基于积分抗饱和的两电平PWM整流器容错控制方法与流程

本发明涉及功率变换与控制技术，具体涉及一种基于积分抗饱和的两电平pwm整流器容错控制方法。
背景技术：
：随着电力电子技术的发展，三相两电平pwm整流器具有正弦化的输入电流、能量双向流动、可调的直流电压，在海上风力发电、新能源电动汽车等中、大功率场合领域得到广泛应用。多数情况下整流器需要在恶劣的工业环境下长时间不间断工作，再加上功率开关管的不可靠性、控制不当等因素，导致整流器故障不可避免。为了避免重大事故，减少故障停机时间，尽可能恢复故障前的性能，必须要对系统进行容错控制。现有的三相两电平pwm整流器容错方式分为硬件容错控制和软件容错控制两大类，其中软件容错的方式能够在开关管发生故障时，通过改变系统运行策略和控制参数，对故障进行容错处理，不需要改变系统现有硬件布局和添加冗余部件，利用未故障器件将系统最大程度恢复到故障前的运行状态。中国专利201510277790.2提出了三相桥式pwm整流器的容错控制方法，通过修正开关模式，对参考压矢量实现修正，实现整流器的容错运行。上述方法并未针对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，在不受开关管故障的扇区也进行了补偿，属于过补偿。论文《基于ncav和电路等效替换的pwm整流器容错控制系统》提出了基于等效电路的pwm整流器的容错控制方法，该方法也没有针对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，并且在多个故障矢量共同影响的扇区，并未进行补偿，属于欠补偿。论文《一种基于空间矢量控制的整流器容错控制方法》提出了一种基于空间矢量的整流器容错控制方法，该方法没有建立统一的扇区划分函数，无法实现对多个桥臂开关管故障进行容错控制，虽然可以实现单个开关管精确补偿，但未考虑故障开关管对系统的负面影响，容错控制的效果不是最佳。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于积分抗饱和的两电平pwm整流器容错控制方法，在对开关管故障影响扇区进行精准补偿的基础上，降低了故障开关管带来的负面影响。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于积分抗饱和的两电平pwm整流器容错控制方法，包括如下步骤：步骤1、切换pi控制器至抗饱和pi控制器；步骤2、选择扇区划分方式，进行扇区划分；步骤3、根据故障开关管的位置，确定故障开关管对各扇区的影响及故障前后基本电压矢量的变化；步骤4、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；步骤5、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；步骤6、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况，确定三相开关管的导通时间；步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管pwm脉冲，确定开关管通断，完成抗饱和积分容错控制。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明能够实现提高两电平pwm整流器单管故障、双管故障、三管容错容错控制效果；2)本发明考虑了故障开关管所造成的积分饱和现象对系统造成的影响，包括系统超调量过大，增加系统达到稳定时间增加等问题；3)本发明所只需重构主控制器中控制算法，算法简单易实现。附图说明图1是本发明三相两电平pwm整流器系统的抗饱和积分容错控制框图。图2是本发明抗饱和pi控制器的设计框图。图3是本发明基于积分抗饱和的两电平pwm整流器容错方法的流程图。图4是本发明α、β两相静止坐标系的八扇区基本空间电压矢量图。图5是本发明α、β两相静止坐标系的十二扇区基本空间电压矢量图。图6是本发明q1管故障在八扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图7是本发明q1、q4双管故障在八扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图8是本发明q1管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图9是本发明q1、q3双管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图10是本发明q1、q4双管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图11是本发明q1、q6双管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图12是本发明q1、q3、q5三管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图13是本发明q1管故障在十二扇区划分模式下扇区ⅶ的电压矢量合成图。