CN111509960B - 基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,建立无开路故障情况下电压空间矢量;建立单管和双管开路故障情况下畸变电压空间矢量;确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量;对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号;对扇区进行划分;确定无开路故障时三相开关管的导通时间;确定开路故障后需要用来进行参考电压空间矢量合成的电压空间矢量;调整受故障开关管影响扇区的电压矢量作用比例;将开关管导通时间与三角载波进行调制,确定开关管PWM脉冲控制开关管通断。本发明解决了以往软件容错控制方法无法实现精准补偿的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,属于整流器开路故障容错技术。
背景技术
随着电力电子技术的发展,电能变换传输被广泛的应用在新能源汽车、风力发电、工业生产等各个行业领域,而在电能变换与传输的过程中,三相变流器的稳定性直接决定了系统的可靠性与安全性。但由于三相变流器时常工作于比较残酷的环境中,容易发生开路故障,从而导致系统无法正常运行。所以对三相变流器功率开关管开路故障容错控制的研究,可以避免因开路故障导致的系统停机以及二次严重故障,对于提高系统运行可靠性具有十分重要的意义。
目前变流器容错控制主要分为硬件容错和软件容错两种方式。其中通过增加冗余硬件的方式进行容错的方法包括:冗余变流器容错控制,冗余桥臂容错控制,冗余开关容错控制。通过软件容错的控制方法主要有:基于零矢量替换的容错控制方法,基于电压空间矢量的容错控制方法,基于投影补偿比调制的容错控制方法等。其中通过增加冗余硬件的方式进行容错的控制方法,在三相变流器功率开关管发生开路故障后,利用冗余开关管对故障开关管进行替换,实现容错控制。这类容错控制方法需要增加额外的硬件设备,增加了系统成本以及系统硬件拓扑复杂程度,且切换故障开关管时,需要改变PWM控制算法。软件容错控制方法根据开路故障对电压空间影响的方式不同,可以设计具有针对性的控制算法,不需要增加额外的硬件设备,通过更改相应部分的控制程序,使得三相变流器尽可能运行在正常情况时的工作性能。但目前基于软件的容错控制方法由于只利用了未受开路故障影响的空间矢量对参考电压空间矢量进行合成,故无法实现全比例补偿,容错补偿效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,包括如下步骤:
步骤1、建立无开路故障情况下电压空间矢量;
步骤2、建立单管和双管开路故障情况下畸变电压空间矢量;
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和故障后产生的畸变电压空间矢量的线性特征,确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量;
步骤4、对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号,得到不同情况下对应的电压空间矢量编号;
步骤5、对扇区进行划分;
步骤6、确定无开路故障时三相开关管的导通时间;
步骤7、根据开路故障对不同扇区的不同影响,确定开路故障后需要用来进行参考电压空间矢量合成的电压空间矢量;
步骤8、调整受故障开关管影响扇区的电压矢量作用比例;
步骤9、将开关管导通时间与三角载波进行调制,确定开关管PWM脉冲控制开关管通断,完成故障电压空间矢量重构容错控制。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)对不同扇区进行不同的容错补偿措施,尽可能减少由于补偿带来的影响;2)对电压空间矢量的数学分析,可以准确把握开关管发生开路故障后电压空间矢量的变化,充分利用了故障电压空间矢量;3)对每个故障扇区都进行了完全补偿,而不是通过映射、投影等方法进行近似补偿,补偿效果达到最好;4)只需调整矢量替换后的有效矢量作用比例即可实现容错控制算法,易于实现。
附图说明
图1是直驱式永磁同步风力发电系统机侧结构图。
图2是本发明直驱式永磁同步风力发电系统机侧控制框图。
图3是本发明无故障时α、β两相静止坐标系中基本空间电压矢量及扇区图。
图4是本发明基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法的流程图。
图5是本发明无故障时电压空间矢量的示意图。
图6是本发明电压空间矢量编号的示意图。
图7是本发明α、β两相静止坐标系的12扇区基本空间电压矢量图。
图8是本发明机侧变流器S1管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。
图9是本发明S1单管开路故障时,矢量调整比例示意图。
图10是本发明S1开路故障时,容错前后三相电流、电机转速、电流轨迹圆实验结果图,其中3s-3.14s未发生开路故障,3.14s-3.28s发生开路故障,3.28s-3.42s进行容错控制。
图11是本发明S1S4开路故障时,容错前后三相电流、电机转速、电流轨迹圆实验结果图,其中3s-3.14s未发生开路故障,3.14s-3.28s发生开路故障,3.28s-3.42s进行容错控制。
图12是本发明S1S3开路故障时,容错前后三相电流、电机转速、电流轨迹圆实验结果,3s-3.14s未发生开路故障,3.14s-3.28s发生开路故障,3.28s-3.42s进行容错控制。
