管发生短路故障时，将由热熔丝将其转化成开路故障，当S1发生开路故障时，根据表6对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况说明容错方法。
表6 S1开关管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S1管故障情况下，对于电压矢量变化仅受零矢量影响的扇区(如扇区Ⅲ、扇区Ⅳ等)，用正常零矢量V0代替故障零矢量V7以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于多个故障电压矢量共同影响的扇区(如扇区Ⅴ、扇区Ⅷ)，正常零矢量V0代替故障零矢量V7，并计算参考电压旋转矢量Vref *β轴上分量，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。当其他单个开关管发生故障时均采用这种容错方法进行容错。
实施例2
当两个开关管同时发生故障，将分为以下四种情况：
a、同一桥臂的两个上下两个开关管同时发生故障；
b、不同桥臂的两个上管同时发生故障；
c、不同桥臂的两个下管同时发生故障；
d、不同桥臂的一个上管，一个下管发生故障。
由于短路故障可以通过热熔丝转化为开路故障，其他故障诊断之后也可以通过关断控制器实现将开关管故障转化为开路故障，这里均以开路故障进行说明。
对于情况a，以A相桥臂上下开关管S1、S4同时故障进行说明。通过表2可知S1、S4开关管故障所影响的扇区互补，且A相电流作用极性范围也互补，可把这种情况看做两个单管故障进行容错控制，根据表7对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况来说明容错方法。
表7 S1、S4双管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S1、S4双管故障情况下，对于电压矢量变化仅受零矢量影响的扇区(如扇区Ⅰ、扇区Ⅳ等)，在A相电流极性为正时，用正常零矢量V7代替故障零矢量V0以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *；在A相电流极性为负时，用正常零矢量V0代替故障零矢量V7以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于多个故障电压矢量共同影响的扇区(如扇区Ⅴ、扇区Ⅷ等)，考虑A相电流极性，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。同一桥臂的两个上下两个开关管同时发生故障均采用这种容错方法进行容错。
对于情况b，以A相、B相两个桥臂上管S1、S3同时故障进行说明。通过表2可知S1、S3开关管故障所影响的扇区有部分重合，按照扇区对每个扇区进行容错分析，根据表8对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况来说明容错方法。
表8 S1、S3双管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S1、S3双管故障情况下，对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区(如扇区Ⅲ、扇区Ⅵ等)，用正常零矢量V0代替故障零矢量V7以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于仅受单个故障开关管作用且多个故障电压矢量共同影响的扇区(如扇区Ⅰ、扇区Ⅷ)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。对于同时受两个开关管故障影响扇区(如扇区Ⅴ、扇区X)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。不同桥臂的两个上管同时发生故障时均采用这种容错方法进行容错。
对于情况c，以A相、B相两个桥臂下管S4、S6同时故障进行说明。通过表2可知S4、S6开关管故障所影响的扇区有部分重合，按照扇区对每个扇区进行容错分析，根据表9对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况来说明容错方法。
表9 S4、S6双管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S4、S6双管故障情况下，对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区(如扇区Ⅰ、扇区Ⅲ等)，用正常零矢量V7代替故障零矢量V0以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于仅受单个故障开关管作用且多个故障电压矢量共同影响的扇区(如扇区Ⅳ、扇区Ⅺ)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。对于同时受两个开关管故障影响扇区(如扇区Ⅱ、扇区Ⅶ)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。不同桥臂的两个下管同时发生故障时均采用这种容错方法进行容错。
对于情况d，以A相上桥臂开关管S1、B相下桥臂开关管S6同时故障进行说明。通过表2可知S1、S6开关管故障所影响的扇区有部分重合，按照扇区对每个扇区进行容错分析，根据表10对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况来说明容错方法。
表10 S1、S6双管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S1、S6双管故障情况下，对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区(如扇区Ⅰ、扇区Ⅱ等)，用正常零矢量代替故障零矢量以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于仅受单个故障开关管作用且多个故障电压矢量共同影响的扇区(如扇区Ⅴ、扇区Ⅶ)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。对于同时受两个开关管故障影响扇区(如扇区Ⅲ、扇区Ⅳ等)，由于同时缺失了零矢量V0、V7，无法调节占空比，无法恢复参考电压旋转矢量Vref *，在这些扇区无法进行容错控制。不同桥臂的一个上管，一个下管发生故障均采用这种容错方法进行容错。
实施例3
当三个开关管同时发生故障，将分为以下四种情况：
a、A相、B相、C相三个桥臂上管同时发生故障；
b、A相、B相、C相三个桥臂下管同时发生故障；
c、不同桥臂的两个上管，一个下管发生故障。
d、不同桥臂的一个上管，两个下管发生故障。
由于短路故障可以通过热熔丝转化为开路故障，其他故障诊断之后也可以通过关断控制器实现将开关管故障转化为开路故障，这里均以开路故障进行说明。
对于情况a，使用A相、B相、C相三个桥臂上管S1、S3、S5同时发生故障来说明，通过表2可知S1、S3、S5开关管同时故障所影响的扇区有部分重合，按照扇区对每个扇区进行容错分析，根据表11对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况来说明容错方法。
表11 S1、S3、S5三管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S1、S3、S5三管故障情况下，对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区(如扇区Ⅱ、扇区Ⅵ等)，用正常零矢量V0代替故障零矢量V7以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于同时受两个开关管故障影响且受多个故障矢量影响的扇区(如扇区Ⅴ、扇区X等)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。A相、B相、C相三个桥臂上管同时发生故障采用这种容错方法进行容错。
对于情况b，使用A相、B相、C相三个桥臂下管S4、S6、S2同时发生故障来说明，通过表2可知S4、S6、S2开关管同时故障所影响的扇区有部分重合，按照扇区对每个扇区进行容错分析，根据表12对比开关管正常、故障以及容错控制后零矢量和有效矢量的变化情况来说明容错方法。
表12 S4、S6、S2三管故障下单周期三种状态电压矢量对比
