CN115642793B - 一种tab变换器开关管开路故障容错控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法与系统。该控制方法包括，确定TAB变换器第二端口、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；获取当前控制周期第二端口、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；将所有相移量输入至移相调制器，进行移相调制，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

Description

一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法与系统

技术领域

本发明属于混合储能用三有源桥变换器控制技术领域，具体涉及一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法与系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

三有源桥(triple-active-bridge，TAB)变换器与双有源桥(dual-active-bridge，DAB)变换器相比，能够更好地实现端口的集中管理，控制灵活性更高，供电可靠性更好，同时器件成本更低。TAB变换器发生开关管开路故障，会造成电感电流的峰值过大，开关损耗增加，甚至损坏其他正常工作的开关器件，威胁系统正常运行。TAB变换器的容错控制能够有效限制电感电流峰值，同时保证重要端口传输功率不变，使得变换器可以在容错后维持运行。

已有的方案采用闭锁开关管的容错策略，且主要应用于DAB变换器。根据电压电流信号，确定故障位置，闭锁故障开关管所在的整个桥臂，以降功率运行为代价限制电感电流峰值，消除直流偏置。

对于现有容错策略，在闭锁故障开关管所在的整个桥臂后，该桥臂所在端口将无法注入功率，因此该方法不适用于功率输出侧的端口，只能应用于功率输入侧端口。此外，将该方法应用于DAB及TAB变换器时，系统须降功率运行，且面对功率需要维持恒定的重要端口时，系统则需要停机检修。因此，该容错策略有明显缺陷。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法与系统，本发明所述的方法无需闭锁功率开关器件，同时适用于功率输入侧端口和功率输出侧端口，能够保证各个端口电感电流峰值不超过系统能承受的最大电流值。面对特定重要端口时，实施该容错策略，可确保重要端口输出功率恒定，无需降功率运行。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法。

一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，包括：

确定TAB变换器第二端口的电流参考值、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；

获取当前控制周期第二端口的输出电流平均值、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；

计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制，并计算第一端口与第二端口之间的移相占空比；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；

将第一端口与第二端口之间的移相占空比以及第一端口与第三端口之间的移相占空比输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

进一步地，判断TAB变换器是否出现开关管开路故障包括：TAB变换器第一端口正常工作时的最大电流值与第一端口的电流峰值进行比较，判断TAB变换器的第一端口对应的电路是否出现开关管开路故障。

进一步地，判断TAB变换器是否出现开关管开路故障包括：第二端口的电流峰值与第二端口正常工作时的最大电流值进行比较，判断TAB变换器的第二端口对应的电路是否出现开关管开路故障。

进一步地，判断TAB变换器是否出现开关管开路故障包括：第三端口的电流峰值与第三端口正常工作时的最大电流值进行比较，判断TAB变换器的第三端口对应的电路是否出现开关管开路故障。

进一步地，TAB变换器在开关管开路状态下第一端口与第二端口之间的传输功率、第一端口与第三端口之间的传输功率以及第二端口与第三端口之间的传输功率为：

其中D₁₂、D₁₃、D₂₃分别表示端口12、端口13、端口23之间的移相占空比，同时D₁₃≥D₁₂；端口1、2、3的传输功率为其相邻两条支路的功率之和，得到：

进一步地，容错后各端口的电感电流满足

i_TLnmax≤i_Lnmax,(n＝1,2,3)。

进一步地，移相占空比D₁₂、D₁₃和D₂₃满足：

其中，D₁₂为第一端口与第二端口之间的移相占空比，D₁₃为第一端口与第三端口之间的移相占空比，D₂₃为移相占空比D₁₃与D₁₂之差。

第二个方面，本发明提供了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制系统。

一种TAB变换器开关管开路故障容错控制系统，包括：

参考数值确定模块，其被配置为：确定TAB变换器第二端口的电流参考值、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；

数据获取模块，其被配置为：获取当前控制周期第二端口的输出电流平均值、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；

判断计算模块，其被配置为：计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制，并计算第一端口与第二端口之间的移相占空比；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；

