CN114257109B - 一种npc变换器电流传感器故障模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，用于解决变换器的电流传感器故障后能容错运行的问题。其步骤为：首先，根据直流侧电容电压以及历史存储信号计算中点电流；其次，根据直流母线电流和中点电流重构三相电流；然后，根据电网电压、三相电流、变换器输出电压计算预测功率；最后，以预测功率与参考功率误差绝对值及直流侧电容电压差值为依据构建代价函数，将各个电压矢量预测功率带入代价函数选择最小的电压矢量作为最优电压矢量并应用于下一时刻。本发明方法能在NPC三电平并网变换器网侧电流传感器全故障后容错运行，提高了并网系统可靠性。

Description

一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术中的故障检测领域，特别是指一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法。

背景技术

中点钳位型(Neutral Point Clamped，NPC)变换器在新能源并网领域备受关注，然而其控制系统的电流传感器故障会降低并网变换系统的稳定性。因此，提高变换系统可靠性，实现变换系统网侧电流传感器故障后容错运行是一个亟待解决的问题。

针对电流传感器故障后电流重构问题，文献[伍文俊,魏选,王文轩,等.NPC三电平双PWM变换器直流母线电流的重构[J].电力自动化设备,2019,39(10):130-135.]高频化NPC三电平变换器直流母线电流信号，依据功率平衡理论重构直流母线电流。但该方法仅考虑直流母线电流参与电流前馈，未考虑负载侧电流传感器故障的情况。文献[王文杰,闫浩,邹继斌,等.基于混合脉宽调制技术的永磁同步电机过调制区域相电流重构策略[J].中国电机工程学报,2021,41(17):6050-6060.]以两电平并网变换器为研究对象，将测量矢量脉冲插入每个PWM周期的中间和开端，保证了传统SVPWM的对称性，有效提高了变换系统性能。但三电平变换器电流传感器故障容错控制策略还未深入研究。

发明内容

针对NPC三电平并网变换器电网侧电流传感器全故障会降低并网变换系统的稳定性的技术问题，本发明提出了一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，利用直流母线电流和中点电流重构三相电流，并设计中点电流预测模型计算中点电流；在电流传感器故障后能快速实现容错运行。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，其步骤如下：

S1：采集电网电压e_abc(k)、直流母线电流i_dc(k)、直流侧电容电压u_c1(k)、u_c2(k)；读取历史存储信号i_o-n-1和i_o-n-2；

S2：根据直流侧电容电压u_c1(k)、u_c2(k)计算k-1时刻的中点电流i_o(k-1)，并结合历史存储信号i_o-n-1和i_o-n-2计算k时刻的中点电流i_o(k)；

S3：根据直流母线电流i_dc(k)和k时刻的中点电流i_o(k)重构三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)；

S4：分别将电网电压e_abc(k)、三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)、变换器输出电压u_abc(k)经过Clark变换到αβ坐标系中，并经功率预测模型计算预测功率P(k+1)和Q(k+1)；

S5：以预测功率与参考功率误差绝对值及直流侧电容电压差值为依据构建代价函数，将各个电压矢量预测功率带入代价函数选择最小的电压矢量作为最优电压矢量并应用于下一时刻；

S6：在k+1时刻记录实际中点电流i_o(k)并存储，供下一时刻选用。

所述k-1时刻的中点电流i_o(k-1)的计算方法为：

式中：C为电容值，T为采样时间，u_c1(k)为k时刻的直流侧上电容电压，u_c1(k-1)为k-1时刻的直流侧上电容电压，u_c2(k)为k时刻的直流侧下电容电压，u_c2(k-1)为k-1时刻的直流侧下电容电压。

