三电平逆变器开路故障容错控制方法及系统与流程

本发明涉及电路故障容错控制领域，尤其涉及一种三电平逆变器开路故障容错控制方法及系统。
背景技术：
：三电平逆变器是一种常用的电力变换装置，可以将直流电转换为三相交流电，常用于牵引传动控制系统和可再生能源转换系统，这些应用场景都需要逆变器具有很高的可靠性和安全性，但逆变器中功率器件和二极管在高压、高频和大电流的条件下长时间不间断运行，容易发生故障，统计显示，电力变换装置最容易发生故障的就是功率器件，在许多应用场合都占到系统故障总数的50％左右。功率器件故障主要包括开路故障和短路故障，对于短路故障，系统中多会加入快速熔断器进行保护，当发生短路故障时，熔断器会以极快的速度熔断，进而转变成了开路故障情形；当发生开路故障时，如果得不到及时处理，其邻近的功率器件会承受更大的电压和电流，容易导致二次故障，严重影响变流器乃至电力变换系统运行可靠性和安全性。因此，急需一种容错控制方法，在变流器发生开路故障时进行容错控制，以提高整个系统的可靠性和安全性。技术实现要素：本发明主要目的在于公开一种三电平逆变器开路故障容错控制方法及系统，提高系统的可靠性和安全性。为达上述目的，一种三电平逆变器开路故障容错控制方法，包括以下步骤：s1：建立逆变器开关信号与评价函数的关系，构建基于有限集模型预测控制的评价函数，确定正常运行情况下可选逆变器输出电压矢量集合，实现正常运行情况下三电平逆变器有限集模型预测控制；s2：分别分析各类开路故障对逆变器输出电压矢量的影响，确定开路故障后受影响的、可用的逆变器输出电压矢量；s3：当发生开路故障时，去除受影响的电压矢量，更新可选逆变器输出电压矢量集合，使用有限集模型预测控制，选择使评价函数最小的值所对应的脉冲控制信号，实现容错控制。可选的，所述开路故障包括钳位二极管开路故障、变流桥臂外侧功率器件开路故障和变流桥臂内侧功率器件开路故障中的至少一种。优选地，针对变流桥臂外侧功率器件开路故障，所述步骤s3还包括：结合使用有限集模型预测控制与弱磁控制，实现容错控制。针对变流桥臂内侧功率器件开路故障，所述步骤s3还包括：在去除受影响的电压矢量之前，使用晶闸管将发生开路故障的功率器件短接，并在选择使评价函数最小的值所对应的脉冲控制信号后，结合使用有限集模型预测控制与弱磁控制，实现容错控制。本发明具有以下有益效果：采用的有限集模型预测控制概念直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计，对克服工业控制过程中的非线性及不确定性等问题有非常好的效果，而且易于增加约束、动态响应快、鲁棒性强。基于有限集模型预测控制能够对逆变器各类开路故障等进行容错控制，并在功率器件开路故障时，还能进一步结合弱磁控制进行容错控制，提高了系统的可靠性和安全性。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明优选实施例的针对三电平逆变器开路故障容错控制方法流程图；图2是本发明优选实施例的三电平逆变器主电路拓扑图；图3是本发明优选实施例的d1u开路故障容错控制定子三相电流波形图；图4是本发明优选实施例的d1u开路故障容错控制列车速度波形图；图5是本发明优选实施例的tu1开路故障容错控制定子三相电流波形图；图6是本发明优选实施例的tu1开路故障容错控制列车速度波形图；图7是本发明优选实施例的tu2开路故障容错控制定子三相电流波形图；图8是本发明优选实施例的tu2开路故障容错控制列车速度波形图。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1本实施例提供一种三电平逆变器开路故障容错控制方法。具体地，本实施例以牵引传动控制系统中的三电平逆变器为例进行说明，该三电平逆变器的主电路原理图如图1所示，直流侧电压u1、u2为1500v，直流侧电容c1、c2为16mf，所使用牵引电机参数如下表1所示：表1牵引电机参数参数数值定子电阻rs0.15ω定子自感ls34.3mh转子电阻rr0.16ω转子自感lr34.1mh定子/转子互感lm32.8mh额定电压urate2000v额定频率frate140hz额定转速nrate4140r/min额定输出功率prate300kw额定转差率srate1.4％极对数np2采样时间ts40us如图2所示，基于单桥臂模型的三电平开路故障建模方法包括如下步骤。