CN113193808A - 一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法，方法包括：基于测得的三相定子电压电流和三相电源侧变换器电流，计算定子磁链和角度，并计算定子侧和电源侧变换器的有功、无功功率；根据上下直流母线电容电压差值计算故障相电流偏置量，计算电源侧变换器有功和无功功率补偿值；在基于空间矢量调制型直接功率控制策略的基础上加入电源侧变换器有功和无功功率补偿值，实现三相四开关电源侧变换器的控制；基于空间矢量调制型直接功率控制策略对三相六开关负载侧变换器进行控制。能够在双馈异步全电船舶电力传动系统中的背靠背电力电子变换器发生桥臂开路故障的情况下，提升双馈异步全电船舶电力传动系统的可靠性和控制响应速度。

Description

一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法

技术领域

本发明属于电机及其系统技术领域，更具体地，涉及一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法。

背景技术

船舶工业的发展对全球交通运输和世界经济具有重要的影响，并且大型船舶的相关技术在军事领域也得到了相当的重视，是国家军事实力的重要体现。为了满足不断提高的船舶用电需求，基于电力推进系统的全电船舶已逐渐成为世界各大型造船厂的船舶生产标准，这也是未来船舶的发展方向。双馈异步全电船舶电力传动系统分别通过基于交流电传输线和背靠背变换器的电能传输通路进行电能输送，可根据电力电子变换器容量和船舶运行模式灵活调整交直流输电的比例。然而电力电子器件故障率高，一旦其发生故障，则可能引起全船停电的灾难性后果。

作为一种硬件结构较为简单的容错型变换器拓扑，三相四开关电力电子变换器拓扑在桥臂开路工况下的使用能够有效提升系统的容错运行能力。然而其上下母线电容电压不平衡的问题会大幅降低功率变换器的直流母线电压利用率，并且传统的基于矢量控制的变换器控制方法也不利于控制系统的快速响应。为了进一步提升双馈异步全电船舶电力传动系统的可靠性和控制响应速度，需要提供基于容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的高响应速度控制解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法，旨在提升双馈异步全电船舶电力传动系统的可靠性和控制系统响应速度。

为实现上述目的，本发明提供了一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法，包括：

当三相六开关电源侧变换器中任一相发生故障时，控制故障相的输出端连接到直流侧母线中点，使得电源侧变换器的拓扑结构变为三相四开关；

将上下直流母线电容电压差值参考值与上下直流母线电容电压差值的差值，依次经低通滤波与母线电压偏置比例控制，得到所述故障相的电流直流偏置分量参考值；并根据所述故障相的电流直流偏置分量参考值，计算三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量；

将所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换以及空间矢量调制，得到两个非故障相的桥臂开关函数，并基于所述两个非故障相的桥臂开关函数控制所述三相四开关电源侧变换器。

进一步地，对直流母线电压参考值与直流母线电压的差值进行PI调节后，与所述直流母线电压相乘得到三相四开关电源侧变换器有功功率参考值。

进一步地，所述三相四开关电源侧变换器有功功率P_ss和无功功率Q_ss表示为：

其中，v_s为三相定子电压，i_ss为三相电源侧变换器电流，θ_e为定子磁链角度，v_sd、v_sq为三相定子电压dq轴分量，i_ssd、i_ssq为三相电源侧变换器电流dq轴分量。

进一步地，所述三相四开关电源侧变换器有功功率和无功功率补偿项P_{ss_com}和Q_{ss_com}表示为：

其中，v_sd、v_sq为三相定子电压dq轴分量，

为dq轴故障相电流直流偏置分量参考值，θ_e为定子磁链角度，

为故障相的电流直流偏置分量参考值，k_pddc为直流母线电压偏置比例控制参数，G_LPF(s)为低通滤波器传递函数，用于提取电流直流偏置成分，ΔV_dc ^*为上下直流母线电容电压差值参考值，ΔV_dc为上下直流母线电容电压差值。

进一步地，所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量具体通过以下方式得到：

对三相四开关电源侧变换器有功功率参考值P_ss ^*减去三相四开关电源侧变换器有功功率P_ss及其补偿值P_{ss_com}之后的值进行PI调节，将进行PI调节后的值的相反数经过与交叉耦合相