图中标号说明:S1-S6三相PWM整流器中6个功率开关管,D1-D6三相PWM整流器6个续流二极管,F1-F6为三相PWM整流器6个热熔丝,C为直流侧滤波电容。ia,ib,ic为永磁同步发电机产生的三相电流,ua,ub,uc为永磁同步发电机产生的三相电压,vw为自然风速大小,ωm为永磁同步发电机角速度,Tm为风轮提供的转矩,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,Te *为电机转矩反馈值,为α、β两相静止坐标系下的目标电压。
图6中编号规则如下:坐标原点编号为0,无开路故障时电压空间矢量V1-V6编号为1-6,与V1-V6同向,但模长为V1-V6一半的电压空间矢量编号为7-12,沿直线ia=0正方向的电压空间矢量编号为13,沿直线ia=0负方向的电压空间矢量编号为14,沿直线ib=0正方向的电压空间矢量编号为15,沿直线ib=0负方向的电压空间矢量编号为16,沿直线ic=0正方向的电压空间矢量编号为17,沿直线ic=0负方向的电压空间矢量编号为18。
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是直驱式永磁同步风力发电系统机侧结构图,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。图2给出了直驱式永磁同步风力发电系统机侧控制框图,目标αβ平面电压输入到SVPWM控制模块后,会生成6路控制IGBT门极通断的信号,采集三相电压值经过Clark变换变成α、β两相静止坐标系中的电压空间矢量如图3所示。
如图4所示,基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,具体步骤如下:
步骤1、建立无开路故障情况下电压空间矢量,如表1所示;
表1无开路故障时电压空间矢量表
其中S(abc)为abc三相变流器开关函数,’1’表示该相上桥臂开关管导通,’0’表示该相下桥臂开关管导通,usa,usb,usc为三相变流器三相相电压,Vk为abc三相电压经过Clark变换后得到的电压空间矢量,Udc为整流后直流电压,ejθ=cosθ+jsinθ。例如,当开关函数S(abc)=(1 0 0)T,即a相上桥臂开关管导通,b相下桥臂开关管导通,c相下桥臂开关管导通,此时采集的三相电压usa,usb,usc分别为2Udc/3,-Udc/3,-Udc/3,经过Clark变换后得到的电压空间矢量为
步骤2、建立单管开路故障情况下,产生的畸变电压空间矢量,如表2所示:
表2单管故障时电压空间畸变矢量表
in(n=a,b,c)为三相电流,S1-S6为六个开关管编号,Udc为直流电压,j为虚数单位。根据故障开关管位置和相电流可以确定故障时产生的畸变电压空间矢量,例如,当S1开关管发生开路故障且ia>0时,会产生一个(0+j0)Udc的畸变矢量;当S1开关管发生开路故障且ia=0时,会产生一个的畸变电压空间矢量;当S1开关管发生开路故障且ia<0时,会产生一个的畸变电压空间矢量。
分析可得,当单管发生开路故障时,对应的畸变电压空间矢量为线性变换,故当两个开关管同时发生开路故障时,对应的畸变电压空间矢量可以看作是两次单管故障对应的畸变电压空间矢量的线性叠加。
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和畸变电压空间矢量的线性特征,确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量。
其中无开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量为正常情况下产生的电压空间矢量,单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量由正常情况下产生的电压空间矢量和开路故障后产生的畸变电压空间矢量的矢量和确定。矢量和表达式如下式所示:
步骤4、对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号,得到不同情况下对应的电压空间矢量编号。其中编号规则如下:坐标原点编号为0,无开路故障时电压空间矢量V1-V6编号为1-6,与V1-V6同向,但模长为V1-V6一半的电压空间矢量编号为7-12,沿直线ia=0正方向的电压空间矢量编号为13,沿直线ia=0负方向的电压空间矢量编号为14,沿直线ib=0正方向的电压空间矢量编号为15,沿直线ib=0负方向的电压空间矢量编号为16,沿直线ic=0正方向的电压空间矢量编号为17,沿直线ic=0负方向的电压空间矢量编号为18;
步骤5、采用12扇区划分方式,对扇区进行划分;
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;
定义扇区划分坐标系函数N:
N=Q(A)+Q(B)+2Q(C)+2Q(D)+4Q(E)+3Q(F)
通过表3确定N的计算值与实际扇区编号之间存在的对应关系,即可完成扇区划分;
表3 N的计算值与扇区对应关系
扇区号 | I | II | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | Ⅵ | Ⅶ | Ⅷ | Ⅸ | X | XI | Ⅻ |
扇区计算值 | 8 | 4 | 2 | 1 | 3 | 6 | 5 | 9 | 11 | 12 | 10 | 7 |
步骤6、确定无开路故障时三相开关管的导通时间;
首先,定义中间变量为:
