CN109905044A - 一种Vienna整流器的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Vienna整流器的容错控制方法，属于电能变换领域。本发明的方法主要包括整流器正常运行时算法、整流器故障时检测方法以及故障检测后基于故障位置的不同的容错控制方法，实现对故障发生时进行检测并且切换至容错，保证其能够在故障发生后运行一段时间，维持后级设备的工作稳定。本发明方法针对于整流器，由于应用于整流器容错控制以及检测方案很少，该方法为整流器的提供了一种新的故障检测以及容错策略。本发明无需改变电路的拓扑结构或添加传感器等故障检测器件，且控制算法较为简单，故障定位快速准确，能保证Vienna整流器在故障发生后稳定运行一段时间。

Description

一种Vienna整流器的容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于三相三电平三开关(Vienna)整流器的容错控制方法，属于电能变换领域。

背景技术

随着电动汽车、多电飞机等领域的快速发展，大功率用电设备的需求不断增长，三相大功率功率因数校正(PFC)整流器作为其中不可或缺的一部分也起到越来越重要的作用。其中三相三电平三开关(Vienna)整流器具有高效率、低谐波含量、高功率密度、低电压应力等优点，近年越来越受到工业界的青睐。

Vienna整流器作为有源功率因数校正装置，广泛应用于大功率设备，若发生故障，则会造成输入电流的畸变、输出电压的跌落等影响，严重时对设备产生永久性损害。目前，对于电路的容错控制通常针对逆变器，而对于整流器的容错控制研究较少，因此需要增加对整流器容错控制的研究。常用的容错控制方法包括硬件容错以及软件容错：硬件容错主要通过改变电路的拓扑、增加传感器等，这对于成本以及电路复杂度都是不利的；软件容错主要通过控制算法的冗余度进行控制，不同的软件控制策略与故障发生的具体位置有关，这又增加了软件算法的复杂度。

Vienna整流器常见的故障包括开关器件的短路故障以及开路故障：当发生短路故障时，电流出现大幅度的增加，此时可能对设备造成永久损毁；而当发生开路故障时，并不会造成大幅度的电流或电压跳变。由于Vienna整流器通常为后级的电路提供稳定的直流母线电压，而母线电压瞬态的大幅波动有可能影响后级变换器的正常工作，因此需要保证故障检测的快速性以及准确性同时保证容错控制的有效性。

发明内容

本发明的目的是为了实现Vienna整流器的故障诊断以及容错控制，解决开关管开路时电压、电流出现跳变的问题，并维持输出电压稳定一段时间，保证有足够的时间切换到备用电源。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采样整流器的三相输入电压信号、三相输入电流信号、输出电压信号和负载电流信号；

步骤二、将三相输入电压信号以及三相输入电流信号进行Park变换，由abc静止坐标系转换成dq旋转坐标系，并通过锁相环得出相角θ；

步骤三、将一个工频周期0～360°分为6个区间，并判断锁θ属于哪个区间；

步骤四、将输出电压参考值U_{dc_ref}减去采样得到的输出电压V_dc，得到输出电压与实际值之间的误差，将误差送入比例-积分调节器，并将该环节作为Vienna整流器的电压环；

步骤五、将电压环的输出作为d轴电流i_d的参考值i_{d_ref}，q轴电流i_q的参考值设定为0，分别将d轴和q轴电流实际值与参考值的误差送入比例-积分调节器，并将该环节作为Vienna整流器的电流环；

步骤六、将Vienna整流器电流环的输出经过Park变换以及Clark变换得到a、b、c三相电压的参考值V_a,ref、V_b,ref、V_c,ref，再分别向三相电压的参考值中加入零序分量V_offset，得到V_x,ref,offset；

步骤七、将V_x,ref,offset作为调制波与生成的载波进行交截，从而获得开关管的导通时间T_x,on；

步骤八、设立两个检测指标C_f、I_mag，

其中I_mag为正常运行时C_f的峰值，i_d和i_q为别为d轴和q轴电流实际值；i_{d_ref}和i_{q_ref}分别为d轴和q轴电流参考值；

步骤九、设定参数K，K的取值为0～1，定义故障标志位的初始值为“0”，若K×I_mag>C_f，则系统仍运行在正常模式下；

反之，若K×I_mag<C_f，则系统运行在故障模式下，故障标志位跳变为“1”。

步骤十、依据步骤三的区间划分，依据所述判断标准，对各区间分界点，即各区间故障检测角进行检测，从而判断系统在各区间是否处于故障状态。

步骤十一、对于故障区间，依据对应的矢量图，利用故障矢量的冗余矢量来代替故障矢量，在与故障区间相对的未故障区间，利用未故障矢量的冗余矢量去代替未故障的矢量，获得新的导通顺序以及占空比；

