基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法及系统与流程

本发明涉及电力电子技术与控制理论在电力传动中的应用技术领域，特别涉及一种基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法及系统。

背景技术：

多相电机是指具有大于三套独立绕组的电机，与传统的三相电机相比，多相电机具有容易实现更高功率、转矩脉动小和可靠性较高的优点，因此在船舶推进、舰船综合电力系统中都有着很重要的应用。

在多相电机调速系统的设计中容错运行能力对整个系统的可靠性有着重要的影响。容错运行，指多相电机在某几相绕组发生故障退出运行后，调速系统利用剩余正常相绕组继续运行并继续提供一定的功率，容错运行能力在船舶等对可靠性要求较高的行业当中有着重要的应用。然而，如果不采用特殊的容错控制方法，多相电机容错运行时的性能会发生较大的劣化。而适当容错控制方法对容错运行时性能的提升主要可以从三个方面来实现。第一，容错运行时，多相电机将丧失原有的对称性，导致输出转矩产生较大脉动，因此需要设计合适的容错控制方法来抑制甚至消除转矩的脉动；第二，容错运行时，由于正常运行的绕组数量降低，功率输出能力将受到限制，容错控制方法应当在保证电机绕组不发生局部过热的前提下尽量提高最大输出功率；第三，由于容错运行时可行的电流指令通常不唯一，此时若可以选择损耗较小甚至最小的电流指令，可以有效提升系统的能量转换效率。

目前在多相电机的容错控制方面已经出现了大量的研究成果，主要方案可分为鲁棒容错控制、重构解耦控制和最优电流控制三类，然而它们在以上三个容错控制性能方面都有一定的局限性。鲁棒容错控制对转矩脉动的抑制能力较差，并且计算量较大不利于实时控制的实现。重构解耦控制虽然有很好的转矩脉动抑制能力，但是控制方法中的解耦矩阵的构造非常复杂并且与电机故障相的数量与位置有关，难以适应实际情况中可能出现的多种故障类型。而已有的采用pr控制器或者正负序pi控制器的最优电流容错控制方法，虽然可以实现较低的转矩脉动，但是严重依赖于离线获得的最优电流指令，由于多相电机的故障类型和故障情况下的负载情况多变，而控制器的存储容量通常十分有限，存储的最优电流指令也只能是有限个，因此传统的离线优化方法也不可能在所有故障类型下实现最小损耗与最大功率输出范围。

技术实现要素：

本发明提供一种基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法及系统，以用于解决传统的离线优化方法不可能在所有故障类型下实现最小损耗与最大功率输出范围。

本发明一方面实施例提供一种基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法，包括以下步骤：

构造重构矢量，并利用所述重构矢量对电流指令进行重新分配，得到最小损耗电流指令值；

获取电机实际相电流，并将所述电机实际相电流进行park变换，得到电流反馈值；

将所述电流反馈值与所述最小损耗电流指令值输入正负序pi电流控制器中，计算得到正负序坐标下的电机电压指令；

对所述电机电压指令进行反park变换，得到各相电压指令；以及

通过spwm正弦波脉宽调制方法将所述各相电压指令输出，以完成电机电流的最优容错控制。

本发明另一方面实施例提供一种基于在线电流优化多相电机最优容错控制系统，包括：

分配模块，用于构造重构矢量，并利用所述重构矢量对电流指令进行重新分配，得到最小损耗电流指令值；

变换模块，用于获取电机实际相电流，并将所述电机实际相电流进行park变换，得到电流反馈值；

计算模块，用于将所述电流反馈值与所述最小损耗电流指令值输入正负序pi电流控制器中，计算得到正负序坐标下的电机电压指令；

反变换模块，用对所述电机电压指令进行反park变换，得到各相电压指令；以及

输出模块，用于通过spwm正弦波脉宽调制方法将所述各相电压指令输出，以完成电机电流的最优容错控制。

本发明的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：

1)通用性较强，可适用于多种具有不同相数以及中性点连接方式的对称多相电机的最优容错控制；

2)基于在线优化计算的方法确定最优电流指令，与传统的离线优化算法相比，不仅节省了控制器的存储空间和离散优化所需要的时间，还可在任何断相故障情况和负载大小情况下实现最小损耗的容错控制；

3)实现了最大功率输出范围的前提下可保证最小的损耗，已有方法往往只能保证最大功率输出范围或最小损耗二者之一。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例所提供的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法流程图；