ω_eL_ssi_ssd的加减运算，获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号q轴分量u_ssq；对三相四开关电源侧变换器无功功率参考值Q_ss ^*减去三相四开关电源侧变换器无功功率Q_ss及其补偿值Q_{ss_com}之后的值进行PI调节，将进行PI调节后的值加上交叉耦合相ω_eL_ssi_ssq，获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d轴分量u_ssd。

进一步地，将所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换后，获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号u_{ss_abc}，所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号u_{ss_abc}表示为：

所述通过空间矢量调制得到两个非故障相的桥臂开关函数，包括：

当A相故障时，将下直流母线电容电压V_dc2除以额定电压V_nom，加上u_ssb后减去u_ssa，与V_nom/V_dc相乘，获得三相四开关电源侧变换器B相桥臂占空比d_ssb；将V_dc2除以额定电压V_nom，加上u_ssc后减去u_ssa，与V_nom/V_dc相乘，获得三相四开关电源侧变换器C相桥臂占空比d_ssc；

将d_ssb、d_ssc分别与载波信号相比较，得到B、C相桥臂开关函数S_ssb、S_ssc；当d_ssb大于等于载波信号值时S_ssb为1，反之S_ssb为0；当d_ssc大于等于载波信号值时S_ssc为1，反之S_ssc为0。

进一步地，所述方法还包括：

根据三相定子有功功率值、有功功率参考值，得到三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号q轴分量；根据三相定子无功功率值、无功功率参考值，得到三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d轴分量；

将所述三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换后，再通过空间矢量调制得到三相六开关负载侧变换器三相的桥臂开关函数，并基于所述三相的桥臂开关函数控制所述三相六开关负载侧变换器。

进一步地，所述三相定子有功功率P_s和无功功率Q_s表示为：

其中，v_s为三相定子电压，i_ss为三相定子电流，θ_e为定子磁链角度，v_sd、v_sq为三相定子电压dq轴分量，i_sd、i_sq为三相定子电流dq轴分量。

进一步地，将所述三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换后，获得三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号u_{ls_abc}，所述三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号u_{ls_abc}表示为：

所述通过空间矢量调制得到三相六开关负载侧变换器三相的桥臂开关函数，包括：

将u_lsa、u_lsb、u_lsc分别与载波信号相比较，得到三相六开关负载侧变换器A、B、C相桥臂开关函数S_lsa、S_lsb、S_lsc；当u_lsa大于等于载波信号值时S_lsa为1，反之S_lsa为0；当u_lsb大于等于载波信号值时S_lsb为1，反之S_lsb为0；当u_lsc大于等于载波信号值时S_lsc为1，反之S_lsc为0。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明将上下直流母线电容电压的差值经滤波器与母线电压偏置比例控制，得到故障相的电流直流偏置分量参考值，由此计算电源侧变换器有功和无功功率补偿值；在基于空间矢量调制型直接功率控制策略的基础上加入电源侧变换器有功和无功功率补偿值，实现对三相四开关电源侧变换器的控制，提升了双馈异步全电船舶电力传动系统的可靠性和控制响应速度。

(2)本发明计算三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量，通过坐标变换以及空间矢量调制后得到三相六开关负载侧变换器三相的桥臂开关函数，并基于所述三相的桥臂开关函数控制所述三相六开关负载侧变换器，与三相四开关电源侧变换器的控制相配合，进一步提升了双馈异步全电船舶电力传动系统的可靠性和控制响应速度。

附图说明

图1为容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的直接功率控制框图；

图2(a)为三相六开关变换器拓扑图；

图2(b)为三相四开关变换器拓扑图；

图3为三相六开关和三相四开关变换器空间电压矢量分布图；

图4为三相四开关变换器的直接功率控制框图；

图5为三相四开关变换器的开关函数计算图；

图6为三相六开关变换器的直接功率控制框图；

图7为三相六开关变换器的开关函数计算图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的容错型双馈异步全电船舶电力传动系统，包括发电单元、双馈异步电机、背靠背电力电子变换器，所述发电单元与双馈异步电机通过两条并列线路进行连接：其中一条通过交流传输线与双馈异步电动机定子直接相连，另一条通过背靠背电力电子变换器与双馈异步电动机转子相连；所述背靠背电力电子变换器包括三相四开关电源侧变换器和三相六开关负载侧变换器、两个直流母线电容。