图14是本发明q1管正常时扇区单周期pwm生成图。图15是本发明q1管故障在八扇区划分模式容错控制和抗饱和积分容错控制两种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。图16是本发明q1管故障在十二扇区划分模式容错控制、抗饱和积分容错控制两种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。图17是本发明q1管正常运行、故障运行时十二扇区容错运行、抗饱和积分容错控制四种状态下直流母线电压波形图。图中标号说明：q1～q6三相两电平pwm整流器中6个功率开关管，d1～d6三相两电平pwm整流器6个续流二极管，f1～f6三相两电平pwm整流器6个热熔丝，la,lb,lc为整流器三相滤波电感，ua,ub,uc为三相电网相电压。ia,ib,ic三相网侧电流相电流，n为交流侧自然中性点，c为直流侧稳压电容，udc为直流侧输出电压。θ为三相电流角度，ud,uq,id,iq为dq两相旋转坐标系下的电压电流反馈值，为dq两相旋转坐标系下的电压电流给定值，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量。kp,ki为pi控制器比例参数、积分参数，为抗饱和pi控制器比例参数、积分参数，in为相电流瞬时值，ith抗饱和相电流阈值门槛值，经验上选择正常工作相电流幅值的2％。vref*为参考电压旋转矢量，vmax为参考电压旋转矢量最大幅值。tf为q1发生故障的时刻，tcom为对q1实施容错控制的时刻，tcom1为对q1实施积分抗饱和容错控制的时刻。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。图1是三相两电平pwm整流器系统的故障容错控制框图。整个系统包括拓扑单元以及控制单元。拓扑单元包含三相电网输入、三相pwm整流器以及直流侧负载。控制单元包括实现直流侧输出稳压的电压环、网侧电流控制的电流环、实现开关管故障定位以及诊断的故障诊断单元、与电流环连接的svpwm单元以及容错控制后的重构容错svpwm单元。当故障诊断算法诊断出故障开关管的位置，在控制系统中将pi控制器切换至抗饱和pi控制器，再把正常的svpwm单元输出切换到容错控制后的重构svpwm单元，重构svpwm单元所输出的pwm脉冲控制驱动功率开关管开通与关断，实现积分抗饱和容错控制。针对上述三相两电平pwm整流器系统拓扑，本发明基于积分抗饱和的两电平pwm整流器容错控制方法，如图3所示，包括如下步骤：步骤1、当故障诊断算法检测出开关管故障时，在控制系统中，将正常的pi控制器切换至抗饱和pi控制器。本发明所设计的抗饱和控制器如图2所示，当开关管发生故障时，抗饱和pi控制器根据故障开关管的位置控制积分参数ki*，以降低抗积分饱和效应的影响，即当故障相相电流瞬时值|in|的绝对值小于阈值门槛值|ith|时，抗饱和积分器动作，使积分参数ki*等于0；当故障相相电流瞬时值|in|的绝对值不在|ith|区域内时，使用系统给定的积分参数。所使用的抗饱和pi控制器的比例参数与积分参数可由下式表示：在上式中，当变流器的功率开关管发生开故障时，相位符号n取故障开关管所处的相位。例如，当s1发生单管故障时，抗饱和pi控制器围绕故障相电流ia的零点附近实施抗饱和措施，此时n取a；当s1&s3发生双管故障时，抗饱和pi控制器结合a相和b相的电流极性切换区域实施抗饱和措施，此时n分别取a、b；当发生s1&s3&s5发生三管管故障时，抗饱和pi控制器为了防止出现积分饱和现象，使积分模块在ia、ib、ic极性切换区域失去控制作用，此时n分别取a、b、c。根据控制系统采样所得到的电流以及电角度信号，根据下式求得给定d轴、q轴参考电压值式中，la＝lb＝lc＝l，l为发电机单相绕组等效电感，ω为整流器电流电角速度。d轴、q轴参考电压值经过比较以及坐标变换模块后，得到α、β两相静止坐标系下的参考电压分量步骤2、选择扇区划分方式进行扇区划分，扇区划分方式包括八扇区和十二扇区两种，两种扇区划分的具体过程为：定义六个变量：式中，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量；(1)如果采用八扇区划分方法，定义符号函数：式中，i＝a，b，c，d，e，f；由于a、b、c三个桥臂故障对应着不同划分扇区坐标系，为了能够精准的对故障扇区进行容错控制，这里定义三个扇区划分坐标系函数na,nb,nc。