CN111740577B - 基于故障电压空间矢量重构的两电平pwm整流器容错控制方法 - Google Patents

基于故障电压空间矢量重构的两电平pwm整流器容错控制方法 Download PDF

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CN111740577B CN202010359486.3A CN202010359486A CN111740577B CN 111740577 B CN111740577 B CN 111740577B CN 202010359486 A CN202010359486 A CN 202010359486A CN 111740577 B CN111740577 B CN 111740577B
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Abstract

本发明公开了一种基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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产生的畸变电压空间矢量；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；确定三相开关管的导通时间；确定开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量；调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲控制开关管通断。本发明解决了以往容错控制部分扇区不能完全比例补偿的缺陷。

Description

基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制 方法
技术领域
本发明涉及一种基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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产生的畸变电压空间矢量；
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和开路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、采用12扇区划分方式，对扇区进行划分；
步骤6、确定三相开关管的导通时间；
步骤7、确定开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量；
步骤8、利用电压空间矢量重构的方法，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)利用故障电压空间矢量重构的方法，重新构造电压空间六边形，这样可以再保留原算法的基础上，进行容错补偿；4)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。
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是本发明基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整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是本发明开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量。
图9为无开路故障时三相电流电流轨迹圆。
图10是本发明S1单管开路故障时，容错前后三相电流和电流轨迹圆电压空间矢量六边形的变化图，其中(a)为未容错的结果，(b)为容错后的结果。
图11是本发明S1S4双管开路故障时，容错前后三相电流和电流轨迹圆电压空间矢量六边形的变化图，其中(a)为未容错的结果，(b)为容错后的结果。
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，
Figure GDA0003702872330000031
为dq两相旋转坐标系下的电流反馈值，
Figure GDA0003702872330000032
为电机转矩反馈值，
Figure GDA0003702872330000033
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
Figure GDA0003702872330000034
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空间电压矢量
Figure GDA0003702872330000035
如图3所示。如图4所示，基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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
Figure GDA0003702872330000041
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)＝(100)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
Figure GDA0003702872330000042
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单管故障时畸变电压空间矢量表
Figure GDA0003702872330000043
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
Figure GDA0003702872330000051
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
Figure GDA0003702872330000052
Figure GDA0003702872330000053
的畸变电压空间矢量。
令
Figure GDA0003702872330000054
对表2中电压空间畸变矢量提取公因式，可以得到：
Figure GDA0003702872330000055
Figure GDA0003702872330000056
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：
Figure GDA0003702872330000057
式中，Vk x——多管开路故障时产生的故障电压空间矢量；x——多管开路故障的个数；Vk——无开路故障时电压空间矢量；
Figure GDA0003702872330000058
——单管开路故障产生的畸变电压空间矢量。
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。
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：
Figure GDA0003702872330000061
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：
Figure GDA0003702872330000062
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、确定三相开关管的导通时间；
首先，定义中间变量为：
Figure GDA0003702872330000071
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
Figure GDA0003702872330000072
步骤7、确定开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量，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
故障开关管 对应编号
S1 7-10-13-14
S2 8-11-17-18
S3 9-12-15-16
S4 7-10-13-14
S5 8-11-17-18
S6 9-12-15-16
S1,S4 7-10-13-14
S3,S6 9-12-15-16
S5,S2 8-11-17-18
步骤8、利用电压空间矢量重构的方法，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；
对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，设为第一类扇区，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，设为第二类扇区，两类扇区如表6所示。
表6两类故障扇区划分
故障开关管 第一类扇区 第二类扇区
S1 III,IV VII,V
S4 I,VI II,VIII
S3 V,VI I,VIII
S6 II,III VII,IV
S5 I,II III,VII
S2 IV,V VI,VIII
对第一类扇区，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；
对第二类扇区，根据步骤7中的开关管发生开路故障后选择的故障电压空间矢量，重新构成变流器无故障时的电压空间矢量。同一桥臂双管开路故障可以当作同一桥臂上下两个开关管分别发生开路故障进行处理。直接按照表7可以进行处理。
设定选取的四个故障矢量为V1F,V2F,V3F,V4F，则重构后的电压空间矢量如表7所示。
表7电压空间矢量重构方式
Figure GDA0003702872330000081
再根据步骤6中计算开关管导通时间的方法，计算重构后的电压空间矢量所需的导通时间。
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，确定开关管通断，完成故障电压空间矢量重构容错控制。
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，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S1S4双管开路故障为例。
图9为无开路故障时三相电流电流轨迹圆。
图10为S1单管开路故障时，容错前后三相电流轨迹圆，其中(a)为未容错的结果，(b)为容错后的结果。
图11为S1S4双管开路故障时，容错前后三相电流轨迹圆，其中(a)为未容错的结果，(b)为容错后的结果。
从图10和图11的结果可以看出，基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整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，利用电压空间矢量重构的方法，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完全补偿。

