一种双向AC/DC变换器故障容错模型及其控制方法与流程

技术特征：

1.一种双向AC/DC变换器故障容错模型的控制方法，其特征在于：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U_j与开关状态S_i的表达式；

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；

功率预测模型具体如下：

$\left\{\begin{array}{c}p(k+1)=\frac{T_s}{L}\[{e^2}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+{e^2}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})\[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]\\ q(k+1)=\frac{T_s}{L}\[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})\[e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]\end{array}\right.---\left(11\right);$

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双向AC/DC变换器的输出电压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，结合步骤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。

2.根据权利要求1所述的双向AC/DC变换器故障模型预测容错控制方法，其特征在于：在步骤S2中，具体步骤为，

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：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{U_{dc}}{3}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]---\left(2\right);$

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两相静止坐标下输出电压矢量U_j与开关状态S_i的表达式，具体如下：

$U_j=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{2U_{dc}}{9}\left[\begin{array}{ccc}3& -\frac{3}{2}& -\frac{3}{2}\\ 0& \frac{3\sqrt{3}}{2}& -\frac{3\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]---\left(3\right);$

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。

3.根据权利要求1所述的双向AC/DC变换器故障模型预测容错控制方法，其特征在于：在步骤S3中，具体步骤为，

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；

$L\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]---\left(4\right);$

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：

$aL\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right);$

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：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\frac{T_s}{L}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(6\right);$

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：

$\begin{array}{c}S={\mathrm{ei}}^{*}=(e_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{je}}_{\mathrm{\β}})(i_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{ji}}_{\mathrm{\β}})\\ =(e_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+e_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}})+J(e_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}})\\ =p+jq\end{array}---\left(7\right);$

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:

$\left\{\begin{array}{c}p=e_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+e_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}}\\ q=e_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(8\right);$

S3.5，对于三相平衡电网，当采样频率T_s较高时，有：

$\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}(k+1)=e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ e_{\mathrm{\β}}(k+1)=e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}---\left(9\right);$

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：

$\left\{\begin{array}{c}p(k+1)=e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}(k+1)+e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}(k+1)\\ q(k+1)=e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}(k+1)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right.---\left(10\right);$

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：

$\left\{\begin{array}{c}p(k+1)=\frac{T_s}{L}\[{e^2}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+{e^2}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})\[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]\\ q(k+1)=\frac{T_s}{L}\[e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)u_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})\[e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]\end{array}\right.---\left(11\right);$

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。

4.一种双向AC/DC变换器故障容错模型，其特征在于：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。