一种双向AC/DC变换器故障容错模型及其控制方法与流程

本发明属于智能电网的技术领域，具体涉及一种双向AC/DC变换器故障容错模型及其控制方法。

背景技术：

大容量电能转换系统的可靠性和故障容错运行能力是电力电子装置投运的首要基础问题，也是构建坚强智能电网的前提基础。在混合微电网中，双向AC/DC变换器控制着直流母线和交流母线间的电能双向流动，是连接混合微电网的“纽带”和关键设备，对微电网的可靠运行发挥着重要作用。作为混合微电网控制双向电能转换的核心部件，双向AC/DC变换器的正常工作是整个系统安全稳定运行的基础，一旦出现故障将会造成直流微电网与交流微电网的解列，对电网造成很大的冲击，威胁电网安全稳定运行和重要用户的可靠用电。然而，大功率全控型开关器件应用在高电压、大容量、高功率密度、高频开关状态时，浪涌、尖峰等瞬态过程会影响器件的可靠运行，使得变流器容易出现故障。因此，从提高可靠性角度对双向AC/DC变换器故障容错机制及控制方法研究具有重要意义。

为提高系统故障容错能力，故障后重新配置变换器结构并结合相应的控制策略，以维持系统容错连续运行。文献“容错三相四开关逆变器控制策略，中国电机工程学报，2010”提出基于补偿电压矢量的四开关逆变器SVPWM过调制方法，以提高直流电源电压利用率。文献“变频器故障诊断及容错控制研究综述.电工技术学报,2015”揭示了四开关逆变器SVPWM控制的本质，即以两路相位相差60°的正弦波为隐含调制函数的SPWM控制。文献“三相四开关并联有源电力滤波器的控制方法。电工技术学报,2014”分析了指令电压矢量不能正常合成的原因，并根据不连续脉宽调制控制思想提出了一种不改变整流器拓扑结构的容错控制算法。以上对变换器的故障容错研究是基于SVPWM控制方法，需要进行坐标变换和扇区选择，计算量偏大，算法复杂。

目前，在电机控制、PWM整流、并网逆变等单向电能转换领域进行了故障容错方法的相关研究，且常用的容错控制策略，主要采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的双环控制，即外部电压环控制直流侧电压恒定，内部电流环控制交流侧电流波形。对双向AC/DC变换器的故障容错方法研究较少，需要深入分析故障下控制策略对并网电能质量和交直流双向电能转换复杂过程的影响关系。

技术实现要素：

现有变换器故障容错控制是基于SVPWM控制方法，本发明要解决其需要进行坐标变换和扇区选择，计算量偏大，算法复杂且双向AC/DC变换器的故障容错方法研究较少等技术问题，从而提供一种双向AC/DC变换器故障容错模型及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种双向AC/DC变换器故障容错模型的控制方法，步骤如下，

步骤S1，构造双向AD/DC变换器故障模型的开关状态S_i；

其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；i相故障，有S_i＝1/2。

S2，获取αβ两相静止坐标下双向AC/DC变换器的输出电压矢量U_j与开关状态S_i的表达式。

S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向AC/DC变换器的输出电压与开关状态S_i的计算公式，具体如下：

其中，U_dc为直流母线电压，u_an为双向AC/DC变换器的a相输出电压；u_bn为双向AC/DC变换器的b相输出电压；u_cn为双向AC/DC变换器的c相输出电压；S_a为a相的开关状态值；S_b为b相的开关状态值；S_c为c相的开关状态值；且S_a、S_b和S_c中有且仅有一个为1/2。

S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向AC/DC变换器输出电压U_j与开关状态S_i的表达式，具体如下：

其中，u_α为输出电压的α分量；u_β为输出电压的β分量；U_dc为直流母线电压，S_a为a相的开关状态值；S_b为b相的开关状态值；S_c为c相的开关状态值，且S_a、S_b和S_c中有且仅有一个为1/2。