所述k时刻的中点电流i_o(k)的计算方法为：

i_o(k)＝i_o(k-1)+△i_o (2)；

式中：Δi_o表示上一次使用开关状态n时的中点电流实际增量，其表达式为：

△i_o-n＝i_o-n-1-i_o-n-2 (3)；

式中：i_o-n-1当前时刻的前一次使用开关状态n时产生的中点电流，i_o-n-2表示当前时刻的前两次使用开关状态n时产生的中点电流。

所述三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)的重构方法为：

使用电容伏安特性对直流母线电流和中点电流进行电流重构；中点电流与开关状态的关系如式(4)，直流母线电流和三相电流对应关系如式(5)，电源负极支路电流与三相电流对应关系如式(6)，分别表示如下：

式中：S_a，S_b，S_c为三相开关状态值；i_dc为直流母线电流；

联合式(4)、式(5)和式(6)可推得当且仅当ABC三相桥臂开关状态两两相异时有唯一解，重构三相电流如下表所示；

表 重构三相电流

所述预测功率P(k+1)和Q(k+1)的计算方法为：

分别将电网电压e_abc(k)、三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)、变换器输出电压u_abc(k)经过Clark变换到aβ坐标系中，离散化后得到：

式中：i_αβ(k+1)为k+1时刻的并网电流；u_αβ(k)为k时刻的变换器输出电压；e_αβ(k)为k时刻的电网电压；L为滤波电感；R为电阻；T为采样周期；

由瞬时功率理论得电网侧功率：

式中：P(k)为k时刻的电网有功功率；Q(k)为k时刻的电网无功功率；e_α(k)为k时刻的电网电压的α轴分量；e_β(k)为k时刻的电网电压的β轴分量；i_α(k)为k时刻的并网电流的α轴分量；i_β(k)为k时刻的并网电流的β轴分量；

联合式(7)和式(8)可得下一时刻电网侧功率：

式中：e_αβ(k)＝e_αβ(k+1)；P(k+1)为k+1时刻的电网有功功率；Q(k+1)为k+1时刻的电网无功功率；i_α(k+1)为k+1时刻的并网电流的α轴分量；i_β(k+1)为k+1时刻的并网电流的β轴分量。

所述代价函数为：

g＝|P_ref-P(k+1)|+|Q_ref-Q(k+1)|+λ|u_c1(k+1)-u_c2(k+1)| (10)；

式中：g为代价函数；P_ref为参考有功功率；Q_ref为参考无功功率；λ为电压平衡系数；u_c1(k+1)-u_c2(k+1)的表达式为：

式中：S_b(k)表示k时刻b相开关的状态值；S_c(k)表示k时刻c相开关的状态值。

与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

1)本发明解决了电流传感器故障后容错连续运行问题，提高了并网系统可靠性。

2)本发明介绍了中点电流预测方法、故障电流重构方法和容错控制策略，并通过实验验证了本发明方法的有效性。

3)本发明输出电流波形正弦度良好，输出功率稳定，动态响应下电流波形连续平滑，有良好的动态和稳态性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为NPC三电平并网变换器拓扑结构图。

图2为电流传感器故障前后电压矢量图，其中，(a)为正常状态，(b)为网侧传感器全故障状态。

图3为本发明的流程图。

图4为电流传感器故障前后稳态电流变化曲线。

图5为参考功率P_ref＝2kW突变至P_ref＝1kW的重构三相电流波形。

图6为参考功率P_ref＝1kW突变至P_ref＝2kW的重构三相电流波形。

图7为网侧电流传感器全故障前后动态电流。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明实施例提供了一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，其步骤如下：

S1：采集电网电压e_abc(k)、直流母线电流i_dc(k)、直流侧电容电压u_c1(k)、u_c2(k)；读取历史存储信号i_o-n-1和i_o-n-2；

S2：根据直流侧电容电压u_c1(k)、u_c2(k)计算k-1时刻的中点电流i_o(k-1)，并结合历史存储信号i_o-n-1和i_o-n-2计算k时刻的中点电流i_o(k)；

如图1，NPC三电平并网变换器直流侧有两个相同的电容C₁、C₂其流经电流分别为i_c1和i_c2，则中点电流i_o可得。根据电容伏安特性求出电容电流，获得中点电流，如式(1)。