图2为根据本发明实施例中基于在线电流指令优化的的对称多相电机全局最小损耗控制算法的控制原理框图；

图3为根据本发明实施例在故障工况下负载较小时的最小损耗电流指令优化算法框图；

图4为根据本发明实施例在故障工况下全负载范围内的最小损耗电流指令优化算法框图；

图5为根据本发明实施例在故障工况下电流控制器原理图；

图6为根据本发明实施例在实验中运行时，发生断相故障各瞬间电流波形变化图；

图7为根据本发明实施例在实验中运行时，在某一断相故障下逐渐增加负载大小过程中电流波形变化图；

图8为根据本发明实施例中基于在线电流优化的多相电机最优容错控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法。

图1是本发明一个实施例的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法流程图。

如图1所示，该方法针对具有对称型绕组的多相电机构成的调速系统，包括以下步骤：

在步骤s101中，构造重构矢量，并利用重构矢量对电流指令进行重新分配，得到最小损耗电流指令值。

具体地，利用电机正常工况与单相断相故障时的最小损耗电流指令，构造重构矢量，利用重构矢量将发生断相故障相原有的电流指令与正常相超出额定值限制部分的电流指令进行重新分配，反复迭代后就可以得到特定故障工况、特定负载大小下的最小损耗电流指令值。

在步骤s102中，获取电机实际相电流，并将电机实际相电流进行park变换，得到电流反馈值。

在步骤s103中，将电流反馈值与最小损耗电流指令值输入正负序pi电流控制器中，计算得到正负序坐标下的电机电压指令。

需要说明的是，电机实际相电流不能直接被正负序pi电流控制器控制，需要将电机实际相电流进行park变换，得到电流反馈值，将电流反馈值和最小损耗电流指令值一同输入所述正负序pi电流控制器中。

在步骤s104中，对电机电压指令进行反park变换，得到各相电压指令。

也就是说，将多相电机的电流反馈值进行park变换，得到正负序坐标系下的电流反馈值，将电流反馈值和步骤s101中求出的电流指令值输入正负序pi电流控制器中，可计算得到正负序坐标下的电机电压指令，将电压指令进行反park变换即可得到各相的电压指令.

在步骤s105中，通过spwm正弦波脉宽调制方法将各相电压指令输出，以完成电机电流的最优容错控制。

具体地，通过spwm调制方法，使多相变频器输出得到的各相电压指令，从而实现对电机电流的最优容错控制。

下面结合具体示例对本发明的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法进一步的说明。

如图2所示，该方法的实现包括以下步骤：

(1)故障检测模块根据电流采样结果判断发生断相故障的位置，将故障类型上传到电流指令优化模块；

(2)电流指令优化模块会先后进行两种类型的优化。设定子相电流参考值向量如下式所示。其中m为电机的相数。

iref＝[xref^tyref^t]^t

xref＝[x1x2…xm-1xm]^t

yref＝[y1y2…ym-1ym]^t

定子相电流参考值向量中的元素与定子第k相电流参考值的瞬时值ik_ref之间的关系如下式所示。ω为电机定子电流的角频率。

ik_ref＝xkcosωt+yksinωt

首先进行负载较小时的最小损耗电流指令的优化，优化算法的框图如图3所示，图中的iref0为优化迭代过程中的定子相电流指令初值，iref_h为未发生故障时的最优电流指令，其表达式如下式所示。

式中的mlr(k)代表对发生断相的k相的电流指令重新进行分配。这一操作的数学表达式如下所示。

其中，rmlr(k)为对应于第k相的电流指令分配向量，其表达式如下式所示。

rmlr(1)＝(xml_opt(1)-xml_h)/xml_h(1)

其中，xml_opt(1)是第1相绕组发生断相后，在较小负载情况下的最优电流指令向量，可以较容易地通过离线优化的方式求出。kthre_f是一个预先设定好的很小的常数，用来控制优化结果的收敛精度，常数越小收敛精度越高。

