CN112564467A - 一种两电平pwm变流器开路故障自愈型容错控制方法 - Google Patents

一种两电平pwm变流器开路故障自愈型容错控制方法 Download PDF

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CN112564467A CN202011555357.8A CN202011555357A CN112564467A CN 112564467 A CN112564467 A CN 112564467A CN 202011555357 A CN202011555357 A CN 202011555357A CN 112564467 A CN112564467 A CN 112564467A
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Abstract

本发明公开了一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，依据延时补偿及预测模型环节预测系统未来状态；依据成本函数及寻优环节对系统未来状态进行评估，并选取最优状态对应的作用矢量；依据误差监测与零矢量切换环节确定零矢量；依据矢量的成本值确定矢量作用时间，并最终产生PWM信号，确定开关管开通，完成容错控制。本发明能实现无诊断信息的容错控制，快速精准地实现所有单管、部分双管和部分三管的开路故障容错控制。

Description

一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法。
背景技术
在高负荷、超负荷运行的情况下，功率开关管是变流器中最脆弱的部分，调查显示在风力发电系统中开关管的故障率已达到38%。因此，迅速、准确诊断出发生故障的开关管，并对其进行隔离、容错控制，对整个系统的运行稳定性起着十分重要的作用。功率开关管的故障状态可分为开路故障、短路故障和间歇门信号故障三种类型，由于后两者故障可通过隔离转化为开路故障，因此对开路故障的检测和诊断最为关键。
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。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，该方法没有对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，仅研究了单管故障。申请号201810928040.0的专利所提出的容错方法，考虑了对每个扇区进行补偿，但由于其补偿模型固定，因此需要诊断及故障定位信息以选择不同的补偿扇区。
发明内容
本发明目的在于提出了一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，包括如下步骤：
步骤1、采集k时刻的三相电流与编码器角度信号，对其进行帕克变换得到k时刻dq轴电流。对编码器角度信号微分得到电转速信号。
步骤2、将采集k时刻的直流电压、电转速和步骤1得到的k时刻dq轴电流进行延时补偿，得到k+1时刻的直流电压、电转速和dq轴电流信号。
步骤3、将步骤2得到的k+1时刻信号分别与7个作用矢量输入到预测模型中，计算得到与7个作用矢量对应的7个k+2时刻的dq轴电流值。
步骤4、依据成本函数计算7个k+2时刻dq轴电流的成本值。
步骤5、计算零矢量作用误差，并判断超出正常阈值误差的出现次数确定使用V 0或者V 7零矢量。
步骤6、判断成本值最小的对应的作用矢量是否为零矢量。若为零矢量，则确定零矢量作用全部控制周期；若不为零矢量，则确定采用一个非零矢量与一个零矢量共同作用，并依据该非零矢量与零矢量的成本值确定其各自的作用时间。
步骤7、依据步骤5、6确定的作用矢量与作用时间，确定各开关管开通时间，并产生PWM脉冲，完成容错控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）以模型预测控制算法为基础，对未来时刻的系统状态实时预测、滚动优化，能够自主选择最优开关矢量从而达到最优的容错效果；2）采用了预测误差作为反馈以实时切换零矢量，实现了无需诊断信息的容错控制，即“自愈型”容错控制；3）本发明可以对所有单管、部分双管和三管的开路故障故障完成容错控制。
附图说明
图1为永磁同步发电系统的结构图。
图2为本发明容错控制框图。
图3为变流器S1开关管单管故障图及容错效果图，左图为S1开关管单管故障图，右图为S1开关管单管故障容错图。
图4为变流器S1S4开关管双管故障图及容错效果图，左图为S1S4开关管单管故障图，右图为S1S4开关管单管故障容错图。
图5为变流器S1S3S5开关管三管故障图及容错效果图，左图为S1S4开关管单管故障图，右图为S1S3S5开关管单管故障容错图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1-2所示，一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，包括如下步骤：