式中,Uα *、Uβ *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,确定12扇区划分时各扇区基本电压矢量中有效矢量的作用时间T1和T2;
表4无开路故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系
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。
则合成参考电压旋转矢量Vref *的比例系数为:
步骤7、根据开路故障对不同扇区的不同影响,确定开路故障后用来进行参考电压空间矢量合成的电压空间矢量;
单管开路故障影响的电压空间矢量及区域如表5所示;
表5开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量
对于不受开路故障影响的区域,不需要对开关管导通时间或者基本电压空间矢量作用比例进行调整。
对于受开路故障影响的区域,又可以分为两个部分:
(1)对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的区域,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;
(2)对于零矢量和有效矢量都受到影响的区域,首先用正常零矢量替代故障零矢量,然后对受到开路故障影响的有效矢量进行替换,替换原则为:利用受到开路故障影响的电压空间矢量畸变后产生的电压空间矢量替换。单管开路故障时,矢量编号替换如下:
表6单管开路故障矢量编号替换
双管以及多管开路故障时,根据不同故障扇区对应的故障矢量,根据表6重新选择矢量,对参考电压空间矢量进行合成。
步骤8、调整受故障开关管影响区域的电压矢量作用比例;
12扇区划分时,每个扇区作用比例调整如下
表7不同扇区矢量调整比例
利用该方法进行容错后,只需按照表7,调整相应矢量作用比例,即可实现容错效果,不需要调整矢量作用时间,易于实现。
步骤9、将开关管导通时间与三角载波进行调制,确定开关管PWM脉冲控制开关管通断,完成基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法:
将开关管导通时间与周期为采样周期的三角载波进行调制,采用DPWM技术,基于对称原则和THD最低原则来确定矢量的作用顺序,调制后的脉冲根据功率开关管开通关断时间加入死区时间,即可得到6路PWM脉冲,将输出的6路PWM脉冲作用于功率开关管驱动电路,驱动电路驱动相应的功率开关管开通与关断,完成基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法。
实施例
为了验证该方案的有效性和可行性,本实施例对功率开关管单管开路故障和双管开路故障为例,分别进行容错控制方法验证,以S1单管开路故障和S1、S4双管开路故障,S1、S3双管开路故障为例。
图8是本发明机侧变流器S1管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。
图9是本发明S1单管开路故障时,矢量调整比例示意图。
S1发生开路故障后,在12扇区划分的前提下,受到开路故障影响的区域为[/2,3/2],包括的扇区为:IV、V、VI、VII、VIII、IX,其中第V扇区、第VI扇区、第VII扇区、第VIII扇区只有零矢量受到开路故障影响,第IV扇区和第IX扇区零矢量和有效基本电压空间矢量受到开路故障影响。对于扇区V-VIII,由于只有一个零矢量V7(111)受到功率开关管S1开路故障影响,此时有效基本电压空间矢量未受到开路故障影响,所以可以用未受开路故障影响的零矢量对故障零矢量进行替换,只需利用零矢量V0(000)替换零矢量V7(111)即可实现对系统的补偿,完成容错控制。对于扇区V和扇区IX,由于有效基本电压空间矢量也发生了畸变,所以需要对于这样的扇区不仅需要用正常零矢量替换故障零矢量,同时要对有效基本电压空间矢量处理,使其尽可能的补偿参考电压空间矢量。根据步骤7,分别利用矢量编号为13、14的矢量替换编号为2和6的矢量,以实现对参考电压空间矢量精准补偿的效果。后对两个替换的矢量根据步骤8中表7进行补偿作用比例的调整,即可实现容错控制。
图10是本发明S1开路故障时,容错前后三相电流、电机转速、电流轨迹圆实验结果,3s-3.14s未发生开路故障,3.14s-3.28s发生开路故障,3.28s-3.42s进行容错控制。
图11是本发明S1S4开路故障时,容错前后三相电流、电机转速、电流轨迹圆实验结果,3s-3.14s未发生开路故障,3.14s-3.28s发生开路故障,3.28s-3.42s进行容错控制。
图12是本发明S1S3开路故障时,容错前后三相电流、电机转速、电流轨迹圆实验结果,3s-3.14s未发生开路故障,3.14s-3.28s发生开路故障,3.28s-3.42s进行容错控制。
从图10-图12的结果可以看出,基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法可以有效的对开路故障后的电流以及系统的运行状态进行补偿,使得系统尽可能的运行在正常状态下。
综上所述,本发明建立了无开路故障、单管开路故障、双管开路故障三种情况的数学模型,利用基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,对故障后的整流器系统进行补偿措施,能够实现对每个故障扇区的精准补偿。
Claims (9)
1.一种基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、建立无开路故障情况下电压空间矢量;
步骤2、建立单管和双管开路故障情况下畸变电压空间矢量;