式中：C为电容值，T为采样时间，u_c1(k)为k时刻的直流侧上电容电压，u_c1(k-1)为k-1时刻的直流侧上电容电压，u_c2(k)为k时刻的直流侧下电容电压，u_c2(k-1)为k-1时刻的直流侧下电容电压。

将开关状态n前两次作用时产生的中点电流i_o-n-1和i_o-n-2记录。则k时刻中点电流可近似计算，如式(2)，记录如表1。

i_o(k)＝i_o(k-1)+△i_o (2)；

式中：Δi_o表示上一次使用开关状态n时的中点电流实际增量，其表达式为：

△i_o-n＝i_o-n-1-i_o-n-2 (3)；

式中：i_o-n-1当前时刻的前一次使用开关状态n时产生的中点电流，i_o-n-2表示当前时刻的前两次使用开关状态n时产生的中点电流；k时刻中点电流由k+1时刻计算、记录。

表1中点电流记录表

	0	…	m
				io(k-1)	io(k-1)	…	io(k-1)
Δio-n	Δio-0	…	Δio-m

S3：根据直流母线电流i_dc(k)和k时刻的中点电流i_o(k)重构三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)；

当NPC三电平并网变换器网侧电流传感器全部故障，并网控制系统失效，对电网稳定运行造成严重影响。为实现NPC三电平并网变换器电流传感器故障后容错运行，使用电容伏安特性对直流母线电流和中点电流进行电流重构。不同开关状态会产生不同的中点电流，中点电流与开关状态的关系如式(4)，直流母线电流和三相电流对应关系如式(5)，电源负极支路电流与三相电流对应关系如式(6)，分别表示如下：

式中：S_a，S_b，S_c为三相开关状态值；i_dc为直流母线电流。

联合式(4)、式(5)和式(6)可推得当且仅当ABC三相桥臂开关状态两两相异时有唯一解，重构三相电流如表2所示；故障前后电压矢量图如图2。

表2重构三相电流

S4：分别将电网电压e_abc(k)、三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)、变换器输出电压u_abc(k)经过Clark变换到αβ坐标系中，并经功率预测模型计算预测功率P(k+1)和Q(k+1)；

使用基尔霍夫电压定律，分别将电网电压e_abc(k)、三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)、变换器输出电压u_abc(k)经过Clark变换到αβ坐标系中，离散化后得到：

式中：i_αβ(k+1)为k+1时刻的并网电流；u_αβ(k)为k时刻的变换器输出电压；e_αβ(k)为k时刻的电网电压；L为滤波电感；R为电阻；T为采样周期。

由瞬时功率理论得电网侧功率：

式中：P(k)为k时刻的电网有功功率；Q(k)为k时刻的电网无功功率；e_α(k)为k时刻的电网电压的α轴分量；e_β(k)为k时刻的电网电压的β轴分量；i_α(k)为k时刻的并网电流的α轴分量；i_β(k)为k时刻的并网电流的β轴分量。

联合式(7)和式(8)可得下一时刻电网侧功率：

式中：e_αβ(k)＝e_αβ(k+1)；P(k+1)为k+1时刻的电网有功功率；Q(k+1)为k+1时刻的电网无功功率；i_α(k+1)为k+1时刻的并网电流的α轴分量；i_β(k+1)为k+1时刻的并网电流的β轴分量。

S5：以预测功率与参考功率误差绝对值及直流侧电容电压差值为依据构建代价函数，将各个电压矢量预测功率带入代价函数选择最小的电压矢量作为最优电压矢量并应用于下一时刻；