步骤1、采集k时刻的三相电流与电角度信号，对其进行帕克变换得到k时刻dq轴电流i s d[k]与i s q[k]，具体方法为：
Figure 148297DEST_PATH_IMAGE001
(1)
步骤2、将采集k时刻的直流电压、电转速结合上一时刻k-1时刻的直流电压、电转速依据公式(2) (3)计算得到k+1时刻的直流电压、电转速。对k时刻dq轴电流依据公式(4)进行延时补偿，得到k+1时刻的dq轴电流。
Figure 193000DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 972738DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 476269DEST_PATH_IMAGE004
(4)
步骤3、将步骤2得到的k+1时刻信号分别与7个作用矢量输入到预测模型中，计算得到与7个作用矢量对应的7个k+2时刻的dq轴电流值，具体方法为：
首先依据公式(5)计算7个作用矢量分别对应的7个dq轴定子电压。
Figure 290641DEST_PATH_IMAGE005
(5)
之后将7组u s[k+1]，即7组u s d[k+1]，u s q[k+1]代入到如下预测模型公式(6)中，计算得到7组k+2时刻的系统状态，即7组k+2时刻dq轴电流
Figure 113104DEST_PATH_IMAGE006
。
Figure 521082DEST_PATH_IMAGE007
Figure 719983DEST_PATH_IMAGE008
s=1,2,3,...,7 (6)
步骤4、依据成本函数计算7个k+2时刻dq轴电流的成本值，具体方法为：
将7组预测的k+2时刻dq轴电流
Figure 513495DEST_PATH_IMAGE006
代入下式公式(7)，计算得到7个对应成本值。
Figure 506859DEST_PATH_IMAGE009
(7)
其中，p为惩罚项，其计算方法是如下：
Figure 412189DEST_PATH_IMAGE010
(8)
步骤5、计算零矢量作用误差，并判断超出正常阈值误差的出现次数确定使用V 0或者V 7零矢量。具体来讲：
采集当前时刻系统dq轴电流的实际值i s d[k]、i s q[k]，与历史对当前时刻的dq轴预测值i d,p[k]、i q,p[k]分别相减，并取绝对值后相加，得到系统的预测误差。在规定数量的控制周期内，若当前作用零矢量为V 0，则判断V 0矢量的预测误差Error0过大的次数大于设定的阈值，则在将零矢量转换为V 7，否则保持V 0；若当前作用零矢量为V 7，则判断V 7矢量的预测误差Error7过大的次数大于设定的阈值，则将零矢量转换为V 0否则保持V 7。以上确定了采用的零矢量ZeroVector。
步骤6、判断成本值CostValue最小的对应的作用矢量是否为零矢量。若为零矢量，则确定零矢量作用全部控制周期，即t n=0，t z=T s；若不为零矢量，则确定采用一个非零矢量与一个零矢量共同作用，并依据公式(9)该非零矢量与零矢量的成本值确定其各自的作用时间。
Figure 149201DEST_PATH_IMAGE011
Figure 672586DEST_PATH_IMAGE012
Figure 227064DEST_PATH_IMAGE013
(9)
步骤7、依据步骤5、6确定的零矢量ZeroVector非零矢量Vector与作用时间t n、t z，确定各开关管开通时间，并产生PWM脉冲Sa、Sb、Sc完成容错控制，具体来讲：
表1 PWM脉冲确定原则
Figure 577012DEST_PATH_IMAGE015
表1所述确定原则为：若作用矢量为V 0零矢量，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、0、0；若作用矢量为V 7零矢量，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、T s、T s；若作用矢量为V 0与V 1，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、0、0；若作用矢量为V 0与V 2，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、t n、0；若作用矢量为V 0与V 3，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、t n、0；若作用矢量为V 0与V 4，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、t n、t n；若作用矢量为V 0与V 5，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、0、t n；若作用矢量为V 0与V 6，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、0、t n；若作用矢量为V 7与V 1，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、t