S3，构造双向AC/DC变换器与输出电压U_j有关的功率预测模型。

S3.1，根据基尔霍夫定律，得到双向AC/DC变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程；

其中，u_an为双向AC/DC变换器的a相输出电压；u_bn为双向AC/DC变换器的b相输出电压；u_cn为双向AC/DC变换器的c相输出电压；i_a为双向AC/DC变换器的a相输出电流；i_b为双向AC/DC变换器的b相输出电流；i_c为双向AC/DC变换器的c相输出电流；e_a为电网a相电压；e_b为电网b相电压；e_c为电网c相电压；L为电感；R为电阻。

S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：

式中，L为电感；R为电阻；e_α为电网电压的α分量；e_β为电网电压的β分量；i_α为双向AC/DC变换器的输出电流的α分量；i_β为双向AC/DC变换器的输出电流的β分量；u_α为输出电压的α分量；u_β为输出电压的β分量。

S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化，得到双向AC/DC变换器在t_k+1时刻预测电流：

式中，为t_k+1时刻输出电流预测值的α分量；i_β(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的β分量；i_α(k)为t_k时刻输出电流的α分量；i_β(k)为t_k时刻输出电流的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量；u_α(k)为t_k时刻输出电压的α分量；u_β(k)为t_k时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；T_s为采样频率。

S3.4，根据电网侧复功率S,得到双向AC/DC变换器的功率计算公式；

电网侧复功率S计算公式如下：

式中：“*”表示共轭，e_α为电网电压的α分量；e_β为电网电压的β分量；i_α为输出电流的α分量；i_β为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率。

由公式7得到功率计算公式，具体为，

S3.5，对于三相平衡电网，当采样频率T_s较高时令：

S3.6，将步骤S3.5中的公式9代入步骤S3.4的公式5中，得到t_k+1时刻双向AC/DC变换器的功率预测模型：

式中，p(k+1)为t_k+1时刻有功功率预测值；q(k+1)为t_k+1时刻无功功率预测值；i_α(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的α分量；i_β(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量。

S3.7，将步骤S3.3中的公式6代入到步骤S3.6的公式10中，得到双向AC/DC变换器与输出电压矢量有关的功率预测模型；

具体为：

式中，i_α(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电流的α分量；i_β(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电流的β分量；u_α(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电压的α分量；u_β(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电压的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量。

S4，构造价值函数g；价值函数g的公式为：

g＝|p_ref-p(k+1)|+|q_ref-q(k+1)| (12)；

式中，p_ref为有功功率给定值；q_ref为无功功率给定值；p(k+1)为t_k+1时刻有功功率预测值；q(k+1)为t_k+1时刻无功功率预测值。

S5，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态S_i赋初值。

S6，采集电网电压e_a、e_b、e_c，进行Clark变换得到电网电压的α分量e_α和β分量e_β；采集双向AC/DC变换器的输出电流i_a、i_b、i_c并进行Clark变换得到双向AC/DC变换器输出电流的α分量i_α和β分量i_β。

S7，结合步骤S2和步骤S6计算当前开关状态下的输出电压矢量U_j。

S8，结合步骤S3和步骤S7计算双向AC/DC变换器的功率预测值。

S9，集合步骤S4和步骤S8计算价值函数g。

S10，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m。

S11，判断循环次数是否达到设定值，当循环次数小于设定值时，改变开关状态值，重复步骤S6-S10；当循环次数等于设定值时，输出最小价值函数g所对应的输出电压矢量U_j；输出电压矢量U_j所对应的开关状态应用于下一时刻，实现直接功率控制。

本发明采用模型预测控制作为一种新型的控制策略，具有良好的自适应性和鲁棒性，且不需要内环电流控制和PWM调制，控制方案容易实现，且输出功率波形平稳，能够容错连续运行。本发明采用模型预测直接功率控制方法，通过改变给定有功功率的数值即可实现双向AC/DC变换器在逆变和整流模式之间柔性“无缝”切换，同时使用该控制方法能够直接输出控制信号，无须对PWM进行调制，易于实现。