容错控制模块，其被配置为：将第一端口与第二端口之间的移相占空比以及第一端口与第三端口之间的移相占空比输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明针对TAB变换器的开关管开路故障问题，提供了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法与系统，可实现TAB变换器开关管开路故障的容错控制，该容错控制方法在三个端口均适用，并且在限制电感电流峰值的同时，保持重要端口的传输功率恒定，实现重要负载不降功率运行。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一示出的TAB变换器电路拓扑图；

图2是本发明实施例一示出的TAB变换器星形等效电路图(折算到一次侧)；

图3是本发明实施例一示出的故障波形图；

图4是本发明实施例一示出的TAB变换器三角形等效电路图；

图5是本发明实施例一示出的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法框架图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法。

确定TAB变换器第二端口的电流参考值、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；

获取当前控制周期第二端口的输出电流平均值、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；

计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制，并计算第一端口与第二端口之间的移相占空比；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；

将第一端口与第二端口之间的移相占空比以及第一端口与第三端口之间的移相占空比输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

本实施例的具体方案可以参考以下内容实现：

1、TAB变换器开路故障模型

TAB变换器拓扑如图1所示，变换器采用单移相控制方式。变换器工作于稳态时，u₁、u₂、u₃为方波电压，可等效为方波电压源，折算到一次侧的TAB变换器星形等效电路如图2所示，其中，L₁、L'₂、L'₃表示三个端口的等效电感，i_L1、i'_L2、i'_L3表示流经等效电感的电流值，u₀表示中点电压。由基尔霍夫定律可得：

解得中点电压：

为使TAB变换器各端口具有相同的功率传输能力，则L₁＝L₂'＝L₃'，由式(1)、式(2)可得各端口电感电压(折算到1端口)：

根据图3所示故障波形图(1端口为例)，可以得到各端口电感电流的偏置值关系为：

其中i_L1max表示端口1在正常工作的电感电流峰值。为方便计算，将等效电路进行星三角转换，三角形等效电路如图4所示。变换后电路参数：

变换器开关管出现开路故障时，各端口电流发生偏置，由于前后半周期的功率变换量相互抵消，因此系统在故障后稳态时的传输功率不发生变化。根据DAB变换器的计算公式，可得TAB变换器在开关管开路状态下两个端口之间的传输功率为：

其中D₁₂、D₁₃、D₂₃分别表示端口12、端口13、端口23之间的移相比，同时D₁₃≥D₁₂。端口1、2、3的传输功率为其相邻两条支路的功率之和，可以得到：

2、TAB变换器开路故障容错控制方法

根据电路参数，计算确定故障后各端口电感电流峰值大小，通过确定合适的移相占空比D₁₂、D₁₃、D₂₃，实现容错后各端口的电感电流满足：

i_TLnmax≤i_Lnmax,(n＝1,2,3) (8)

占空比D₁₂、D₁₃、D₂₃的变化将导致各个端口间传输功率随之变化，故所寻找的移相占空比D₁₂、D₁₃、D₂₃需要同时满足：

其中，D₂₃为移相比D₁₃、D₁₂之差，确定D₁₂、D₁₃的值，D₂₃随之确定。

3、如图5所示，本实施例在TAB变换器开关开路故障容错的具体实现方式如下：

步骤一：分别设定端口2、3的输出电流平均值参考值I_{2_ref}和I_{3_ref}，以及变换器运行所允许的最大电流值I_{max_ref}。通过采样，获得当前控制周期各端口电感电流峰值及输出电流平均值。

步骤二：将步骤一中获得的电流值信号与参考值作差，获得误差值并输入至电流控制器。

其中，电流控制器为PI控制器，输出移相控制量。

步骤三：判断变换器是否出现开关管开路故障。若变换器无故障发生，则对端口2进行输出定电流控制，若出现开路故障，则通过过流控制器进行限制峰值电流控制。

其中，过流控制器通过比较电感电流峰值与变换器正常工作时的最大电流值的大小，判断变换器是否出现开关管开路故障。若电感电流峰值不大于变换器正常工作时的最大电流值，变换器未出现开关管开路故障，则一、二端口间的相移量由二端口的输出电流平均值与参考值的偏差量经PI控制器得到。若电感电流峰值高于变换器正常工作时的最大电流值，系统出现开关管开路故障，则一、二端口间的相移量由故障端口电感电流峰值与变换器运行所允许的最大电流值的偏差量经PI控制器得到。