n、t n；若作用矢量为V 7与V 2，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、T s、t n；若作用矢量为V 7与V 3，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、T s、t n；若作用矢量为V 7与V 4，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、T s、T s；若作用矢量为V 7与V 5，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、t n、T s；若作用矢量为V 7与V 6，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、t n、T s。以上为A、B、C桥臂上管高电平、下管低电平的时间，由于脉冲只有高、低两种状态，因此在一个控制周内其他时间的脉冲为上管低电平、下管高电平。
实施例
本发明通过实时状态预测、寻优与零矢量切换，能够实现电机的正常与容错控制，且容错控制不需要诊断信息，能够实现全部单管、部分双管和部分三管故障情况下的状态恢复。
图1为永磁同步发电系统的结构图，S1、S4分别为A相上、下桥臂开关管，S3、S6分别为B相上、下桥臂开关管，S5、S2分别为C相上、下桥臂开关管。
图2为本发明容错控制框图。
实施例1
本实施例以S1管发生故障为例，如图3左图所示，当开关管S1管发生故障时，A相电流下半相消失，S1管无法完成开通动作，因此有效矢量V 1(100)，V 2(110)，V 6(101)与零矢量V 7(111)失效。当电流到下半周畸变区域后，预测模型计算7个作用矢量，通过成本函数自动选取最能恢复到原系统状态的矢量，其次由于V 7矢量失效，其作用误差变大并持续，达到零矢量切换要求，将零矢量从V 7矢量切换为V 0矢量，并最终确定占空比产生PWM信号，完成控制，结果如图3右图所示。
从图3右图可以看出，容错后，a相电流下半相恢复，三相电流基本恢复至正弦，直流侧电压由57.7V恢复至77.5V。
实施例2
本实施例以S1、S4管发生故障为例，如图4左图所示，当开关管S1、S4管发生故障时，A相电流上半相消失时，S4管无法完成开通动作，因此有效矢量V 3(010)，V 4(011)，V 5(001)与零矢量V 0(000)失效；A相电流下半相消失时，S1管无法完成开通动作，因此有效矢量V 1(100)，V 2(110)，V 6(101)与零矢量V 7(111)失效。
当电流到上半周畸变区域后，预测模型计算7个作用矢量，通过成本函数自动选取最能恢复到原系统状态的矢量，其次由于V 0矢量失效，其作用误差变大并持续，达到零矢量切换要求，将零矢量从V 0矢量切换为V 7矢量，并最终确定占空比产生PWM信号，而当电流到上半周畸变区域后，由于V 7矢量失效，其作用误差变大并持续，达到零矢量切换要求，再次将零矢量从V 7矢量切换为V 0矢量完成控制，结果如图4右图所示。
从图4右图可以看出，容错后，a相电流上、下半相恢复，三相电流基本恢复至正弦，直流侧电压由23.7V恢复至77.7V。
实施例3
本实施例以S1、S3、S5管发生故障为例，如图5左图所示，当开关管S1、S3、S5管发生故障时，上管全部失效，造成类似“停机状态”，系统三相电降至零附近。V 7矢量始终失效。
当电流全区域为畸变区域，此时预测模型计算7个作用矢量，通过成本函数自动选取最能恢复到原系统状态的矢量，其次由于V 7矢量失效，其作用误差变大并持续，达到零矢量切换要求，将零矢量从V 7矢量切换为V 0矢量，并保持不再切换至V 7，最终确定占空比产生PWM信号，结果如图5右图示。
从图5右图可以看出，容错后，a、b、b相电流上、下半相恢复，基本恢复至正弦，直流侧电压由34.4V恢复至78.5V。
由上述三个实施例表明，本发明所提出的方法可以完成单管、双管、三管的容错控制，且上述三个实施例均是在同一控制程序下实现的，这意味着该容错方法不需要诊断信息便可实现不同开关管故障情况的容错，即“自愈型”容错控制。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采集k时刻的直流电压、三相电流与编码器角度信号，对三相电流进行帕克变换得到k时刻的dq轴电流，对编码器角度信号微分得到k时刻的电转速信号；
步骤2、对k时刻的直流电压、电转速和dq轴电流进行延时补偿，得到k+1时刻的直流电压、电转速和dq轴电流信号；
步骤3、预测k+2时刻7个作用矢量对应的dq轴电流值；
步骤4、计算k+2时刻7个作用矢量对应的dq轴电流的成本值；
步骤5、计算零矢量作用误差，根据超出正常阈值误差的出现次数，确定作用零矢量；
步骤6、根据dq轴电流的成本值，计算作用矢量的作用时间；
步骤7、根据作用矢量和作用时间，确定开关管开通时间，产生PWM脉冲，完成容错控制。
2.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤1中，对三相电流进行帕克变换得到k时刻的dq轴电流，计算方法为：