如图2(a)所示，为三相六开关变换器拓扑，其中S₁、S₆，S₂、S₅和S₃、S₄分别为A、B、C三相桥臂的开关管，C₁、C₂为两个直流母线电容，V_dc1、V_dc2分别为C₁、C₂的电压。

如图2(b)所示，为A相桥臂发生开路故障后的三相四开关容错型变换器拓扑，将A相连接到直流母线中点O，通过对剩余两相桥臂开关管进行有效控制以实现变换器的故障容错运行。

所述容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的直接功率控制方法包括对三相四开关电源侧变换器和三相六开关负载侧变换器的直接功率控制；

运用双馈异步全电船舶电力传动系统中的电压和电流霍尔传感器分别测出三相定子电压v_s，上下直流母线电容电压V_dc1、V_dc2，三相定子电流i_s和三相电源侧变换器电流i_ss，以便为实现容错型背靠背电力电子变换器的直接功率控制提供反馈值；

运用双馈异步全电船舶电力传动系统中的光电编码器测出转子机械角速度ω_m和转子机械角度θ_m，通过与双馈异步电机极对数n_p相乘得到转子电角速度ω_r和转子电角度θ_r；

并进一步计算双馈异步电机的转差角速度ω_slip和转差角度θ_slip；

所述三相四开关电源侧变换器的直接功率控制包括定子磁链和角度计算、有功与无功功率计算、直流母线电压偏置补偿、桥臂控制信号计算，以及开关函数计算，具体实施方式如下：

(1)定子磁链和角度计算：根据双馈异步电机定子侧电压方程以及测得的三相定子电压v_s和三相定子电流i_s计算定子磁链矢量

以及定子磁链角度θ_e；

双馈异步电机的定子侧电压方程为

其中R_s为定子电阻，ω_e为同步电角速度；对于稳态分析过程，定子磁链的瞬时变化

通常忽略不计，因此通过下列公式计算得到定子磁链：

进一步地，根据定子磁链矢量在两相静止αβ坐标系下分量之间的关系可以计算得到定子磁链角度θ_e；

如果

则

(2)三相四开关电源侧变换器有功与无功功率计算：根据测得的三相定子电压v_s，三相电源侧变换器电流i_ss，以及定子磁链角度θ_e，通过坐标变换获得三相定子电压dq轴分量v_sd、v_sq和三相电源侧变换器电流dq轴分量i_ssd、i_ssq；

从而计算得到三相四开关电源侧变换器有功功率P_ss和无功功率Q_ss；

(3)直流母线电压偏置补偿：如图3所示，图中的圆形表示了直流母线电压的利用率；当上下直流母线电容电压不平衡时，基本电压矢量所形成的菱形的中点将偏离圆心，导致其所包含的圆面积减小，因此直流母线电压的利用率将下降；

为了补偿直流母线电压的偏置，根据测得的上下直流母线电容电压V_dc1、V_dc2计算其差值ΔV_dc，并通过滤波器与比例控制计算故障相电流直流偏置分量参考值

其中，k_pddc为直流母线电压偏置比例控制参数，G_LPF(s)为低通滤波器传递函数，用于提取电流直流偏置成分，ΔV_dc ^*表示上下直流母线电容电压差值参考值，通常设置为0。

结合计算得到的故障相电流直流偏置分量参考值

通过坐标变换获取dq轴故障相电流直流偏置分量参考值

从而计算三相四开关电源侧变换器有功功率和无功功率补偿项P_{ss_com}和Q_{ss_com}；

(4)三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号计算：如图4所示，将V_dc1与V_dc2相加得到直流母线电压V_dc；直流母线电压参考值V_dc ^*减去V_dc，经过直流母线电压比例积分控制器PI_dc，与V_dc相乘得到三相四开关电源侧变换器有功功率参考值P_ss ^*；P_ss ^*减去三相四开关电源侧变换器有功功率P_ss及其补偿值P_{ss_com}，经过三相四开关电源侧变换器电流比例积分控制器PI_ss，其相反数经过与交叉耦合相

ω_eL_ssi_ssd的加减运算，获得电源侧变换器桥臂控制信号q轴分量u_ssq；Q_ss ^*减去三相四开关电源侧变换器无功功率Q_ss及其补偿值Q_{ss_com}，经过PI_ss，加上交叉耦合相ω_eL_ssi_ssq，获得电源侧变换器桥臂控制信号d轴分量u_ssd；通过坐标变换获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号u_{ss_abc}；P_ss ^*、u_ssd、u_ssq、u_{ss_abc}的计算过程由以下公式表示；