Claims (9)

1.一种基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、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产生的畸变电压空间矢量；
步骤3、根据正常情况下产生的电压空间矢量和开路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、采用12扇区划分方式，对扇区进行划分；
步骤6、确定三相开关管的导通时间；
步骤7、确定开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量；
步骤8、利用电压空间矢量重构的方法，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，利用电压空间矢量重构的方法，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间，具体为：
对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，设为第一类扇区，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，设为第二类扇区，两类扇区如表6所示；
表6 两类故障扇区划分
故障开关管 第一类扇区 第二类扇区 S1 III,IV VII,V S4 I,VI II,VIII S3 V,VI I,VIII S6 II,III VII,IV S5 I,II III,VII S2 IV,V VI,VIII
对第一类扇区，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；
对第二类扇区，根据步骤7中的开关管发生开路故障后选择的故障电压空间矢量，重新构成变流器无故障时的电压空间矢量，同一桥臂双管开路故障当作同一桥臂上下两个开关管分别发生开路故障进行处理，直接按照表7进行处理；设定选取的四个故障矢量为V1F,V2F,V3F,V4F，则重构后的电压空间矢量如表7所示；
表7 电压空间矢量重构方式
Figure FDA0003702872320000021
再根据步骤6中计算开关管导通时间的方法，计算重构后的电压空间矢量所需的导通时间。
2.根据权利要求1所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤1中，建立的无开路故障情况下电压空间矢量如表1所示：
表1 无开路故障电压空间矢量表
Figure FDA0003702872320000022
其中S(abc)为abc三相整流器开关函数，1表示上桥臂开关管导通，0表示下桥臂开关管导通，usa，usb，usc为三相整流器三相相电压，Vk为abc三相电压经过Clark变换后得到的电压空间矢量，Udc为直流电压，ejθ＝cosθ+jsinθ。
3.根据权利要求1所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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如表2所示：
表2 单管故障时电压空间畸变矢量表
Figure FDA0003702872320000031
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矢量；
令
Figure FDA0003702872320000032
对表2中电压空间畸变矢量提取公因式，得到：
Figure FDA0003702872320000033
Figure FDA0003702872320000034
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所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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。
6.根据权利要求1所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤5中，采用12扇区划分方式，对扇区进行划分，具体为：
定义六个变量：
Figure FDA0003702872320000041
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：
Figure FDA0003702872320000042
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)
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
通过表3确定N的计算值与实际扇区编号之间的对应关系，即可完成扇区划分。
7.根据权利要求2所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤6中，确定无开路故障时三相开关管的导通时间，具体为：
首先，定义中间变量为：
Figure FDA0003702872320000051
式中，Uα *、Uβ *为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量，Udc为直流电压，Ts为采样周期；
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 无开路故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系
Figure FDA0003702872320000052
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。
8.根据权利要求5所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，其特征在于，步骤7中，确定开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量，具体方法为：
表5 开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量
故障开关管 对应编号 S1 7-10-13-14 S2 8-11-17-18 S3 9-12-15-16 S4 7-10-13-14 S5 8-11-17-18 S6 9-12-15-16 S1S4 7-10-13-14 S3S6 9-12-15-16 S5S2 8-11-17-18
确定开路故障后需要用来进行重构的故障电压空间矢量，如表5所示。
9.根据权利要求1所述的基于故障电压空间矢量重构的两电平PWM整流器容错控制方法，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脉冲控制开关管通断，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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