一种双向AC/DC变换器故障容错模型，包括直流母线、交流母线、第一开关组、第二开关组、第三开关组、电容组，电容组、第一开关组、第二开关组和第三开关组相互并联连接在直流母线上，且第一开关组的第一开关ⅠS1和第一开关ⅡS4之间通过串联连接的电感L和电阻R与交流母线的A相连接，并通过第一双向晶闸管TR连接在电容组的第一电容C1和第二电容C2之间；第二开关组的第二开关ⅠS2和第一开关ⅡS5之间通过串联连接的电感L和电阻R与交流母线的B相连接，并通过第二双向晶闸管TR连接在电容组的第一电容C1和第二电容C2之间；第三开关组的第三开关ⅠS3和第三开关ⅡS6之间通过串联连接的电感L和电阻R与交流母线的C相连接，并通过第三双向晶闸管TR连接在电容组的第一电容C1和第二电容C2之间，第一开关ⅠS1、第一开关ⅡS4、第二开关ⅠS2、第一开关ⅡS5、第三开关ⅠS3和第三开关ⅡS6分别串联连接有一个熔断器F。

本发明主要研究双向AC/DC变换器功率器件开路和短路故障的容错控制问题。由于功率器件短路故障发生的时间一般极短(10μs以内)，难以检测，通常在桥臂中串联快速熔断器，从而转换为开路故障。通过使用3支双向晶闸管作为连接开关，使三相与串联电容中点相连。正常工作时，双向晶闸管处于断开状态。当某一桥臂(如a相桥臂)发生短路或开路故障时，断开与该桥臂相连的快速熔断器F，并触发相应的双向晶闸管TR导通，实现容错连续工作。

附图说明

图1为本发明双向AC/DC变换器故障容错结构示意图。

图2为图1中a相故障对应的双向AC/DC变换器三相四开关容错结构示意图。

图3为本发明模型预测直接功率控制结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种双向AC/DC变换器故障容错模型，包括直流母线、交流母线、第一开关组、第二开关组、第三开关组、电容组，电容组、第一开关组、第二开关组和第三开关组相互并联连接在直流母线上，且第一开关组的第一开关ⅠS1和第一开关ⅡS4之间通过串联连接的电感L和电阻R与交流母线的A相连接，并通过第一双向晶闸管TR连接在电容组的第一电容C1和第二电容C2之间；第二开关组的第二开关ⅠS2和第一开关ⅡS5之间通过串联连接的电感L和电阻R与交流母线的B相连接，并通过第二双向晶闸管TR连接在电容组的第一电容C1和第二电容C2之间；第三开关组的第三开关ⅠS3和第三开关ⅡS6之间通过串联连接的电感L和电阻R与交流母线的C相连接，并通过第三双向晶闸管TR连接在电容组的第一电容C1和第二电容C2之间，第一开关ⅠS1、第一开关ⅡS4、第二开关ⅠS2、第一开关ⅡS5、第三开关ⅠS3和第三开关ⅡS6分别串联连接有一个熔断器F。

本发明主要研究双向AC/DC变换器功率器件开路和短路故障的容错控制问题。由于功率器件短路故障发生的时间一般极短(10μs以内)，难以检测，通常在桥臂中串联快速熔断器，从而转换为开路故障。双向AC/DC变换器容错结构如图1，通过使用3支双向晶闸管作为连接开关，使三相与串联电容中点相连。正常工作时，双向晶闸管处于断开状态。当某一桥臂，如a相桥臂，发生短路或开路故障时，断开与该桥臂相连的快速熔断器F，并触发相应的双向晶闸管TR导通，实现容错连续工作。重构后的三相四开关双向AC/DC变换器如图2。

对于如图2所示结构，本发明提供了一种双向AC/DC变换器故障容错模型的有限状态模型预测控制方法，步骤如下，

步骤S1，构造双向AC/DC变换器故障模型的开关状态S_i。

其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)，i相故障，有S_i＝1/2。

S2，获取αβ两相静止坐标下双向AC/DC变换器的输出电压矢量U_j与开关状态S_i的表达式。

S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向AC/DC变换器的输出电压与开关状态S_i的计算公式，具体如下：

其中，U_dc为直流母线电压，u_an为双向AC/DC变换器的a相输出电压；u_bn为双向AC/DC变换器的b相输出电压；u_cn为双向AC/DC变换器的c相输出电压；S_a为a相的开关状态值；S_b为b相的开关状态值；S_c为c相的开关状态值；且S_a、S_b和S_c中有且仅有一个为1/2。

S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向AC/DC变换器输出电压U_j与开关状态S_i的表达式，具体如下：