第一步，建立逆变器开关信号与评价函数的关系，构建基于有限集模型预测控制的评价函数，确定正常运行情况下可选逆变器输出电压矢量集合，实现正常运行情况下三电平逆变器有限集模型预测控制。步骤11：建立逆变器输出电压与逆变器开关信号之间的关系，公式为：其中u1为上侧电压源电压，u2为下侧电压源电压，su、sv、sw分别是逆变器u、v、w三个变流桥臂的等效开关信号，uα是变流器输出电压在静止坐标系α轴上的分量，uβ是变流器输出电压在静止坐标系β轴上的分量。步骤12：建立旋转坐标电流与定子三相电流之间的关系，公式为：其中，isd是旋转坐标d轴电流分量，isq是旋转坐标q轴电流分量，iu、iv、iw是定子三相电流。步骤13：建立牵引电机离散电流预测模型，公式为：其中，ψsd(k)、ψsq(k)分别为k时刻d轴、q轴的磁链，可以通过磁链观测器获得，isd(k)、isq(k)分别是k时刻d轴、q轴电流分量，rs、rr分别是定子电阻和转子电阻，ls和lr分别是dq坐标系下定子等效两绕组的自感和转子等效两绕组的自感，ωr(k)是k时刻电机转子角速度，ωsl(k)是k时刻转差率，σ是电机漏磁系数，tr是转子电磁时间常数，ts是采样时间。逆变器一共有r种输出电压矢量，分别是k+1时刻第δ个d轴、q轴输出电压矢量；分别是k+1时刻第δ个d轴、q轴电流分量。步骤14：构建有限集模型预测控制评价函数，公式为：其中，分别是k时刻d轴、q轴电流参考值(也可理解为：用于实现后续目标速度控制等的目标电流值)，gδ(k)是第δ个输出电压矢量作用下的评价函数值，gδ(k)越小，代表系统控制性能越好。三电平逆变器输出电压矢量有r种，确定可选输出电压矢量集合为通过逐一比较集合中第δ种输出电压矢量对应的评价函数gδ(k)计算值，选择使gδ(k)最小的值所对应的脉冲控制信号(输出电压矢量)，使用有限集模型预测控制，实现三电平逆变器控制。正常情况下，每个变流桥臂输出电压有三种，分别是u1、0、-u2，分别以p，o，n代替，则三电平逆变器输出电压矢量有27种，分别为ppp、ppo、ppn、pop、poo、pon、pnp、pno、pnn、opp、opo、opn、oop、ooo、oon、onp、ono、onn、npp、npo、npn、nop、noo、non、nnp、nno、nnn，正常运行时确定可选电压矢量集合为{ppp，ppo，ppn，pop，poo，pon，pnp，pno，pnn，opp，opo，opn，oop，ooo，oon，onp，ono，onn，npp，npo，npn，nop，noo，non，nnp，nno，nnn}；通过逐一比较集合中第δ种电压矢量对应的评价函数gδ(k)计算值，选择使gδ(k)最小的值所对应的脉冲控制信号(输出电压矢量)，使用有限集模型预测控制，实现三电平逆变器控制。第二步，分别分析钳位二极管、功率器件开路故障对逆变器输出电压矢量的影响，确定开路故障后受影响的、可用的逆变器输出电压矢量。步骤21：以u相变流桥臂上的d1u为例，分析钳位二极管开路故障对逆变器输出电压的影响，正常情况下，三电平逆变器可以输出电压矢量有27种，d1u发生开路故障后，受影响的电压矢量为第10～18号电压向量：opp、opo、opn、oop、ooo、oon、onp、ono、onn，共9种；三电平逆变器可用输出电压矢量为1～9、19～27号电压向量，减少为18种。步骤22：以u相变流桥臂上的tu1为例，分析变流桥臂外侧功率器件对逆变器输出电压的影响，tu1发生开路故障后，受影响的电压矢量为第1～9号电压向量：ppp、ppo、ppn、pop、poo、pon、pnp、pno、pnn，共9种；三电平逆变器可用输出电压矢量为10～27号电压向量，减少为18种。步骤23：以u相变流桥臂上的tu2为例，分析变流桥臂内侧功率器件对逆变器输出电压的影响，tu2发生开路故障后，会影响第1～18号电压向量：ppp、ppo、ppn、pop、poo、pon、pnp、pno、pnn、opp、opo、opn、oop、ooo、oon、onp、ono、onn，共18种；三电平逆变器可用输出电压矢量为19～27号电压向量，减少为9种。