根据图2，在电网侧电流传感器全故障后仅有6个中矢量可以重构三相电流，并参与模型预测控制。设计预测功率与参考功率误差绝对值及直流侧电容电压差值为代价函数g，如式(10)。

g＝|P_ref-P(k+1)|+|Q_ref-Q(k+1)|+λ|u_c1(k+1)-u_c2(k+1)| (10)；

式中：g为代价函数；P_ref为参考有功功率；Q_ref为参考无功功率；λ为电压平衡系数；u_c1(k+1)-u_c2(k+1)的表达式为：

式中：S_b(k)表示k时刻b相开关的状态值；S_c(k)表示k时刻c相开关的状态值。

将图2中所有电压矢量计算得到的预测功率依次带入代价函数，将代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量作用于下一周期。

S6：在k+1时刻记录实际中点电流i_o(k)并存储，供下一时刻选用。

实验验证

基于硬件在环实验平台验证所提控制策略，采用MYWAY公司台风HIL 602+作为硬件电路，PE Expert4作为控制器，控制芯片TMS320C6657，实验参数为：直流电压400V，电网线电压110V，电网频率50Hz，采样频率10kHz，滤波电感10mH，寄生电阻0.05Ω，直流电容2020μF。

1)稳态实验

为验证所提出的电流重构方法的有效性，对其稳态控制性能进行了测试，并与常规的NPC三电平并网变流器进行了比较。图4显示了参考功率P_ref＝2kW，Q_ref＝0var时，正常状态，网侧电流传感器全部故障后及容错运行的三相电流和功率波形。

在图4中，当参考功率P_ref＝2kW，Q_ref＝0var，单位功率因数运行。正常状态下电流稳定，输定功率稳定。当电网侧电流传感器故障后，若未使用容错控制策略，变换器处于故障状态。由于电流传感器故障导致电流严重畸变，根据瞬时功率理论计算功率，输出功率发生严重偏移，有功功率和无功功率在0～300W/var之间波动，输出功率不稳定。使用所提容错控制策略，在电流传感器故障后输出电流THD为4.51％，电流波形稳定，输出功率稳定，满足并网要求。所以，NPC三电平变换器在电流传感器故障后使用所提控制策略能保持容错连续运行。

2)动态实验

图5为当参考功率P_ref＝2kW突变至P_ref＝1kW时的三相重构电流波形，图6为当参考电流从P_ref＝1kW突变至P_ref＝2kW时的三相重构电流波形。根据图5和图6，重构三相电流能在1ms内响应迅速参考值的变化。

图7显示了NPC三电平并网变换器从网侧电流传感器全故障到三相电流重构的动态过程。当网侧电流传感器全部故障后，三相电流几乎为零，传统控制策略失效。在应用所提控制策略后，NPC三电平并网变换器在5ms内调整到容错工作状态稳定运行。进一步验证了所提控制策略的有效性，提高了NPC并网变换器的可靠性。

针对NPC三电平并网变换器电流传感器故障问题，本发明提出了一种基于电流重构的模型预测控制策略，实现了电流传感器故障后容错连续运行问题，提高了并网系统可靠性。介绍了所提控制策略的中点电流预测方法、故障电流重构方法和容错控制策略，并通过实验验证了所提控制策略的有效性。所提控制策略输出电流波形正弦度良好，输出功率稳定，动态响应下电流波形连续平滑，有良好的动态和稳态性能。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，其特征在于，其步骤如下：

S1：采集电网电压e_abc(k)、直流母线电流i_dc(k)、直流侧电容电压u_c1(k)、u_c2(k)；读取历史存储信号i_o-n-1和i_o-n-2；

S2：根据直流侧电容电压u_c1(k)、u_c2(k)计算k-1时刻的中点电流i_o(k-1)，并结合历史存储信号i_o-n-1和i_o-n-2计算k时刻的中点电流i_o(k)；

所述k-1时刻的中点电流i_o(k-1)的计算方法为：

式中：C为电容值，T为采样时间，u_c1(k)为k时刻的直流侧上电容电压，u_c1(k-1)为k-1时刻的直流侧上电容电压，u_c2(k)为k时刻的直流侧下电容电压，u_c2(k-1)为k-1时刻的直流侧下电容电压；