其中，u_α为输出电压的α分量；u_β为输出电压的β分量；U_dc为直流母线电压，S_a为a相的开关状态值；S_b为b相的开关状态值；S_c为c相的开关状态值，且S_a、S_b和S_c中有且仅有一个为1/2。

S3，构造双向AC/DC变换器与输出电压矢量U_j有关的功率预测模型；

S3.1，根据基尔霍夫定律，得到双向AC/DC变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程；

其中，u_an为双向AC/DC变换器的a相输出电压；u_bn为双向AC/DC变换器的b相输出电压；u_cn为双向AC/DC变换器的c相输出电压；i_a为双向AC/DC变换器的a相输出电流；i_b为双向AC/DC变换器的b相输出电流；i_c为双向AC/DC变换器的c相输出电流；e_a为电网a相电压；e_b为电网b相电压；e_c为电网c相电压；L为电感；R为电阻。

S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程：

式中，L为电感；R为电阻；e_α为电网电压的α分量；e_β为电网电压的β分量；i_α为双向AC/DC变换器的输出电流的α分量；i_β为双向AC/DC变换器的输出电流的β分量；u_α为输出电压的α分量；u_β为输出电压的β分量。

S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化，得到双向AC/DC变换器在t_k+1时刻输出电流的预测电流：

式中，i_α(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的α分量；i_β(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的β分量；i_α(k)为t_k时刻输出电流的α分量；i_β(k)为t_k时刻输出电流的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量；u_α(k)为t_k时刻输出电压的α分量；u_β(k)为t_k时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；T_s为采样频率。

S3.4，根据电网侧复功率S,得到双向AC/DC变换器的功率计算公式；

电网侧复功率S计算公式如下：

式中：“*”表示共轭，e_α为电网电压的α分量；e_β为电网电压的β分量；i_α为输出电流的α分量；i_β为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率。

由公式7得到功率计算公式，具体为，

S3.5，对于三相平衡电网，当采样频率T_s较高时令：

S3.6，将步骤S3.5中的公式9代入步骤S3.4的公式5中，得到t_k+1时刻双向AC/DC变换器的功率预测模型：

式中，p(k+1)为t_k+1时刻有功功率预测值；q(k+1)为t_k+1时刻无功功率预测值；i_α(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的α分量；i_β(k+1)为t_k+1时刻输出电流预测值的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量。

S3.7，将步骤S3.3中的公式6代入到步骤S3.6的公式10中，得到双向AC/DC变换器与输出电压有关的功率预测模型；

具体为：

式中，i_α(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电流的α分量；i_β(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电流的β分量；u_α(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电压的α分量；u_β(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电压的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量。

S4，构造价值函数g；价值函数g的公式为：

g＝|p_ref-p(k+1)|+|q_ref-q(k+1)| (12)；

式中，p_ref为有功功率给定值；q_ref为无功功率给定值；p(k+1)为t_k+1时刻有功功率预测值；q(k+1)为t_k+1时刻无功功率预测值。

S5，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态S_i赋初值。

S6，采集电网电压e_a、e_b、e_c，进行Clark变换得到电网电压的α分量e_α和β分量e_β；采集双向AC/DC变换器的输出电流i_a、i_b、i_c并进行Clark变换得到双向AC/DC变换器输出电流的α分量i_α和β分量i_β。

S7，结合步骤S2和步骤S6计算当前开关状态下的输出电压矢量U_j。

S8，结合步骤S3和步骤S7计算双向AC/DC变换器的功率预测值。

S9，集合步骤S4和步骤S8计算价值函数g。

S10，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m。

S11，判断循环次数是否达到设定值，当循环次数小于设定值时，改变开关状态值，重复步骤S6-S10；当循环次数等于设定值时，输出最小价值函数g所对应的输出电压矢量U_j；输出电压矢量U_j所对应的开关状态应用于下一时刻，实现直接功率控制。

下面以一个事例具体说明。

a相桥臂发生短路或开路故障时，断开与该桥臂相连的快速熔断器F，并触发相应的双向晶闸管TR导通，实现容错连续工作。重构后的三相四开关双向AC/DC变换器如图2所示。