令na＝h(a)+h(b)+4h(c)+3h(d)令nb＝4g(b)+3g(c)+g(d)+h(e)令nc＝3h(b)+h(c)+4h(d)+h(f)通过表1确定计算值na,nb,nc与实际扇区编号之间存在的对应关系表1计算值na,nb,nc与扇区对应关系根据α、β两相静止坐标系下的参考电压分量确定旋转参考矢量vref*，当旋转参考矢量vref*旋转一周，得到计算值na的变化顺序为：6→2→1→4→3→7→8；计算值nb的变化顺序为2→1→4→3→7→8→5→6；计算值nc的变化顺序为4→3→7→8→5→6→2→1；根据故障开关管的位置选择不同的扇区划分函数，当a相桥臂开关管故障选择扇区划分函数na，通过na的变化顺序确定实际扇区编号的变化顺序，即得八扇区的划分如图4(a)所示；当b相桥臂开关管故障选择扇区划分函数nb，通过nb的变化顺序确定实际扇区编号的变化顺序，即得八扇区的划分如图4(b)所示；当c相桥臂开关管故障选择扇区划分函数nc，通过nc的变化顺序确定实际扇区编号的变化顺序，即得八扇区的划分如图4(c)所示；(2)如果采用十二扇区划分方法，定义符号函数：式中，i＝a，b，c，d，e，f。令n＝sign(a)+sign(b)+2sign(c)+2sign(d)+4sign(e)+3sign(f)通过表2确定计算值n与实际扇区编号之间存在的对应关系；表2计算值n与扇区对应关系计算值n123456789101112扇区编号ⅷⅱⅲⅶⅳⅸⅻⅰⅹⅵⅴⅺ根据α、β两相静止坐标系下的参考电压分量确定旋转参考矢量vref*，当旋转参考矢量vref*旋转一周，计算值n的变化顺序为：8→4→2→1→3→6→5→9→11→12→10→7→8，即实际扇区编号的变化顺序，即得十二扇区的划分如图5所示。步骤3、根据故障开关管的位置，确定故障开关管对各扇区的影响及故障前后基本电压矢量的变化。确定故障开关管对各扇区的影响，划分扇区类型的方法为：如果采用八扇区划分方式，则按照表3～5确定八个扇区中受故障开关管影响的扇区，即故障扇区；如果采用十二扇区划分方式，则按照表6确定十二个扇区中受故障开关管影响的扇区；表3八扇区a相桥臂开关管故障对应的受影响扇区表4八扇区b相桥臂开关管故障对应的受影响扇区表5八扇区c相桥臂开关管故障对应的受影响扇区表6十二扇区单个开关管故障对应的受影响扇区表中，灰色部分表示扇区受故障开关管影响，即故障扇区，白色部分表示扇区不受故障开关管影响，即正常扇区。确定开关管故障前后基本电压矢量的方法为：根据表7确定开关管故障前后基本电压矢量即故障零矢量和有效矢量的变化情况，确定故障电压矢量；表7单个开关管故障前后电压矢量变化表表中，将同一桥臂的上下开关状态设为互补的，即同一桥臂上桥臂导通则下桥臂必须关断，将这个状态记为1，同理，将同一桥臂上桥臂关闭，下桥臂导通的状态记为0，三个桥臂在同桥臂互补的前提下，有8种开关状态组合，“000”、“100”、“110”、“010”、“011”、“001”、“101”、“111”对应八个基本电压矢量，其中包括六个有效矢量和两个零矢量。步骤4、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间，具体方法为：首先，定义中间变量为：式中，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量，udc为直流侧输出电压，ts为采样周期；然后，确定各扇区基本电压矢量中有效矢量的作用时间t1和t2；如果是八扇区，则根据表8～10确定各扇区基本电压矢量中有效矢量的作用时间t1和t2；表8a相桥臂故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系表9b相桥臂故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系表10c相桥臂故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系如果是十二扇区，则根据表11确定各扇区基本电压矢量中有效矢量的作用时间t1和t2；表11扇区与基本电压矢量作用时间关系接着，根据有效矢量的作用时间t1和t2计算基本电压矢量中零矢量的作用时间t0＝ts-t1-t2；最后，进行过调制判断，即在计算出两非零基本电压矢量的作用时间后要判断两时间之和是否大于采样周期，若大于采样周期会造成输出电压严重失真，需要对两时间进行重新分配，其分配原则为：则合成参考电压旋转矢量vref*的比例系数为：即：步骤5、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间，具体方法为：(1)采用八扇区划分方式对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，用正常零矢量代替故障零矢量，即设置正常零矢量的作用时间为t0，实现该扇区的容错控制；对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，完成对零矢量的补偿，使用没有故障的有效矢量，基于补偿原则计算有效矢量作用时间重新合成参考电压旋转矢量vref*，，如映射法，等轴分量法、等模法等，从而实现该扇区的容错控制；