所述k时刻的中点电流i_o(k)的计算方法为：

i_o(k)＝i_o(k-1)+△i_o (2)；

式中：Δi_o表示上一次使用开关状态n时的中点电流实际增量，其表达式为：

△i_o-n＝i_o-n-1-i_o-n-2 (3)；

式中：i_o-n-1当前时刻的前一次使用开关状态n时产生的中点电流，i_o-n-2表示当前时刻的前两次使用开关状态n时产生的中点电流；

S3：根据直流母线电流i_dc(k)和k时刻的中点电流i_o(k)重构三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)；

所述三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)的重构方法为：

使用电容伏安特性对直流母线电流和中点电流进行电流重构；中点电流与开关状态的关系如式(4)，直流母线电流和三相电流对应关系如式(5)，电源负极支路电流与三相电流对应关系如式(6)，分别表示如下：

式中：S_a，S_b，S_c为三相开关状态值；i_dc为直流母线电流；

联合式(4)、式(5)和式(6)可推得当且仅当ABC三相桥臂开关状态两两相异时有唯一解，重构三相电流如下表所示；

表重构三相电流

电压矢量 A相电流i_a B相电流i_b C相电流i_c (1,0,-1) i_dc i_o -i_dc-i_o (0,1,-1) i_o i_dc -i_dc-i_o (-1,1,0) -i_dc-i_o i_dc i_o (-1,0,1) -i_dc-i_o i_o i_dc (0,-1,1) i_o -i_dc-i_o i_dc (1,-1,0) i_dc -i_dc-i_o i_o

S4：分别将电网电压e_abc(k)、三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)、变换器输出电压u_abc(k)经过Clark变换到αβ坐标系中，并经功率预测模型计算预测功率P(k+1)和Q(k+1)；

S5：以预测功率与参考功率误差绝对值及直流侧电容电压差值为依据构建代价函数，将各个电压矢量预测功率带入代价函数选择最小的电压矢量作为最优电压矢量并应用于下一时刻；

S6：在k+1时刻记录实际中点电流i_o(k)并存储，供下一时刻选用。

2.根据权利要求1所述的NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，其特征在于，所述预测功率P(k+1)和Q(k+1)的计算方法为：

分别将电网电压e_abc(k)、三相电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)、变换器输出电压u_abc(k)经过Clark变换到αβ坐标系中，离散化后得到：

式中：i_αβ(k+1)为k+1时刻的并网电流；u_αβ(k)为k时刻的变换器输出电压；e_αβ(k)为k时刻的电网电压；L为滤波电感；R为电阻；T为采样周期；

由瞬时功率理论得电网侧功率：

式中：P(k)为k时刻的电网有功功率；Q(k)为k时刻的电网无功功率；e_α(k)为k时刻的电网电压的α轴分量；e_β(k)为k时刻的电网电压的β轴分量；i_α(k)为k时刻的并网电流的α轴分量；i_β(k)为k时刻的并网电流的β轴分量；

联合式(7)和式(8)可得下一时刻电网侧功率：

式中：e_αβ(k)＝e_αβ(k+1)；P(k+1)为k+1时刻的电网有功功率；Q(k+1)为k+1时刻的电网无功功率；i_α(k+1)为k+1时刻的并网电流的α轴分量；i_β(k+1)为k+1时刻的并网电流的β轴分量。

3.根据权利要求2所述的NPC变换器电流传感器故障模型预测控制方法，其特征在于，所述代价函数为：

g＝|P_ref-P(k+1)|+|Q_ref-Q(k+1)|+λ|u_c1(k+1)-u_c2(k+1)| (10)；

式中：g为代价函数；P_ref为参考有功功率；Q_ref为参考无功功率；λ为电压平衡系数；u_c1(k+1)-u_c2(k+1)的表达式为：

式中：S_b(k)表示k时刻b相开关的状态值；S_c(k)表示k时刻c相开关的状态值。

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