CN112803484B - 基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法，其特征在于包括步骤：1):模型构建，搭建多电平并网逆变器系统(单独的设备可以称为器械，多个设备称为系统合适)模型；2):故障特征补偿重构，当模型出现电流传感器故障时，均值电流补偿模型对坐标变换后的故障特征进行补偿与重构；3):确认故障类型，故障特征重构后，通过快速傅里叶变换FFT+主成分分析PCA+支持向量机SVM的诊断策略进行诊断以便有效进行后续容错控制；4):容错仿真验证，针对单相传感器漂移故障和多相传感器漂移故障诊断结果实施容错策略：单相传感器漂移故障状态下，根据均值电流补偿模型输出便可以得到相应补偿量完成容错控制；多相传感器漂移故障状态下，需要辅助传感器与均值电流补偿模型相配合完成容错控制。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，闭环控制领域，具体涉及一种基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法。
背景技术
近年来，随着能源需求的不断增长，可再生能源的分布式发电系统得到了迅速的发展。并网逆变器是分布式发电系统与公用电网之间的重要接口，可以实现直流/交流电源转换。在各种并网逆变器拓扑中，级联H桥多电平逆变器具有谐波含量低，开关损耗小和易模块化的优点，因此已广泛用于可再生能源并网系统，例如光伏发电或风能系统。可靠性是电力电子系统的关键性能指标，因为每个部分发生的任何故障都可能导致系统崩溃。逆变器具有复杂的故障情况，因此，为了使逆变器在故障情况下快速恢复正常，减少经济损失，容错控制就显得愈发重要。多电平逆变器容错控制过程中会遇到以下问题：
1)传统电流控制结构会造成传感器部分故障特征的消失。
2)多相传感器同时故障的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法，适用的故障情况有，单相传感器漂移故障与多相传感器漂移故障。
本发明提供的一种基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法，包括以下步骤：
步骤1:模型构建
搭建多电平并网逆变系统模型；
步骤2:故障特征补偿重构
当模型出现电流传感器故障时，均值电流补偿模型对坐标变换后的故障特征进行补偿与重构；
步骤3:确认故障类型，
故障特征重构后，通过快速傅里叶变换FFT、主成分分析PCA和支持向量机SVM的诊断策略进行诊断以便有效进行后续容错控制；
步骤4:容错仿真验证
针对单相传感器漂移故障和多相传感器漂移故障诊断结果实施容错策略：
单相传感器漂移故障状态下，根据均值电流补偿模型输出便可以得到相应补偿量完成容错控制；
多相传感器漂移故障状态下，需要辅助传感器与均值电流补偿模型相配合完成容错控制。
作为本发明进一步的改进，所述步骤2具体为：
1)建立三相均值电流补偿模型，并将其补偿至αβ坐标系下的感应电流，补偿后的αβ坐标系感应电流为：
其中Ia,Ib,Ic为三相电流传感器的感应电流，Iα,Iβ为αβ坐标系下的感应电流；
在传感器漂移故障情况下，三相均值电流补偿结构能进行故障特征重构，重构后的αβ坐标系下的漂移故障特征为:
其中Da,Db,Dc为每一相传感器的漂移故障特征，Dave为由三相均值电流补偿模型得到的漂移故障特征。
作为本发明进一步的改进：所述步骤4具体为：
直接补偿模型：适用于单相传感器漂移故障，其故障特征Dx的补偿量计算为：
Rave＝-3×Dave＝-Dx
辅助传感器模型：适用于多相传感器漂移故障，其故障特征补偿量为：
其中D'a,D'b,D'c由辅助传感器模型计算得到：
D'b＝Ib-2IR1，D'c＝Ic-2IR2，D'a＝3×Dave-D'b-D'c
其中IR1与IR2分别是辅助传感器在不同开关状态下的感应电流。
作为本发明进一步的改进，所述多相传感器漂移故障状态下，需要辅助传感器与均值电流补偿模型相配合完成容错控制：