步骤十二、依据新的导通顺序以及占空比，得到新的导通时间，并确定容错状态下的新的注入分量V_offset，TC；

步骤十三、将得到的新的注入分量代替步骤六中的零序分量注入系统中，实现对系统的容错控制。

对上述技术方案的进一步设计为：所述步骤九中K取0.5。

所述步骤九中，设定故障检测计数值N，取值为0～M，若检测到K×I_mag<C_f的，则取N＝N+1，并再次进行检测，直至N达到极限值M，则故障标志位跳变为“1”，否则将N清零，故障标志为仍为“0”。

所述M取值为5。

所述步骤三中区间划分方法为，记[-30°,30°]为区间1，[30°,90°]为区间2，以此类推。

所述步骤十中各区间故障检测角θ_g分别取30°、90°、150°、210°、270°、330°。

所述步骤六中V_x,ref,offset的计算公式为：

V_x,ref,offset＝V_x,ref+V_offset(x＝a,b,c)

其中V_offset为偏置电压用于增加整流器的调制比，V_max、V_min为三相参考电压的V_x,ref最大值和最小值。

所述步骤七中导通时间T_x,on的计算公式为：

其中T_s为单个开关周期的时间。

所述步骤十二中新的注入分量的计算方法为：V_offse，TC＝±V_dc/2－V_x,ref(x＝a,b,c)。

本发明的有益效果为：

1、本发明所提出的容错控制方法中的故障检测相比于传统的故障检测方法不需要传感器等额外的硬件检测器件，也不需要通过神经网络训练等大规模占用软件资源的程序算法，实现较为简单。划分六个区间在每个区间设置检测点能够准确的定位故障发生的位置，相比于其他软件检测算法，提出的检测方法程序简单且定位准确快速能够保证后续容错控制的及时性以及快速性。

2、本发明所提出的容错控制相比传统的容错控制，只需在数字控制方面进行修改，无需增加额外的开关管、二极管等器件改变电路的拓扑，也无需通过熔断器等来实现对故障的容错控制，使得电路在正常运行情况下仍然能够保持Vienna整流器的运行特征以及优势。

2、本发明所提出的控制策略针对Vienna整流器，由于目前对于Vienna整流器的容错有效性方法几乎没有，主要的容错控制仍然针对逆变器以及其他两电平整流器，而Vienna整流器作为三相三电平整流器，该容错控制算法为其提供了一种可靠的方法，一定程度上填补了这方面的空白。

附图说明

图1是本发明的控制策略框图；

图2是本发明的六个区间划分标准，用于对于故障检测判定；

图3是故障发生时整个Vienna整流器故障矢量图，其中红色划线部分为失效矢量；

图4是Vienna整流器故障时的扇区1矢量图；

图5是Vienna整流器故障时的扇区2矢量图；

图6是Vienna整流器故障时的扇区6矢量图；

图7是对于扇区1，当开关管S₁发生故障时的占空比波形；

图8是故障检测算法的流程图。

图9是A相S₁发生故障后采用所提出的故障检测故障标志位跳变波形。

图10是A相S₁发生故障后采用所提出的容错控制后稳定运行波形。

图11是典型的载波和调制波交截波形的正半周调制结果。

图12是典型的载波和调制波交截波形的负半周调制结果。

图13为Vienna整流器电路图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1及图8所示为本发明Vienna整流器的故障容错控制算法以及故障检测算法的原理图，其中正常运行时控制步骤包括以下几个部分，本实施例例中变换器开关频率为200kHz，控制器的采样频率为100kHz：

1)数字控制器采样三相输入电压信号、三相输入电流信号、输出电压信号、负载电流信号。

2)将三相输入电压信号u_a，u_b，u_c以及三相输入电流信号i_a，i_b，i_c进行Park变换，由abc静止坐标系转换成dq旋转坐标系，从而通过锁相环得出相角θ。

3)将一个工频周期0～360°分为6个区间，记[-30°,30°]为区间1，[30°,90°]为区间2，以此类推(见附图2)，从而判断锁相环输出θ属于哪个区间，确定载波与调制波的交截方式，将调制波采用同相载波交截，当θ属于0～180°时即正弦载波为正半周，进行正向交截，当θ属于180～360°时即正弦载波为负半周，进行反向交截，如图11和图12所示。

4)将输出电压参考值U_{dc_ref}减去输出电压V_dc的采样值得到输出电压与实际值之间的误差，将输出电压误差送入比例-积分调节器，将该环节作为Vienna整流器的电压环。

