本发明涉及一种串联式高压变频器的传动系统控制冗余及容错方法。
背景技术：
1994年美国罗宾康公司推出第一台单元串联式多电平高压变频器以来，由于该电路拓扑带来的输入、输出波形完美无谐波，功率模块通用性强等诸多优势，其竞争优势时至今日仍无可替代，一直为高压变频器市场主流。
同时高压变频器主要用于各类矿山、冶金、电力、市政生产线，具有长期运行，可靠性要求高等特点。级联型高压变频器由移相变压器、功率单元、控制系统组成。移相变压器是一种专门为高压变频器提供多相整流电源的装置，通过多个不同移相角二次绕组，可以组成多个二次侧的低压绕组，实现了功率模块输入电源的低压化，多重化，降低了功率器件的电压等级，提高了功率因数，降低了网侧谐波。功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相输出的低压变频器。功率单元整流侧用二极管三相全桥进行不控整流，中间采用支撑电容进行滤波和储能，输出为四只igbt组成的h桥，提供单相等幅的交流pwm波形输出电压。
然而单元串联式的级联型高压变频器存在前端降压移相变压器复杂，设计制造较难功率元器件数目多，体积大，故障点多，使得整机可靠性成为急需进一步提升的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一整能够在变频器运行过程中，实时监控变频器的运行可靠性，以及识别各个级联单元失效风险的传动系统控制冗余及容错方法。
传动系统控制冗余及容错方法，执行以下操作：级联型高压变频器等效为多个级联单元，每个级联单元包括各自的变压器二次绕组、功率模块和控制接口；实时采集每个级联单元的参数，每个级联单元的参数包括各相的电流，和、或每个级联单元的各相的相位，和、或每两相之间的电压，和、或各相的中间直流电压，和、或各个级联单元的实时温度；和、或各个级联单元的中间支撑电容波纹电流，和、或各个级联单元的输出电压电流波形；将级联单元的参数进行比对，判断参数之间是否符合高压变频器的正常工作要求，若符合，则认为高压变频器处于正常工作状态，若不符合，则认为有异常工作可能。采集到电流/电压当前时刻的状态，就能获得间接获得当前级联单元各相的相位。
优选的，将级联单元的参数进行比对的方式包括将所有级联单元的同相参数进行比对，或者、将同一个级联单元的三相参数进行比对，或者、将所有级联单元的实时温度、中间直流电压、中间支撑电容波纹电流或输出电压电流波形进行比对。
优选的，对每个级联单元的三相输入电流作为比对参数，三相输入电流矢量和应为0，且三相输入电流需要满足幅值相等，相位相差120度；若三相输入电流矢量和不为0，或者三相输入电流的幅值不相等，或者每两相电流的相位差与120°的偏差超过允许的误差范围，则认为该级联单元存在绝缘损坏，短路等风险，发出预警。
和、或，以所有级联单元的同一相电流作为比对参数，无论在任何工作应力和环境应力下，所有级联单元的同一相电流的幅值相等，相位依次相差(180/n)度，n为级联单元的数量，对所有级联单元的同一相输入电流采集出电流幅值和相位差，进行平均值、方差和标准差的计算，进行以下判断：
(3)若标准差均小于误差允许范围，认为该相整体正常；若标准差超过误差允许范围，筛选出与平均值相差最大的级联单元，记录为异常；
(4)在一定电流周期内，按照电流幅值平均值，相位差平均值进行该相n组电流理论频谱描绘，并将实际采集的电流频谱与电流理论频谱进行重叠对照，计算二者重叠过程中偏移一定范围的总点数m，若偏移点数m小于允许点数n，则认为该相正常；若m≥n，则记录为异常；满足操作(1)和操作(2)任意一个条件并且异常持续时间超过阈值时间，则发出异常预警；或者，操作(1)和操作(2)同时记录为异常，则发出预警。
和、或，以级联级联单元的中间电压作为比对参数，计算每个级联单元的中间电压幅值和峰峰值的平均值，峰峰值的方差和峰峰值标准差；比对所有级联单元的中间电压幅值，若所有级联单元的中间电压幅值则认为正常，若出现某个级联单元的中间电压幅值与其他级联单元出现偏差，则对该出现偏差的级联单元发出预警；
和、或，以级联单元的温度作为比对参数，计算所有级联单元的温度平均值，方差和标准差，判断是否有级联单元的温度与温度平均值、或方差、或标准差超出允许的误差范围，若是，则筛选出超出允许误差范围的级联单元，发出异常预警。和、或，以级联级联单元的中间支撑电容纹波电流为比对参数，计算每个级联单元的中间支撑电容纹波电流幅值和峰峰值的平均值，峰峰值的方差和峰峰值标准差；比对所有级联单元的中间电压幅值，若所有级联单元的中间支撑电容纹波电流幅值则认为正常，若出现某个级联单元的中间支撑电容纹波电流与其他级联单元出现偏差，则对该出现偏差的级联单元发出预警。
优选的，至少对级联单元的两种参数进行比对，若两种或两种以上的参数比对判断均对同一级联单元发出预警，或连续多个周期定位在同一级联单元，则将该被预警的级联单元切除出主电路。
本发明的优点在于：
1)若故障诊断将变频器实时运行数据与理论值，或与海量的大数据存储值进行比较，将耗费大量的计算，存储资源，且相关数据并不是一成不变的，需要定时更新，故障诊断系统将占用大量的资源，且效率较低；本发明只将同一台变频器的多个级联单元数据互相比较，具有简易性，实时性，大大降低了诊断系统的硬件配置，提升了诊断系统的工作效率。
2)、本发明从高压变频器系统架构出发，根据同一变频器理论完全相同的多个级联单元在同一工作应力和环境应力下，应表现出完全相同的电气性能作为关键点，该诊断理论不受到变频器所处工作应力和环境应力的影响，简化了故障诊断模型，提高了故障诊断的准确性。
3)、本发明从诊断软件出发，无需与理论值及海量大数据存储值对比，提高了故障诊断的效率和成功率。
具体实施方式