当得到多相传感器漂移故障的诊断结果时，辅助传感器模型的状态1启动，计算得到B相传感器的漂移量，然后状态切换开关S1,S2动作，辅助传感器模型切换到状态2，计算得到C相传感器漂移量，再根据电流均值补偿模型的输出计算得到A相传感器的漂移量，从而所有电流传感器的漂移量都已计算出来，将其补偿至αβ坐标系下的感应电流，完成容错控制。
本发明公开了一种基于均值电流补偿的并网逆变器容错控制方法，由均值电流补偿模型与多模态容错控制方法两部分组成：均值电流补偿模型将计算出的三相电流平均值补偿至αβ轴电流；多模态容错控制包括直接补偿模型与辅助传感器模型，分别将补偿信号补偿给相应的感应电流。本发明通过均值电流补偿模型，实现了对不同传感器漂移故障的容错控制，并且使传感器漂移故障具有更加容易区分的特征，提高了故障诊断准确率。本发明通过不同模态的容错控制模型可以实现多个传感器的容错控制。本发明可以同时提高故障诊断的准确率。本发明对任意程度的传感器漂移故障都适用。
附图说明
图1为实施例1的基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法的多电平逆变器的系统整体结构示意图。
图2为实施例1的基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法的三相级联H桥多电平并网逆变系统模型示意图。
图3为实施例1的基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法的辅助传感器模型示意图。
图4为实施例1的基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法的单相传感器漂移故障、多相传感器漂移故障，容错控制前后电网电流波形图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明提供的一种基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法做进一步更详细的说明：
实施例1
本实施例的基于均值电流补偿模型的多模态容错控制方法，其中多电平逆变器的系统整体结构示意图如图1所示。
本实施例的基于均值电流补偿模型的多模态容错控制方法的工作原理是对经过坐标变换后的故障特征进行补偿，重构故障特征，使其可以被识别并通过诊断算法确认故障类型。从而针对不同的故障类型，采用相应的容错控制模型，使故障状态下，使发生不平衡与畸变的电网电流恢复正常。
下面介绍本发明提出的基于均值电流补偿模型的多模态容错方法，包括模型构建、故障特征补偿重构，确认故障类型、针对不同的故障类型实施不同的容错策略及仿真验证阶段。
具体的步骤如下：
步骤1:模型构建
采用Matlab/Simulink搭建一个三相级联H桥五电平并网逆变系统模型，结构示意如图2所示。本模型中逆变器的每一相由两个H桥基本单元组成，电流控制结构根据锁相环提供的相位信息，将检测到的电流从abc坐标系转换为dq与αβ坐标系，并使用PI比例积分控制器对电流进行控制，然后可以获得调制电压V，根据调制电压，采用载波移相调制技术生成脉宽调制(PWM)信号，从而实现对多电平并网逆变器的控制。
步骤2:故障特征补偿重构
当图2模型出现电流传感器故障时，通过图1中的均值电流补偿模型对坐标变换后的故障特征进行补偿与重构。
步骤3:确认故障类型，
如图1中所示，故障特征重构后，通过快速傅里叶变换FFT+主成分分析PCA+支持向量机SVM的诊断策略，进行诊断，准确率可以达到100％，在未对故障特征重构时，存在多个相似故障，诊断准确率仅可以达到93.73％，无法有效进行后续容错控制。
步骤4:容错仿真验证
针对不同的故障诊断结果实施容错策略，分为两种情况：单相传感器漂移故障，多相传感器漂移故障。
单相传感器漂移故障状态下，根据均值电流补偿模型输出便可以得到相应补偿量完成容错控制。