(2)采用十二扇区划分方式对于仅有零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，用正常零矢量代替故障零矢量，即设置正常零矢量的作用时间为t0，实现该扇区的容错控制，t0为故障前零矢量的作用时间；对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，使用正常零矢量代替故障零矢量，使用没有故障的有效矢量，基于补偿原则计算有效矢量作用时间重新合成参考电压旋转矢量vref*，如映射法，等轴分量法、等模法等，从而实现该扇区的容错控制；对于零矢量同时故障的扇区，由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量vref*输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制；对于多个故障矢量共同影响且零矢量同时故障的扇区，由于在该扇区内没有正常零矢量，无法对输出矢量进行调节，参考电压旋转矢量vref*输出模值达到最大，此扇区无法进行容错控制。下面详细介绍各补偿时间确定方法。映射法是现有技术常采用的方法，此处不再赘述。等模法是使故障前的矢量vref*与有效矢量的模长一致，计算有效矢量的补偿时间。即使用正常零矢量代替故障零矢量，完成对零矢量的补偿，使用没有故障的有效矢量，将参考电压旋转矢量vref*正交映射到有效矢量上，基于与参考电压旋转矢量vref*等模原则计算正常有效矢量的作用时间实现该扇区的容错控制。等轴分量法是将将故障前的矢量vref*以及有效矢量投影在β轴，基于分量相同计算有效矢量补偿时间。即使用正常零矢量代替故障零矢量，并将参考电压旋转矢量vref*投影在β轴上，基于等β轴分量原则计算出正常有效电压矢量的补偿比，即设置正常有效矢量作用时间t1+t2，实现该扇区的容错控制，t1和t2为故障前两个有效矢量的作用时间。步骤6、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况，确定三相开关管的导通时间，通过重新定义故障扇区ta,tb,tc时间变量，完成对每一个故障扇区中故障矢量的补偿，即使用有效矢量基于特定等效原则完成对故障矢量的替换，使参考电压旋转矢量vref*在故障扇区内可以重新合成或近似恢复，具体方法为：(1)采用八扇区划分方式首选，对于不受故障矢量影响的扇区，定义三相开关管的导通时间为：式中，ts为采样周期，t1和t2为有效矢量的作用时间；对于仅零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，重新定义ta,tb,tc；故障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：对于受有效矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，根据补偿原则计算出的作用时间重新定义ta,tb,tc，补偿原则不同定义公式也不相同。采用映射法是现有技术常采用的方法，此处不再赘述如何重新定义ta,tb,tc。对于等模法：故障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：对于等轴分量法：故障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：然后，根据表12～14确定各扇区的开关时间；表12八扇区a相桥臂故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系表13八扇区b相桥臂故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系表14八扇区c相桥臂故障时扇区与基本电压矢量作用时间关系(2)采用十二扇区划分方式首选，对于不受故障矢量影响的扇区，定义三相开关管的导通时间为：式中，ts为采样周期，t1和t2为有效矢量的作用时间；对于仅零矢量影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，重新定义ta,tb,tc；故障开关管所处的位置为上桥臂时，重新定义为：故障开关管所处的位置为下桥臂时，重新定义为：对于受多个故障电压矢量共同影响且零矢量没有同时故障的扇区，仅需在受零矢量影响的扇区改变三相开关管的导通时间，根据补偿原则计算出的作用时间重新定义ta,tb,tc，补偿原则不同定义公式也不相同，具体计算公式与八扇区相同。