5)将电压环的输出作为d轴电流i_d的参考值送入电流环，为实现整流器工作在功率因数为1的情况下，q轴电流i_q的参考值设定为0，分别将d轴和q轴电流实际值i_d、i_q与参考值i_{d_ref}、i_{q_ref}的误差送入比例-积分调节器，将该环节作为Vienna整流器的电流环。

6)将Vienna整流器电流环的输出经过Park变换以及Clark变换得到a、b、c三相电压的参考值V_a,ref、V_b,ref、V_c,ref，再将零序分量V_offset进行注入，从而实现等效SVPWM的控制：

V_x,ref,offset＝V_x,ref+V_offset(x＝a,b,c) (1)

其中V_offset为偏置电压用于增加整流器的调制比，V_max、V_min为三相参考电压的V_x,ref最大值和最小值。

7)将V_x,ref,offset作为调制波与生成的载波进行交截，从而获得开关管的导通时间T_x,on：

其中T_s为单个开关周期的时间。

8)将三相占空比输入给数字控制器的PWM模块，输出三相PWM驱动信号。

本发明提出的故障检测功能基于上述正常运行时的控制算法，并且包含以下步骤：

1)基于正常运行时步骤5)所求出的i_d、i_q、i_{d_ref}、i_{q_ref}，在运行时设立两个检测指标C_f、I_mag，分别表示为：

其中I_mag为C_f的峰值。在正常运行时I_mag>C_f，因此可以通过检测运行时I_mag与C_f之间的大小关系，从而判断是否故障以及故障的具体位置。

2)本例中将故障判断函数中故障诊断系数K取值为0.5，定义故障标志位为初始值为“0”，若K×I_mag>C_f，则系统仍运行在正常模式下。反之，若K×I_mag<C_f，则系统运行在故障模式下，故障标志位跳变为“1”。

额外设置防抖保护，防止系统故障误检测。预设定故障检测计数初值为N＝1，预设定若检测到K×I_mag<C_f的次数N达到设定值5，则故障标志位跳变为“1”，否则将N清零，故障标志为仍为“0”。(如附图8所示)

3)依据上述正常运行时步骤3)的区间划分，对各个区间的故障特性进行划分，从而获得各区间判断标准。依据所述判断标准，对各区间分界点，即各区间故障检测角进行检测，从而判断系统是否处于故障状态。故障检测角θ_g取30°、90°、150°、210°、270°、330°。从而实现对对故障的检测。

基于正常运行时的控制策略，通过调整注入分量改变系统的调制波特性，从而实现改变开关管导通时间实现容错控制，包括如下所述步骤：

1)以A相开关管S₁开路为例，可以获得整个系统在6个区间对应的矢量图(如附图3所示)，以及在区间1、2、6区间分别对应的矢量图(如附图4、图5和图6所示)。

2)利用故障矢量的冗余矢量来代替故障矢量，具体表现为，利用冗余小矢量来对无法实现的小矢量进行合成，如用[PPO]代替[ONN]；用冗余小矢量的合成来代替无法实现的中矢量以及大矢量，如[OPO]和[OON]合成来代替[OPN]。同时为了保证输出母线电压的平衡，还需要在与故障区间相对的未发生故障的区间，进行冗余矢量的互补，利用未故障矢量的冗余矢量去代替未故障的矢量。当A相开关管S₁开路时，对于区间1应用上述方法，由于小矢量[ONN]无法实现，用冗余矢量[PPO]进行代替，即可保证电路的稳定，由此可以获得新的导通顺序以及占空比(如附图7所示，其中实线为容错控制后开关顺序以及占空比，虚线部分为容错控制前的开关顺序占空比)。

3)依据新的导通顺序以及占空比，获得新的导通时间，根据新的导通时间与公式3求得新的V_x,ref，再根据V_x,ref及下式确定容错状态下的新的注入分量V_offset，TC。

不同开关管发生故障，(开关管位置如图13所示)所对应的新的注入分量V_offset，TC公式如下：

当相开关管S₁开路时，对于区间1应用上述方法，可以发现零序分量注入写成，该分量注入应用于60°～120°区间：

V_offset,TC＝-V_dc/2-V_a,ref (6)

同时为了保证输出母线电压的平衡，需要在对应的区间补充新的零序分量，即区间240°～300°补充，以满足上下电容电压U_c1、U_c2平衡：

V_offset,TC＝V_dc/2-V_a,ref (7)

4)在每个区间内分别注入不同的分量V_offset，TC实现对系统的容错控制，从而实现系统的输出电压稳定，保证系统在故障状况下能够稳定运行一段时间，使得备用电源的切入以及设备的脱机留足一定的缓冲时间。

利用本实施例的整流器故障检测及容错控制方法，在PLECS仿真软件上搭建仿真模型，模拟航空应用场合的Vienna整流器，人为设定故障以验证所提出的故障诊断和容错控制，七步骤如下：