第三步，针对钳位二极管开路故障，去除受影响的电压矢量，更新可选逆变器输出电压矢量集合，使用有限集模型预测控制，实现容错控制；针对变流桥臂外侧功率器件开路故障，去除受影响的电压矢量，更新可选逆变器输出电压矢量集合，结合使用有限集模型预测控制与弱磁控制，实现容错控制；针对变流桥臂内侧功率器件开路故障，使用晶闸管将发生开路故障的功率器件短接，然后，去除受影响的电压矢量，更新可选逆变器输出电压矢量集合，结合使用有限集模型预测控制与弱磁控制，实现容错控制。步骤31：针对钳位二极管开路故障，钳位二极管发生开路故障后，更新可选电压矢量集合为{ppp，ppo，ppn，pop，poo，pon，pnp，pno，pnn，npp，npo，npn，nop，noo，non，nnp，nno，nnn}，通过逐一比较集合中18种电压矢量对应的评价函数gδ(k)计算值，选择使gδ(k)最小的值所对应的脉冲控制信号(输出电压矢量)，使用有限集模型预测控制，实现钳位二极管开路故障容错控制，图3是d1u开路故障容错控制定子三相电流波形图，图4是d1u开路故障容错控制列车速度波形图，在2s发生开路故障，在2.02s进行容错控制。s32：常见的提高牵引电机速度的方法有两种，一种是提高牵引电机输入电压，一种是减小牵引电机转子磁通，当变流桥臂上功率器件发生开路故障时，逆变器输出电压矢量减少，导致牵引电机输入电压降低，为了确保电机速度无明显下降，在功率器件发生开路故障时，使用弱磁控制，稳定牵引电机速度，考虑弱磁控制公式为：其中，ψr是故障前转子磁通，是弱磁控制后转子磁通，λ是弱磁系数。针对变流桥臂外侧功率器件开路故障，外侧功率器件发生开路故障后，更新可选电压矢量集合为可选电压矢量集合为；{opp，opo，opn，oop，ooo，oon，onp，ono，onn，npp，npo，npn，nop，noo，non，nnp，nno，nnn}，通过逐一比较集合中18种电压矢量对应的评价函数gδ(k)计算值，选择使gδ(k)最小的值所对应的脉冲控制信号(输出电压矢量)，并更改转子磁通为结合使用有限集模型预测控制与弱磁控制，完成变流桥臂外侧功率器件开路故障容错控制，图5是tu1开路故障容错控制定子三相电流波形图，图6是tu1开路故障容错控制列车速度波形图，在2s发生开路故障，在2.02s进行容错控制。步骤33：针对变流桥臂内侧功率器件开路故障，内侧功率器件发生开路故障后，此时三电平逆变器可用输出电压矢量为19～27号共9种电压向量；将发生开路故障的功率器件使用晶闸管短接，此时，去除受影响的第19～27号电压向量，更新可选电压向量集合为{ppp，ppo，ppn，pop，poo，pon，pnp，pno，pnn，opp，opo，opn，oop，ooo，oon，onp，ono，onn}，通过逐一比较集合中18种电压矢量对应的评价函数gδ(k)计算值，选择使gδ(k)最小的值所对应的脉冲控制信号(输出电压矢量)，并更改转子磁通为结合使用有限集模型预测控制与弱磁控制，完成变流桥臂内侧功率器件开路故障容错控制，图7是tu2开路故障容错控制定子三相电流波形图，图8是tu2开路故障容错控制列车速度波形图，在2s发生开路故障，在2.02s进行容错控制。在上述步骤32及步骤33中，区别于传统牵引传动控制系统中以弱磁控制缓慢且连续的提高速度方式，本实施例的容错弱磁通常是为了降低输入电压，为了快速达到容错控制效果，大多以瞬间降低磁通的方式进行操控。综上，本实施例能够对逆变器功率器件和钳位二极管开路故障进行容错控制，构建了有限集模型预测控制评价函数，提出了一种硬件容错拓扑结构，基于有限集模型预测控制和弱磁控制，能够对三电平逆变器任一变流桥臂上任一功率器件或钳位二极管开路故障进行容错控制，提高系统的可靠性和安全性。实施例2本实施例公开一种三电平逆变器开路故障容错控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时实现上述实施例所对应方法的步骤。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12