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和故障后产生的畸变电压空间矢量的线性特征,确定无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量;
步骤4、对无开路故障、单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量进行编号,得到不同情况下对应的电压空间矢量编号;
步骤5、对扇区进行划分;
步骤6、确定无开路故障时三相开关管的导通时间;
步骤7、根据开路故障对不同扇区的不同影响,确定开路故障后需要用来进行参考电压空间矢量合成的电压空间矢量;
步骤8、调整受故障开关管影响扇区的电压矢量幅值比例;
步骤9、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,控制开关管通断,完成故障电压空间矢量重构容错控制;
步骤8中,调整受故障开关管影响扇区的电压矢量作用比例,每个扇区作用比例调整如表7所示;
表7不同扇区矢量调整比例
利用该方法进行容错后,只需按照表7,调整相应矢量作用比例,即可实现容错效果,不需要调整矢量作用时间。
3.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,其特征在于,步骤2中,建立的单管开路故障情况下产生的畸变电压空间矢量数学表达式如表2所示:
表2单管故障时电压空间畸变矢量表
in,n=a,b,c为三相电流,S1-S6为六个开关管编号,Udc为直流电压,j为虚数单位;根据故障开关管位置和相电流可以确定故障时产生的畸变电压空间矢量,例如,当S1开关管发生开路故障且ia>0时,会产生一个(0+j0)Udc的畸变矢量;当S1开关管发生开路故障且ia=0时,会产生一个的畸变电压空间矢量;当S1开关管发生开路故障且ia<0时,会产生一个的畸变电压空间矢量;
分析可得,当单管发生开路故障时,对应的畸变电压空间矢量为线性变换,故当两个开关管同时发生开路故障时,对应的畸变电压空间矢量看作是两次单管故障对应的畸变电压空间矢量的线性叠加。
4.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,其特征在于,步骤3中,无开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量为正常情况下产生的电压空间矢量,单管开路故障、双管开路故障时产生的所有可能的电压空间矢量由正常情况下产生的电压空间矢量和开路故障后产生的畸变电压空间矢量的矢量和确定。
5.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,其特征在于,步骤4中,编号规则如下:
坐标原点编号为0,无开路故障时电压空间矢量V1-V6编号为1-6,与V1-V6同向,但模长为V1-V6一半的电压空间矢量编号为7-12,沿直线ia=0正方向的电压空间矢量编号为13,沿直线ia=0负方向的电压空间矢量编号为14,沿直线ib=0正方向的电压空间矢量编号为15,沿直线ib=0负方向的电压空间矢量编号为16,沿直线ic=0正方向的电压空间矢量编号为17,沿直线ic=0负方向的电压空间矢量编号为18。
8.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,其特征在于,步骤7中,单管开路故障影响的电压空间矢量及区域如表5所示;
表5开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量
对于不受开路故障影响的区域,不需要对开关管导通时间或者基本电压空间矢量作用比例进行调整;in,n=a,b,c为三相电流;对于受开路故障影响的区域,又可以分为两个部分:
(1)对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的区域,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;
(2)对于零矢量和有效矢量都受到影响的区域,首先用正常零矢量替代故障零矢量,然后对受到开路故障影响的有效矢量进行替换,替换原则为:利用受到开路故障影响的电压空间矢量畸变后产生的电压空间矢量替换,单管开路故障时,矢量编号替换如下:
表6单管开路故障矢量编号替换
双管以及多管开路故障时,根据不同故障扇区对应的故障矢量,根据表6重新选择矢量,对参考电压空间矢量进行合成。
9.根据权利要求1所述的基于电压空间矢量数学模型的三相变流器容错控制方法,其特征在于,步骤9中,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,完成故障电压空间矢量重构容错控制,具体为:将开关管导通时间与周期为采样周期的三角载波进行调制,采用DPWM技术,基于对称原则和THD最低原则来确定矢量的作用顺序,调制后的脉冲根据功率开关管开通关断时间加入死区时间,即可得到6路PWM脉冲,将输出的6路PWM脉冲作用于功率开关管驱动电路,驱动电路驱动相应的功率开关管开通与关断,完成故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制。
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CN111509960A (zh) | 2020-08-07 |
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