传动系统控制冗余及容错方法，执行以下操作：级联型高压变频器等效为多个级联单元，每个级联单元包括各自的变压器二次绕组、功率模块和控制接口；实时采集每个级联单元的参数，每个级联单元的参数包括各相的电流，和、或每个级联单元的各相的相位，和、或每两相之间的电压，和、或各相的中间直流电压，和、或各个级联单元的实时温度；和、或各个级联单元的中间支撑电容波纹电流，和、或各个级联单元的输出电压电流波形；将级联单元的参数进行比对，判断参数之间是否符合高压变频器的正常工作要求，若符合，则认为高压变频器处于正常工作状态，若不符合，则认为有异常工作可能。
将级联单元的参数进行比对的方式包括将所有级联单元的同相参数进行比对，或者、将同一个级联单元的三相参数进行比对，或者、将所有级联单元的实时温度、中间直流电压、中间支撑电容波纹电流或输出电压电流波形进行比对。
级联型高压变频器可以等效为多个级联单元(根据级联数不同，15-27个)每个级联单元包括变压器二次绕组，功率模块和一组控制接口，从变流控制原理来说，每个级联单元承担完全相同的功能，在同一电网条件，同一负载条件下承担着同样的工作应力(包括使用电压、电流、igbt开关频率，电容器充放电循环次数)和环境应力(包括温度、湿度、大气压和振动)，理论上应该有完全一致的电性能相关表现。
这也简化了故障诊断所需的样本数量和相关的策略，仅需通过同时对多个级联单元进行诊断，实时对比,具体如下(以八级联，三相共有24个相同级联单元为例，分别为u1-u8,v1-v8，w1-w8，：
(1)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元输入a相电流为iau1-iau8，iav1-iav8，iaw1-iaw8；
(2)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元输入b相电流为ibu1-ibu8，ibv1-ibv8，ibw1-ibw8；
(3)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元输入c相电流为icu1-icu8，icv1-icv8，icw1-icw8；
(4)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元输入ab线电压为uabu1-uabu8，uabv1-uabv8，uabw1-uabw8；
(5)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元输入bc线电压为ubcu1-ubcu8，ubcv1-ubcv8，ubcw1-ubcw8；
(6)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元输入ca线电压为ucau1-ucau8，ucav1-ucav8，ucaw1-ucaw8；
(7)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元中间直流电压为udcu1-udcu8，udcv1-udcv8，udcw1-udcw8；
(8)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8，模块温度；
(9)实时采集u1-u8,v1-v8，w1-w8，中间支撑电容纹波电流，输出电压电流波形，不详述；
根据上述(1)-(7)采集的相关信息进行对比筛选：
1、以u1三相输入电流为例，三相输入电流矢量和应为0，即iau1+ibu1+icu1＝0，且三相输入电流因满足幅值相等，相位相差120度若偏差超过一定范围，则认为该级联单元存在绝缘损坏，短路等风险，提前预警；(u1-u8,v1-v8，w1-w8级联单元同理判断)；
2、以u相八组输入a相电流为例，无论在任何工作应力和环境应力下，iau1-iau8应为幅值相等，相位依次相差180/8＝22.5度，对八相输入电流采集出电流幅值和相位差，进行平均值、方差和标准差的计算，进行如下判断：
(5)若标准差均小于一定范围，认为u相整体正常。若标准差超过一定范围，筛选出与平均值相差最大的级联单元，提前预警；
(6)在一定电流周期内，按照电流幅值平均值，相位差平均值进行u相八组电流理论频谱描绘，并将实际采集进行重叠对照，计算二者重叠过程中偏移一定范围的总点数m，若偏移点数m小于允许值n，则认为u相正常整体正常，若m≥n，则结合(1)进行异常级联单元预警；(各相功率单元间的各相输入电流，各相输入线电压同理)；
3、以24个级联单元中间电压为例，计算24组中间电压幅值和峰峰值的平均值，方差和标准差，进行上述相关标准差比较与重叠对照，筛选出异常级联单元，提前预警；
4、以24个级联单元温度为例，计算24组温度平均值，方差和标准差，进行上述相关重叠对照，筛选筛选出异常级联单元，提前预警；
5、中间支撑电容纹波电流，输出电压电流波形同理；
6、若上述两个或以上判断均指向同一级联单元，或连续多个周期定位在同一级联单元，可由控制系统将其定点切除出主电路。
本发明说明书中提到的所有专利和出版物都表示这些是本领域的公开技术，本发明可以使用。这里所引用的所有专利和出版物都被同样列在参考文献中，跟每一个出版物具体的单独被参考引用一样。这里所述的本发明可以在缺乏任何一种元素或多种元素，一种限制或多种限制的情况下实现，这里这种限制没有特别说明。例如这里每一个实例中术语“包含”，“实质由……组成”和“由……组成”可以用两者之一的其余2个术语代替。这里采用的术语和表达方式所为描述方式，而不受其限制，这里也没有任何意图来指明此书描述的这些术语和解释排除了任何等同的特征，但是可以知道，可以在本发明和权利要求的范围内做任何合适的改变或修改。可以理解，本发明所描述的实施例子都是一些优选的实施例子和特点，任何本领域的一般技术人员都可以根据本发明描述的精髓下做一些更改和变化，这些更改和变化也被认为属于本发明的范围和独立权利要求以及附属权利要求所限制的范围内。