1)设定输入电压115V/400Hz，输出电压360V，系统功率1.5kW，开关频率200kHz，采样频率100kHz，输出直流母线电容为440uF。设定故障诊断系数K为0.5。

2)人为设置在0.25s时刻A相开关管S₁发生开路故障，可以发现所提出的故障诊断策略准确的在θ_g在270°时检测出故障，并且判断出故障的具体位置，同时故障标志位跳“1”。(如附图9)

3)在故障标志位跳“1”后，系统立即采取容错控制，稳定输出电压。可以发现，在单个开关管开路后，系统会出现输出电流增加、输出电压大范围波动等现象。但是在应用本发明所提出容错控制后，可以发现系统在0.35s时系统已达到新的稳定状态，即容错运行的稳态，系统从故障状态进入新的稳态只需要0.1s，响应速度相比于传统的容错方式优势很大，且系统的输出电压仍能够维持在额定的输出电压，以保证后级设备正常运行一段时间。(见附图10)。

本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采样整流器的三相输入电压信号、三相输入电流信号、输出电压信号和负载电流信号；

步骤二、将三相输入电压信号以及三相输入电流信号进行Park变换，由abc静止坐标系转换成dq旋转坐标系，并通过锁相环得出相角θ；

步骤三、将一个工频周期0～360°分为6个区间，并判断θ属于哪个区间；

步骤四、将输出电压参考值U_{dc_ref}减去采样得到的输出电压V_dc，得到输出电压与实际值之间的误差，将误差送入比例-积分调节器，并将该环节作为Vienna整流器的电压环；

步骤五、将电压环的输出作为d轴电流i_d的参考值i_{d_ref}，q轴电流i_q的参考值设定为0，分别将d轴和q轴电流实际值与参考值的误差送入比例-积分调节器，并将该环节作为Vienna整流器的电流环；

步骤六、将Vienna整流器电流环的输出经过Park变换以及Clark变换得到a、b、c三相电压的参考值V_a,ref、V_b,ref、V_c,ref，再分别向三相电压的参考值中加入零序分量V_offset，得到V_x,ref,offset；

步骤七、将V_x,ref,offset作为调制波与生成的载波进行交截，从而获得开关管的导通时间T_x,on；

步骤八、设立两个检测指标C_f、I_mag，

其中I_mag为正常运行时C_f的峰值，i_d和i_q为别为d轴和q轴电流实际值；i_{d_ref}和i_{q_ref}分别为d轴和q轴电流参考值；

步骤九、设定参数K，K的取值为0～1，定义故障标志位的初始值为“0”，若K×I_mag>C_f，则系统仍运行在正常模式下；

反之，若K×I_mag<C_f，则系统运行在故障模式下，故障标志位跳变为“1”；

步骤十、依据步骤三的区间划分，依据所述判断标准，对各区间分界点，即各区间故障检测角进行检测，从而判断系统在各区间是否处于故障状态；

步骤十一、对于故障区间，依据对应的矢量图，利用故障矢量的冗余矢量来代替故障矢量，在与故障区间相对的未故障区间，利用未故障矢量的冗余矢量去代替未故障的矢量，从而获得新的导通顺序以及占空比；

步骤十二、依据新的导通顺序以及占空比，得到新的导通时间，并确定容错状态下的新的注入分量V_offset，TC；

步骤十三、将得到的新的注入分量代替步骤六中的零序分量注入系统中，实现对系统的容错控制。

2.根据权利要求1所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤九中K取0.5。

3.根据权利要求1所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤九中，设定故障检测计数值N，取值为0～M，若检测到K×I_mag<C_f的，则取N＝N+1，并再次进行检测，直至N达到极限值M，则故障标志位跳变为“1”，否则将N清零，故障标志为仍为“0”。

4.根据权利要求3所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述M取值为5。

5.根据权利要求1所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤三中区间划分方法为，记[-30°,30°]为区间1，[30°,90°]为区间2，以此类推。

6.根据权利5所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤十中各区间故障检测角θ_g分别取30°、90°、150°、210°、270°、330°。

7.根据权利要求1所述Vienna整流器的故障检测方法，其特征在于：所述步骤六中V_x,ref,offset的计算公式为：

V_x,ref,offset＝V_x,ref+V_offset(x＝a,b,c)

其中V_offset为偏置电压用于增加整流器的调制比，V_max、V_min为三相参考电压的V_x,ref最大值和最小值。

8.根据权利要求1所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤七中导通时间T_x,on的计算公式为：

其中T_s为单个开关周期的时间。

9.根据权利要求1所述Vienna整流器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤十二中新的注入分量的计算方法为：V_offse，TC＝±V_dc/2－V_x,ref(x＝a,b,c)。