图2所示的三相四开关双向AC/DC变换器共有四个开关器件，分析三相四开关双向AC/DC变换器的输出电压矢量与开关状态的关系。定义三相四开关双向AC/DC变换器的开关状态S_i(i＝b,c)如下：

则三相四开关双向AC/DC变换器输出电压与开关状态的关系为：

式中：U_dc为直流母线电压。

对式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下变换器输出电压U_j与开关状态的表达式：

定义电压空间矢量U为：

式中：a＝e^j2π/3。

根据坐标变换得到两相静止坐标系的电压分量U_α和U_β，与开关状态的关系如表1。

表1

当b相桥臂发生短路或开路故障时，两相静止坐标系的电压分量U_α和U_β，与开关状态的关系如表2。

表2

当c相桥臂发生短路或开路故障时，两相静止坐标系的电压分量U_α和U_β，与开关状态的关系如表3。

表3

a相桥臂故障后重新构建的双向AC/DC变换器结构，通过滤波电感L、线路电阻R与电网相连，直流侧由一对电容值相等的电容器C₁和C₂组成。双向AC/DC变换器电能转换包含整流模式和逆变模式，以逆变模式为例，根据基尔霍夫定律，得到变换器在abc三相静止坐标系下的状态方程：

式中u_an、u_bn、u_cn为输出三相电压，i_a、i_b、i_c为输出三相电流，e_a、e_b、e_c为三相电网电压。对式4进行Clark变换，在αβ两相静止坐标下的状态方程：

式中i_α、i_β、u_α、u_β、e_α、e_β分别为输出电流、输出电压、电网电压的α、β分量。

对式5进行离散化，得

式中，T_s为采样周期。

化简上式，得t_k+1时刻预测电流：

式中i_α(k)、i_β(k)、u_α(k)、u_β(k)、e_α(k)、e_β(k)为t_k时刻变换器输出电流、电压、电网电压的α、β分量，i_α(k+1)、i_β(k+1)为t_k+1时刻预测电流值的α、β分量。

根据瞬时功率理论，电网侧复功率S表示为：

式中：“*”表示共轭。化简后：

对于三相平衡电网，当采样频率较高时假设：

将式9代入式8，得t_k+1时刻功率预测模型：

将式6代入式10，得与输出电压有关的t_k+1时刻功率预测模型：

式中，i_α(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电流的α分量；i_β(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电流的β分量；u_α(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电压的α分量；u_β(k)为t_k时刻双向AC/DC变换器输出电压的β分量；e_α(k)为t_k时刻电网电压的α分量；e_β(k)为t_k时刻电网电压的β分量。

为选择最优开关矢量，实现直接功率控制，建立价值函数g，通过价值函数将预测的所有功率值进行比较，选出使价值函数最小的电压矢量应用到下一时刻。选用预测功率与给定功率误差的绝对值之和作为价值函数：

g＝|p_ref-p(k+1)|+|q_ref-q(k+1)| (12)；

式中p_ref、q_ref分别为有功功率、无功功率参考值。p(k+1)、q(k+1)为t_k+1时刻功率预测值。

模型预测直接功率控制结构如图3。采集电网电压、输出电流e_a、e_b、e_c、i_a、i_b、i_c，经过Clark变换得到e_α、e_β、i_α、i_β，逆变器输出电压u_α、u_β通过直流电压U_dc变换得到。通过预测函数式11得到输出功率预测值p(k+1)、q(k+1)。通过价值函数式12评估电压矢量，选择使价值函数最小的开关状态S_b、S_c，应用于t_k+1时刻，实现直接功率控制。通过改变功率给定值，切换双向AC/DC变换器工作在逆变或整流模式。

本发明建立了双向AC/DC变换器多种故障模式功率预测模型，揭示发生故障后重新构建三相四开关容错结构的电压矢量变换规律，设计了一种适合桥臂故障容错运行的MPDPC策略。通过仿真与实验验证得到以下结论：(1)故障隔离后重构三相四开关结构使用MPDPC策略，变换器容错运行输出电流波形具有较好的正弦度以及良好的稳态性能；(2)通过改变给定有功功率值，实现逆变模式与整流模式多种桥臂故障容错运行的平滑柔性切换，具有良好的动态性能。(3)该控制策略不需要PI调节和PWM调制信号，控制简单，易于实现。