P_ss ^*＝(k_pdc+k_idc/s)(V_dc ^*-V_dc)V_dc

其中，

和

分别为定子磁链d、q轴分量，θ_e为定子磁链角度，L_ss为电源侧滤波器电感值，k_pdc、k_idc分别为PI_dc的比例、积分控制参数，k_pss、k_iss分别为PI_ss的比例、积分控制参数，s为微分算子。

(5)三相四开关电源侧变换器开关函数计算：如图5所示，将V_dc2除以额定电压V_nom，加上u_ssb后减去u_ssa，与V_nom/V_dc相乘，获得三相四开关电源侧变换器B相桥臂占空比d_ssb；将V_dc2除以额定电压V_nom，加上u_ssc后减去u_ssa，与V_nom/V_dc相乘，获得三相四开关电源侧变换器C相桥臂占空比d_ssc；将d_ssb、d_ssc分别与载波信号相比较，得到B、C相桥臂开关函数S_ssb、S_ssc；当d_ssb大于等于载波信号值时S_ssb为1，反之S_ssb为0；当d_ssc大于等于载波信号值时S_ssc为1，反之S_ssc为0；d_ssb与d_ssc的计算过程由以下公式表示。

所述三相六开关负载侧变换器的直接功率控制包括定子磁链和角度计算，有功与无功功率计算，桥臂控制信号计算，以及开关函数计算，具体实施方式如下：

(1)定子磁链和角度计算：根据双馈异步电机定子侧电压方程、测得的三相定子电压v_s和三相定子电流i_s，计算定子磁链矢量

以及定子磁链角度θ_e；具体实施方式与上述三相四开关电源侧变换器直接功率控制中的定子磁链和角度计算一致；

(2)三相六开关负载侧变换器有功与无功功率计算：根据测得的三相定子电压v_s，三相定子电流i_s，以及定子磁链角度θ_e，通过坐标变换获得三相定子电压dq轴分量v_sd、v_sq和三相定子电流dq轴分量i_sd、i_sq，从而计算得到三相定子有功功率P_s和无功功率Q_s；

从而计算得到双馈异步电机定子侧有功功率P_s和无功功率Q_s；

(3)三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号计算：如图6所示，结合计算得到的三相定子有功功率P_s，三相定子无功功率Q_s，定子磁链矢量

双馈异步电机转差角速度ω_slip和转差角度θ_slip，计算得到三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号u_{ls_abc}；三相定子有功功率参考值P_s ^*减去三相定子有功功率P_s，经过三相六开关负载侧变换器电流比例积分控制器PI_ls，其相反数与交叉耦合相

相加，获得负载侧变换器桥臂控制信号q轴分量u_lsq；三相定子无功功率参考值Q_s ^*减去三相定子无功功率Q_s，经过PI_ls，加上交叉耦合相

获得负载侧变换器桥臂控制信号d轴分量u_lsd；通过坐标变换获得三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号u_{ls_abc}；u_lsd、u_lsq、u_{ls_abc}的计算过程由以下公式表示；

其中k_pls、k_ils分别为PI_ls的比例、积分控制参数，L_r为转子电感值，L_m为定转子互感值，k_σ＝1.5L_m/(σL_sL_r)，σ为漏感系数，L_s为定子电感值；

(4)三相六开关负载侧变换器开关函数计算：如图7所示，将u_lsa、u_lsb、u_lsc分别与载波信号相比较，得到三相六开关负载侧变换器A、B、C相桥臂开关函数S_lsa、S_lsb、S_lsc；当u_lsa大于等于载波信号值时S_lsa为1，反之S_ssa为0；当u_lsb大于等于载波信号值时S_lsb为1，反之S_ssb为0；当u_lsc大于等于载波信号值时S_ssc为1，反之S_lsc为0。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种容错型双馈异步全电船舶电力传动系统的控制方法，其特征在于，包括：

当三相六开关电源侧变换器中任一相发生故障时，控制故障相的输出端连接到直流侧母线中点，使得电源侧变换器的拓扑结构变为三相四开关；

将上下直流母线电容电压差值参考值与上下直流母线电容电压差值的差值，依次经低通滤波与母线电压偏置比例控制，得到所述故障相的电流直流偏置分量参考值；并根据所述故障相的电流直流偏置分量参考值，计算三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量；