在S4、S6、S2三管故障情况下，对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区(如扇区Ⅰ、扇区Ⅲ等)，用正常零矢量V7代替故障零矢量V0以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于同时受两个开关管故障影响且受多个故障矢量影响的扇区(如扇区Ⅱ、扇区Ⅳ等)，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。A相、B相、C相三个桥臂下管同时发生故障采用这种容错方法进行容错。
对于情况c和d，通过表2可知三个开关管同时故障所影响的扇区有部分重合，且重合部分会导致两个零矢量V0、V7同时故障，无法调节占空比，无法恢复参考电压旋转矢量Vref *，在这些扇区无法进行容错控制。对于电压矢量变化仅受单个故障开关管作用且仅零矢量影响的扇区，用正常零矢量代替故障零矢量以实现完全补偿，基本恢复参考电压旋转矢量Vref *。对于同时受两个开关管故障影响且V0、V7没有同时故障的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即正常有效矢量作用时间T1+T2，实现部分补偿。同时采用DWPM(不连续脉宽调制)技术，基于对称原则和THD(总谐波畸变率)最低原则均匀分布电压矢量。不同桥臂的两个上管、一个下管同时发生故障和不同桥臂的一个上管、两个下管同时发生故障采用这种容错方法进行容错。
实施例4
当四个开关管或以上同时发生故障，由于故障开关管重合的扇区面积达到了总扇区面积的一半以上，且对于零矢量V0、V7同时故障的扇区无法进行容错控制，停止系统运行更换开关管。
Claims (8)
1.基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据计算值N与实际扇区编号之间的关系，进行十二扇区的划分；
步骤2、根据故障开关管位置，确定十二个扇区中受故障开关管影响的扇区和故障前后基本电压矢量的变化；
步骤3、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；
步骤4、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，基于等轴补偿比的方法调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；
步骤5、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况确定三相开关管的导通时间；
步骤6、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成容错控制。
2.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤1划分十二扇区的方法为：
定义六个变量：
式中，Uα、Uβ为α、β两相静止坐标系下的电压分量；
定义符号函数：
式中，i＝A，B，C，D，E，F；
令N＝sign(A)+sign(B)+2sign(C)+2sign(D)+4sign(E)+3sign(F)
通过表1可以确定计算值N与实际扇区编号之间存在的对应关系
表1 计算值N与扇区对应关系
根据α、β两相静止坐标系下的参考电压分量确定旋转参考矢量Vref *，当旋转参考矢量Vref *旋转一周，计算值N的变化顺序为：8→4→2→1→3→6→5→9→11→12→10→7→8，即实际扇区编号的变化顺序，确定十二扇区的划分。
3.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤2按照表2确定在十二个扇区中受故障开关管影响的扇区；
表2 单个开关管故障对应的受影响扇区
表中，灰色部分表示扇区受故障开关管影响，白色部分表示扇区不受故障开关管影响。
4.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤2根据表3确定开关管故障前后基本电压矢量即故障零矢量和有效矢量的变化情况；
表3 单个开关管故障前后电压矢量变化表
将同一桥臂的上下开关状态设为互补的，即同一桥臂上桥臂导通则下桥臂必须关断，将这个状态记为1，同理，将同一桥臂上桥臂关闭，下桥臂导通的状态记为0，三个桥臂在同桥臂互补的前提下，有8种开关状态组合，“000”、“100”、“110”、“010”、“011”、“001”、“101”、“111”对应八个基本电压矢量，其中包括六个有效矢量和两个零矢量。
5.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤3确定故障前各扇区基本电压矢量作用时间的具体方法为：
首先，定义中间变量为：
式中，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量，Udc为直流侧输出电压，Ts为采样周期；
然后，根据表4确定各扇区基本电压矢量中有效矢量的作用时间T1和T2；
表4 扇区与基本电压矢量作用时间关系
接着，根据有效矢量的作用时间T1和T2计算基本电压矢量中零矢量的作用时间T0＝Ts-T1-T2；
最后，进行过调制判断，即在计算出两非零基本电压矢量的作用时间后要判断两时间之和是否大于采样周期，若大于采样周期会造成输出电压严重失真，需要对两时间进行重新分配，其分配原则为：
6.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤4调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间的具体方法为：
对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，用正常零矢量代替故障零矢量，即设置正常零矢量的作用时间为T0，实现该扇区的容错控制，T0为故障前零矢量的作用时间；
对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量Vref *投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即设置正常有效矢量作用时间T1+T2，实现该扇区的容错控制，T1和T2为故障前两个有效矢量的作用时间；
对于零矢量同时故障的扇区，由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量Vref *输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制；
对于多个故障矢量共同影响且零矢量同时故障的扇区，由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量Vref *输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制。
7.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤5确定各扇区开关管导通时间的方法为：
首选，对于不受故障矢量影响的扇区，定义三相开关管的导通时间为：
式中，Ts为采样周期，T1和T2为有效矢量的作用时间；
对于仅零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，重新定义Ta,Tb,Tc；
故障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：
故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：
对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，重新定义Ta,Tb,Tc；
障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：
故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：
然后，根据表5确定各扇区的开关时间；
表5 不同扇区的开关时间分配关系
8.根据权利要求1所述的基于等轴补偿比的十二扇区两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤6中开关管导通时间与周期为采样周期的等腰三角形波进行调制，采用DWPM技术，基于对称原则和THD最低原则来确定矢量的作用顺序，即可得到PWM脉冲。
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