随着电机的负载逐渐增大，电机的基波电流空间矢量幅值iαβ1将不断增大，当

时，继续使用图3获得的电流指令将会导致某些相绕组发生过流。因此需要按照图4所示算法，继续进行负载较大时，在不同负载情况下的最优电流指令优化。

图4所示算法分为两部分，一部分为算法的初始化过程，另一部分为实际的优化过程。在初始化中，首先将原始的电流参考值向量设置为在图3算法中求解到的值，并按照上式计算优化开始时的电流幅值。算法框图中的mlre(k)操作表示对第k相电流的指令当中超出额定值的部分进行重新分配。其数学表达形式为

xk_e＝xk-xk_a，yk_e＝yk-yk_a

采用图4所示算法就可以求得故障情况下不同负载大小时的最优相电流指令值。本套故障容错控制系统中采用的电流控制器是建立在同步坐标系当中，如图5所示，因此相电流指令值不能直接被用来进行控制，而是需要转换为电流控制器所接受的参考值，这一转换可以通过以下各式实现。计算出了等系数，就可以根据d轴和q轴电流的参考值确定其余各个电流的参考值。

图6所示为故障容错控制算法的实验结果，在图中所示的(b)、(c)和(d)三个时刻分别断开电机的第1相、第3相和第2相绕组模拟断相故障。可以发现，在每次断开一相绕组之后，相电流幅值会发生一定的跳变。经过一定时间之后，在线优化算法完成了对电流指令的优化，此时电流控制器会根据新的电流指令对电流进行控制，因此各相的电流波形会再次发生一定的变化。从电流波形来看，发生故障后的过渡过程比较平稳，没有明显的过流出现，说明了控制算法具有较强的鲁棒性。

图7所示为在第1相和第3相绕组断相情况下，逐渐增大电机的机械负载时定子电流波形的变化，可以发现，随着负载的增加，控制算法对不同相的电流幅值的大小关系进行了调整，以确保定子中的铜损耗最低。当负载达到该故障工况下的最大值时，各相定子电流的幅值相等，均到达了额定值。

根据本发明实施例提出的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法，可以通过在线计算的方法得到任意断相故障下，最大负载范围内任意负载大小下具有最小损耗的电流指令值，在实现极佳的转矩脉动抑制效果的同时，还可以同时保证最大的输出功率范围和一定负载下最小的功率损耗。该方法可推广到具有任意相数的多相电机，极大地提升了容错控制方法在实际应用当中的适用性。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种根据本发明实施例提出的基于在线电流指令优化多相电机最优容错控制系统。

图8是本发明一个实施例的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制系统的结构示意图。

如图8所示，该基于在线电流优化的多相电机最优容错控制系统包括：分配模块10、变换模块20、计算模块30、反变换模块40和输出模块50。

其中，分配模块10，用于构造重构矢量，并利用重构矢量对电流指令进行重新分配，得到最小损耗电流指令值；

在本发明的一个实施例中，分配模块进一步用于：

构造单元，用于利用多相电机正常工况与单相断相故障时的最小损耗电流指令，构造重构矢量；

重分配单元，用于将发生单断相故障相原有的电流指令与正常相超出额定值限制部分的电流指令进行重新分配，得到最小损耗电流指令值。

在本发明的一个实施例中，在重新分配后，反复迭代得到预设故障工况和预设负载大小下的最小损耗电流指令值。

变换模块20，用于获取电机实际相电流，并将电机实际相电流进行park变换，得到电流反馈值；

计算模块30，用于将电流反馈值与最小损耗电流指令值输入正负序pi电流控制器中，计算得到正负序坐标下的电机电压指令；

在本发明的一个实施例中，最小损耗电流指令值不能直接被正负序pi电流控制器控制，需要将最小损耗电流指令值进行park变换，得到电流反馈值，将电流反馈值和最小损耗电流指令值一同输入正负序pi电流控制器中。

反变换模块40，用对电机电压指令进行反park变换，得到各相电压指令；以及

输出模块50，用于通过spwm正弦波脉宽调制方法将各相电压指令输出，以完成电机电流的最优容错控制。

需要说明的是，前述对基于在线电流优化的多相电机最优容错控制方法实施例的解释说明也适用于该系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于在线电流优化的多相电机最优容错控制系统，可以通过在线计算的方法得到任意断相故障下，最大负载范围内任意负载大小下具有最小损耗的电流指令值，在实现极佳的转矩脉动抑制效果的同时，还可以同时保证最大的输出功率范围和一定负载下最小的功率损耗。该方法可推广到具有任意相数的多相电机，极大地提升了容错控制方法在实际应用当中的适用性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。