将所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换以及空间矢量调制，得到两个非故障相的桥臂开关函数，并基于所述两个非故障相的桥臂开关函数控制所述三相四开关电源侧变换器。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对直流母线电压参考值与直流母线电压的差值进行PI调节后，与所述直流母线电压相乘得到三相四开关电源侧变换器有功功率参考值。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述三相四开关电源侧变换器有功功率P_ss和无功功率Q_ss表示为：

其中，v_s为三相定子电压，i_ss为三相电源侧变换器电流，θ_e为定子磁链角度，v_sd、v_sq为三相定子电压dq轴分量，i_ssd、i_ssq为三相电源侧变换器电流dq轴分量。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述三相四开关电源侧变换器有功功率和无功功率补偿值P_{ss_com}和Q_{ss_com}表示为：

其中，v_sd、v_sq为三相定子电压dq轴分量，

为dq轴故障相电流直流偏置分量参考值，θ_e为定子磁链角度，

为故障相的电流直流偏置分量参考值，k_pddc为直流母线电压偏置比例控制参数，G_LPF(s)为低通滤波器传递函数，用于提取电流直流偏置成分，ΔV_dc ^*为上下直流母线电容电压差值参考值，ΔV_dc为上下直流母线电容电压差值。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量具体通过以下方式得到：

对三相四开关电源侧变换器有功功率参考值P_ss ^*减去三相四开关电源侧变换器有功功率P_ss及其补偿值P_{ss_com}之后的值进行PI调节，将进行PI调节后的值的相反数经过与交叉耦合相

ω_eL_ssi_ssd的加减运算，获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号q轴分量u_ssq；对三相四开关电源侧变换器无功功率参考值Q_ss ^*减去三相四开关电源侧变换器无功功率Q_ss及其补偿值Q_{ss_com}之后的值进行PI调节，将进行PI调节后的值加上交叉耦合相ω_eL_ssi_ssq，获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d轴分量u_ssd。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，将所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换后，获得三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号u_{ss_abc}，所述三相四开关电源侧变换器桥臂控制信号u_{ss_abc}表示为：

所述通过空间矢量调制得到两个非故障相的桥臂开关函数，包括：

当A相故障时，将下直流母线电容电压V_dc2除以额定电压V_nom，加上u_ssb后减去u_ssa，与V_nom/V_dc相乘，获得三相四开关电源侧变换器B相桥臂占空比d_ssb；将V_dc2除以额定电压V_nom，加上u_ssc后减去u_ssa，与V_nom/V_dc相乘，获得三相四开关电源侧变换器C相桥臂占空比d_ssc；

将d_ssb、d_ssc分别与载波信号相比较，得到B、C相桥臂开关函数S_ssb、S_ssc；当d_ssb大于等于载波信号值时S_ssb为1，反之S_ssb为0；当d_ssc大于等于载波信号值时S_ssc为1，反之S_ssc为0。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据三相定子有功功率值、有功功率参考值，得到三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号q轴分量；根据三相定子无功功率值、无功功率参考值，得到三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d轴分量；

将所述三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换后，再通过空间矢量调制得到三相六开关负载侧变换器三相的桥臂开关函数，并基于所述三相的桥臂开关函数控制所述三相六开关负载侧变换器。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述三相定子有功功率P_s和无功功率Q_s表示为：

其中，v_s为三相定子电压，i_ss为三相定子电流，θ_e为定子磁链角度，v_sd、v_sq为三相定子电压dq轴分量，i_sd、i_sq为三相定子电流dq轴分量。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，将所述三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号d、q轴分量通过坐标变换后，获得三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号u_{ls_abc}，所述三相六开关负载侧变换器桥臂控制信号u_{ls_abc}表示为：

所述通过空间矢量调制得到三相六开关负载侧变换器三相的桥臂开关函数，包括：

将u_lsa、u_lsb、u_lsc分别与载波信号相比较，得到三相六开关负载侧变换器A、B、C相桥臂开关函数S_lsa、S_lsb、S_lsc；当u_lsa大于等于载波信号值时S_lsa为1，反之S_lsa为0；当u_lsb大于等于载波信号值时S_lsb为1，反之S_lsb为0；当u_lsc大于等于载波信号值时S_lsc为1，反之S_lsc为0。

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