Figure 357571DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中，i s d[k]为k时刻定子d轴电流，单位A；i s q[k]为k时刻定子q轴电流，单位A；i a,m[k]为k时刻a相电流，单位A；i b,m[k]为k时刻b相电流，单位A；i c,m[k]为k时刻c相电流，单位A；θ e 为k时刻电角度，单位rad。
3.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤2中，对k时刻的直流电压、电转速和dq轴电流进行延时补偿，得到k+1时刻的直流电压、电转速和dq轴电流信号，计算方法为，将k时刻的直流电压、电转速结合上一时刻k-1时刻的直流电压、电转速依据公式(2) (3)计算得到k+1时刻的直流电压、电转速；对k时刻dq轴电流依据公式(4)计算得到k+1时刻的dq轴电流，具体公式如下：
Figure 274711DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 179082DEST_PATH_IMAGE003
(3)
式中，u dc[k+1]为k+1时刻直流电压，单位V；u dc[k]为k时刻直流电压，单位V；u dc[k-1]为k-1时刻直流电压，单位V；ω e[k+1]为k+1时刻电转速，单位rad/s；ω e[k]为k时刻电转速，单位rad/s；ω e[k-1]为k-1时刻电转速，单位rad/s；
Figure 574291DEST_PATH_IMAGE004
(4)
式中，i s d[k+1]为k+1时刻定子d轴电流，单位A；i s d[k]为k时刻定子d轴电流，单位A；i s q[k+1]为k+1时刻定子q轴电流，单位A；i s q[k]为k时刻定子q轴电流，单位A；T s为控制周期，单位s；u s d[k]为k时刻定子d轴电压，单位V；u s q[k]为k时刻定子q轴电压，单位V；R so为定子电阻，单位Ω；L so为定子电感，H；ψ p为永磁体磁链，单位V·s。
4.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤3中，预测k+2时刻7个作用矢量对应的dq轴电流值，具体方法为：
首先依据下式计算7个作用矢量分别对应的7个dq轴定子电压；
Figure 513297DEST_PATH_IMAGE005
(5)
式中，
Figure 335760DEST_PATH_IMAGE006
为k+1时刻直流电压，单位V；
Figure 727427DEST_PATH_IMAGE007
为k+1时刻定子d轴电压，单位V；
Figure 926327DEST_PATH_IMAGE008
为k+1时刻定子q轴电压，单位V；S a，S b，S c分别为a，b，c相桥臂的开关函数，值为0代表桥臂下管开通上管关断，值为1代表桥臂上管开通下管关断，开关管不同状态组合得到8个作用矢量，分别为：V 0(000)、V 1(100)、V 2(110)、V 3(010)、V 4(011)、V 5(001)、V 6(101)、V 7(111)，V 0(000)与V 7(111)对系统的作用效果相同，称为零矢量，V 1(100) ~ V 6(101)称为非零矢量；
之后将7组
Figure 595206DEST_PATH_IMAGE009
，即7组
Figure 692696DEST_PATH_IMAGE010
代入到如下预测模型中，计算得到7组k+2时刻的系统状态，即7组k+2时刻dq轴电流
Figure 447025DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 308671DEST_PATH_IMAGE013
Figure 832056DEST_PATH_IMAGE015
s=1,2,3,...,7 (6)
式中，
Figure 386534DEST_PATH_IMAGE016
为k+2时刻定子d轴电流预测值单位，A；
Figure 628160DEST_PATH_IMAGE017
为k+2时刻定子q轴电流预测值，单位A。
5.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤4中，计算k+2时刻7个作用矢量对应的dq轴电流的成本值，计算方法为：
将7组预测的k+2时刻dq轴电流
Figure 903283DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 671388DEST_PATH_IMAGE017
代入下式，计算得到7个对应成本值；
Figure 6554DEST_PATH_IMAGE018
(7)
其中，p为惩罚项，其计算方法是如下：
Figure 863039DEST_PATH_IMAGE019
(8)
式中，
Figure 941854DEST_PATH_IMAGE020
为定子d轴电流参考值，单位A；
Figure 439831DEST_PATH_IMAGE021