多相传感器漂移故障状态下，需要辅助传感器与均值电流补偿模型相配合完成容错控制。如图3所示，当得到多相传感器漂移故障的诊断结果时，辅助传感器模型的状态1启动，计算得到B相传感器的漂移量，然后状态切换开关S1,S2动作，辅助传感器模型切换到状态2，计算得到C相传感器漂移量，再根据电流均值补偿模型的输出计算得到A相传感器的漂移量。从而所有电流传感器的漂移量都已计算出来，将其补偿至αβ坐标系下的感应电流。完成容错控制，其容错前后输出电压波形对比图如图4所示。在图4中，0.2至0.3s为正常状态，0.3至0.4s为故障状态，0.4至0.6为容错后状态。通过容错前后输出电压波形的对比可看出，在容错方法实施后，可以在短时间内，使不平衡或发生畸变的故障状态电网电流恢复正常。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (3)
1.基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1:模型构建
搭建多电平并网逆变器系统模型；
步骤2:故障特征补偿重构
当模型出现电流传感器故障时，均值电流补偿模型对坐标变换后的故障特征进行补偿与重构；
步骤3:确认故障类型，
故障特征重构后，通过快速傅里叶变换FFT、主成分分析PCA和支持向量机SVM的诊断策略进行诊断以便有效进行后续容错控制；
步骤4:容错仿真验证
针对单相传感器漂移故障和多相传感器漂移故障诊断结果实施容错策略：
单相传感器漂移故障状态下，根据均值电流补偿模型输出便可以得到相应补偿量完成容错控制；
多相传感器漂移故障状态下，需要辅助传感器与均值电流补偿模型相配合完成容错控制；
所述步骤4具体为：
直接补偿模型：适用于单相传感器漂移故障，其故障特征Dx的补偿量计算为：
Rave＝-3×Dave＝-Dx
其中Dave为由三相均值电流补偿模型得到的漂移故障特征；
辅助传感器模型：适用于多相传感器漂移故障，其故障特征补偿量为：
其中D'a,D'b,D'c由辅助传感器模型计算得到：
D'b＝Ib-2IR1，D'c＝Ic-2IR2，D'a＝3×Dave-D'b-D'c
其中Ib,Ic为b相、c相电流传感器的感应电流，IR1与IR2分别是辅助传感器在不同开关状态下的感应电流；所述多相传感器漂移故障状态下，需要辅助传感器与均值电流补偿模型相配合完成容错控制：
当得到多相传感器漂移故障的诊断结果时，辅助传感器模型的状态1启动，计算得到B相传感器的漂移量，然后状态切换开关S1,S2动作，辅助传感器模型切换到状态2，计算得到C相传感器漂移量，再根据电流均值补偿模型的输出计算得到A相传感器的漂移量，从而所有电流传感器的漂移量都已计算出来，将其补偿至αβ坐标系下的感应电流，完成容错控制。
2.根据权利要求1所述的基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法，其特征在于所述步骤2具体为：
1)建立三相均值电流补偿模型，并将其补偿至αβ坐标系下的感应电流，补偿后的αβ坐标系感应电流为：
其中Ia,Ib,Ic为三相电流传感器的感应电流，Iα,Iβ为αβ坐标系下的感应电流；
在传感器漂移故障情况下，三相均值电流补偿结构能进行故障特征重构，重构后的αβ坐标系下的漂移故障特征为:
其中Da,Db,Dc为每一相传感器的漂移故障特征，Dave为由三相均值电流补偿模型得到的漂移故障特征。
3.根据权利要求1所述的基于均值电流补偿模型的多电平并网逆变器容错控制方法，其特征在于：
所述步骤1:模型构建
采用Matlab/Simulink搭建一个三相级联H桥五电平并网逆变系统模型，该模型中逆变器的每一相由两个H桥基本单元组成，电流控制结构根据锁相环提供的相位信息，将检测到的电流从abc坐标系转换为dq与αβ坐标系，并使用PI比例积分控制器对电流进行控制，然后可以获得调制电压V，根据调制电压，采用载波移相调制技术生成脉宽调制PWM信号，从而实现对多电平并网逆变器的控制。
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