然后，根据表15确定各扇区的开关时间；表15十二扇区不同扇区的开关时间分配关系扇区编号ⅰⅱⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⅺⅻa相开关管导通时间tatatbtctctbtatatbtctctbtab相开关管导通时间tbtbtatatbtctctbtatatbtctcc相开关管导通时间tctctctbtatatbtctctbtatatb步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管pwm脉冲，确定开关管通断，完成频率容错控制，具体方法为：将开关管导通时间与周期为采样周期的三角载波进行调制，采用dwpm技术，基于对称原则和thd最低原则来确定矢量的作用顺序，调制后的脉冲根据功率开关管开通关断时间加入死区时间，即可得到6路pwm脉冲，将输出的6路pwm脉冲脉冲作用于功率开关管驱动电路，驱动电路驱动相应的功率开关管开通与关断，完成积分抗饱和容错控制。本发明实现开关管故障后对电流内环积分参数ki的单独控制，当出现积分饱和现象时，自动调节电流内环的pi模块积分参数ki来削弱积分饱和效应，能够提高两电平pwm整流器单管故障、双管故障、三管容错容错控制效果，减小故障开关管对系统带来的影响。该方案通过改变控制器算法，简单容易实现，无需增加额外的硬件成本。为了证明本发明方法的有效性，进行如下仿真验证。实施例1本实施例以三相两电平pwm整流器在八扇区划分方式下单管故障q1来说明，当q1管发生短路故障时，将由热熔丝将其转化成开路故障，当q1发生开路故障时，根据表16在q1开关管故障下八扇区划分模式下三相两电平pwm整流器状态分析来说明积分抗饱和容错控制方法。表16q1开关管故障下pwm整流器八扇区单周期状态分析三相两电平pwm整流器q1管故障在八扇区划分模式下所受故障开关管影响的扇区分布示意图如图6所示，当q1管发生故障时，控制系统将系统的pi控制器切换至抗饱和pi控制器。然后，对于表16中不受故障开关管影响的扇区，对其进行正常地参考电压旋转矢量进行控制，通过七段式开关序列实现连续脉宽调制对参考电压vref*进行合成。对于表16中受故障开关管影响扇区，进行软件容错控制，通过重新定义故障扇区ta，tb，tc时间变量，完成对每一个故障扇区中故障矢量的补偿，即使用有效矢量基于特定等效原则完成对故障矢量的替换，使参考电压旋转矢量vref*在故障扇区内可以重新合成或近似恢复。在主控制器中设置三角载波的频率、幅值以及相位将所有扇区的时间变量ta，tb，tc分别与三角载波进行调制，得到6路pwm脉冲信号。将6路脉冲信号输入到功率开关管驱动电路中，从而实现在八扇区划分方式下三相两电平pwm整流器q1单管故障的积分抗饱和容错控制，图15是本发明三相两电平pwm整流器q1管故障在八扇区划分模式时容错控制、积分抗饱和容错控制两种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图，可以看出采用积分抗饱和容错控制算法能降低由于故障开关管对pi控制器带来的影响，从而提高了变流器的容错控制性能。当其他开关管发生其他情况故障时均采用这种积分抗饱和容错控制方法进行容错。实施例2本实施例以三相两电平pwm整流器在十二扇区划分方式下单管故障q1来说明，当q1管发生短路故障时，将由热熔丝将其转化成开路故障，当q1发生开路故障时，根据表17在q1开关管故障下十二扇区划分模式下三相两电平pwm整流器状态分析来说明积分抗饱和容错控制方法。表17q1开关管故障下pwm整流器十二扇区单周期状态分析三相两电平pwm整流器q1管故障在十二扇区划分模式下所受故障开关管影响的扇区分布示意图如图8所示，当q1管发生故障时，控制系统将系统的pi控制器切换至抗饱和pi控制器。然后，对于表17中不受故障开关管影响的扇区，对其进行正常地参考电压旋转矢量进行控制，通过七段式开关序列实现连续脉宽调制对参考电压vref*进行合成。对于表18中受故障开关管影响扇区，进行软件容错控制，通过重新定义故障扇区ta，tb，tc时间变量，完成对每一个故障扇区中故障矢量的补偿，即使用有效矢量基于特定等效原则完成对故障矢量的替换，使参考电压旋转矢量vref*在故障扇区内可以重新合成或近似恢复。在主控制器中设置三角载波的频率、幅值以及相位，将所有扇区的时间变量ta，tb，tc分别与三角载波进行调制，得到6路pwm脉冲信号。将6路脉冲信号输入到功率开关管驱动电路中，从而实现在十二扇区划分方式下三相两电平pwm整流器q1单管故障的积分抗饱和容错控制，当其他开关管发生故障时均采用这种积分抗饱和容错控制方法进行容错。图16是本发明三相两电平pwm整流器q1管故障在十二扇区划分模式时容错控制、抗饱和积分容错控制两种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。实施积分抗饱和容错控制方法后，不仅抑制了控制器中积分饱和现象，而且改善了三相电流的畸变率，使得轨迹圆原边脉动明显减小。图17是本发明三相两电平pwm整流器q1管正常运行、故障运行、十二扇区容错运行、抗饱和积分容错控制四种状态下直流母线电压波形图。可以看出，实施抗饱和积分容错控制前后直流侧母线电压纹波变化不明显。除了上述单个开关管故障的情况，本发明方案同样适用于多个开关管故障的情况，如图7，以及图9-14所示。当前第1页12