为定子q轴电流参考值，单位A；
Figure 336112DEST_PATH_IMAGE022
为允许电流最大值，单位A2；inf为正无穷大。
6.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤5中，计算零矢量作用误差，根据过大误差的出现次数，确定作用零矢量，具体方法为：
采集当前时刻系统dq轴电流的实际值i s d[k]、i s q[k]，与历史对当前时刻的dq轴预测值i d,p[k]、i q,p[k]分别相减，并取绝对值后相加，得到系统的预测误差；
在规定数量的控制周期内，若当前作用零矢量为V 0，对应a、b、c桥臂下管开通上管关断，且判断V 0矢量的预测误差Error0超过正常阈值的次数大于设定的阈值，则在将零矢量转换为V 7，否则保持V 0；若当前作用零矢量为V 7，对应a、b、c桥臂上管开通下管关断，且判断V 7矢量的预测误差Error7过大的次数大于设定的阈值，则将零矢量转换为V 0，否则保持V 7，据此确定采用的作用零矢量。
7.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤6中，根据dq轴电流的成本值，计算作用矢量的作用时间，具体方法为：
判断成本值CostValue最小值对应的作用矢量是否为零矢量，若为零矢量，则确定零矢量作用全部控制周期；若不为零矢量，则确定采用一个非零矢量与一个零矢量共同作用，并依据公式（9）结合该非零矢量与零矢量的成本值，确定其各自的作用时间；
Figure 286750DEST_PATH_IMAGE023
Figure 293890DEST_PATH_IMAGE024
Figure 646373DEST_PATH_IMAGE025
(9)
式中，t n为非零矢量的作用时间，单位s；t z为零矢量的作用时间，单位s；t n、t z满足t n+t z=T s，其中T s为控制周期，J n为成本值最小的非零矢量的成本值，单位A；J z为成本值最小的零矢量的成本值，单位A；λ为权重比。
8.根据权利要求1所述的一种两电平PWM变流器开路故障自愈型容错控制方法，其特征在于，步骤7中，根据作用矢量和作用时间，确定开关管开通时间，产生PWM脉冲，完成容错控制，具体方法为：依据步骤5确定的作用零矢量，以及步骤6确定作用矢量的作用时间，依据如下确定原则，确定各开关管开通时间，并产生PWM脉冲Sa、Sb、Sc完成容错控制，所述确定原则为：
若作用矢量为V 0零矢量，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、0、0；若作用矢量为V 7零矢量，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、T s、T s；若作用矢量为V 0与V 1，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、0、0；若作用矢量为V 0与V 2，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、t n、0；若作用矢量为V 0与V 3，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、t n、0；若作用矢量为V 0与V 4，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、t n、t n；若作用矢量为V 0与V 5，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为0、0、t n；若作用矢量为V 0与V 6，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、0、t n；若作用矢量为V 7与V 1，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、t n、t n；若作用矢量为V 7与V 2，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、T s、t n；若作用矢量为V 7与V 3，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、T s、t n；若作用矢量为V 7与V 4，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、T s、T s；若作用矢量为V 7与V 5，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为t n、t n、T s；若作用矢量为V 7与V 6，则A、B、C桥臂上管高电平下管低电平的时间分别为T s、t n、T s，以上为A、B、C桥臂上管高电平、下管低电平的时间，由于脉冲只有高、低两种状态，因此在一个控制周内其他时间的脉冲为上管低电平、下管高电平。
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