步骤四：端口3始终进行输出定电流控制。对于直流负载而言，实现定电流控制，即传输功率恒定。

步骤五：将所得相移量输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制变换器实现故障后容错控制。

其中，移相调制器的输入量与三角载波进行比较，通过相应的触发器获得开关控制信号。

实施例二

本实施例提供了一种TAB变换器开关管开路故障容错控制系统。

一种TAB变换器开关管开路故障容错控制系统，包括：

参考数值确定模块，其被配置为：确定TAB变换器第二端口的电流参考值、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；

数据获取模块，其被配置为：获取当前控制周期第二端口的输出电流平均值、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；

判断计算模块，其被配置为：计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制，并计算第一端口与第二端口之间的移相占空比；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；

容错控制模块，其被配置为：将第一端口与第二端口之间的移相占空比以及第一端口与第三端口之间的移相占空比输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

此处需要说明的是，上述参考数值确定模块、数据获取模块、判断计算模块和容错控制模块与实施例一中的所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，包括：

确定TAB变换器第二端口的电流参考值、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；

获取当前控制周期第二端口的输出电流平均值、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；

计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制，并计算第一端口与第二端口之间的移相占空比；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；

将第一端口与第二端口之间的移相占空比以及第一端口与第三端口之间的移相占空比输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

2.根据权利要求1所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，判断TAB变换器是否出现开关管开路故障包括：TAB变换器第一端口正常工作时的最大电流值与第一端口的电流峰值进行比较，判断TAB变换器的第一端口对应的电路是否出现开关管开路故障。

3.根据权利要求1所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，判断TAB变换器是否出现开关管开路故障包括：第二端口的电流峰值与第二端口正常工作时的最大电流值进行比较，判断TAB变换器的第二端口对应的电路是否出现开关管开路故障。

4.根据权利要求1所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，判断TAB变换器是否出现开关管开路故障包括：第三端口的电流峰值与第三端口正常工作时的最大电流值进行比较，判断TAB变换器的第三端口对应的电路是否出现开关管开路故障。

5.根据权利要求1所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，TAB变换器在开关管开路状态下第一端口与第二端口之间的传输功率、第一端口与第三端口之间的传输功率以及第二端口与第三端口之间的传输功率为：

其中D₁₂、D₁₃、D₂₃分别表示端口12、端口13、端口23之间的移相占空比，同时D₁₃≥D₁₂；端口1、2、3的传输功率为其相邻两条支路的功率之和，得到：

6.根据权利要求1所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，容错后各端口的电感电流满足

i_TLnmax≤i_Lnmax,(n＝1,2,3)。

7.根据权利要求1所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法，其特征在于，移相占空比D₁₂、D₁₃和D₂₃满足：

其中，D₁₂为第一端口与第二端口之间的移相占空比，D₁₃为第一端口与第三端口之间的移相占空比，D₂₃为移相占空比D₁₃与D₁₂之差。

8.一种TAB变换器开关管开路故障容错控制系统，其特征在于，包括：

参考数值确定模块，其被配置为：确定TAB变换器第二端口的电流参考值、第三端口的电流参考值以及TAB变换器运行所允许的最大电流值；

数据获取模块，其被配置为：获取当前控制周期第二端口的输出电流平均值、第三端口的输出电流平均值以及第一端口的电流峰值；

判断计算模块，其被配置为：计算误差值，输入至电流控制器，输出第一端口与第二端口之间的移相占空比；判断TAB变换器是否出现开关管开路故障，若是，通过过流控制器对第二端口进行限制电流峰值控制，并计算第一端口与第二端口之间的移相占空比；否则，对第二端口进行输出定电流控制；第三端口始终进行输出定电流控制，若TAB变换器发生开路故障，计算第一端口与第三端口之间的移相占空比；

容错控制模块，其被配置为：将第一端口与第二端口之间的移相占空比以及第一端口与第三端口之间的移相占空比输入至移相调制器，进行移相调制，得到各开关管控制信号，控制TAB变换器实现故障后容错控制。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法中的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的TAB变换器开关管开路故障容错控制方法中的步骤。

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