一种低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法与流程

本发明涉及一种低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法，属于功率变换与控制领域。
背景技术：
：作为风力发电系统的关键与核心，变流器系统的故障或功能丧失会严重威胁重大装备整体运行性能，甚至带来致命性影响，导致灾难性事故。因此，建立高可靠度、强容错性能的风力发电系统，避免因变流器故障造成的系统二次故障，具有重要的理论和现实意义，对于国民经济建设和国防安全具有战略性影响。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当开关管发生故障时，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，利用原系统未故障器件最大程度恢复到故障前的运行状态。中国专利cn104852614a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》和论文《一种基于电路等效替换的整流器容错控制方法》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。论文《基于等模补偿比和svpwm八扇区划分的直驱式风力发电系统变流器容错控制》通过八扇区划分方式对变流器单管故障及同一桥臂的双管故障进行容错控制，然而在实施容错手段之后，电流波形中仍含有许多“尖刺”，电流总谐波畸变率过高问题仍未得到解决。中国专利cn109067214a、cn109861562a、cn109120166a、cn109120167a、cn109067215a、cn109921713a分别从补偿比例、d轴电流注入、定义缓冲扇区以及抗积分饱和控制器等方向对整流器进行容错控制，但是在故障的变流器系统实施容错控制后，相电流中仍包含周期性“尖刺”。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法，能够使控制系统在开关管故障所影响扇区进行精准补偿的基础上，通过利用畸变的电压矢量减小甚至消除相电流中周期性出现的“尖刺”现象，实现对故障变流器的容错控制。实现本发明目的的技术解决方案为：一种低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法，包括如下步骤：步骤1、选择扇区划分方式进行扇区划分；步骤2、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3、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4、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顺序及作用时间，利用故障有效矢量调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用顺序及作用时间；步骤5、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6、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管pwm脉冲控制开关管通断，完成低畸变率容错控制。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明能够实现两电平pwm整流器单管故障、双管故障的容错控制；2)本发明能够降低甚至消除相电流中出现的“尖刺”问题，从而降低电流的总谐波畸变率；3)本发明所只需重构主控制器中svpwm算法，算法简单易实现。附图说明图1是本发明直驱式风力发电机机侧变流器系统的低电流总谐波畸变率容错控制框图。图2是本发明三相两电平pwm整流器主电路的拓扑示意图。图3是本发明一种低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法的流程图。图4是本发明α、β两相静止坐标系中的八扇区基本空间电压矢量图。图5是本发明α、β两相静止坐标系中的十二扇区基本空间电压矢量图。图6是本发明机侧变流器s1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是本发明机侧变流器s1、s4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是本发明机侧变流器s1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是本发明机侧变流器s1、s3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是本发明机侧变流器s1、s4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是本发明机侧变流器s1、s6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是本发明机侧变流器s1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13是本发明机侧变流器s1管正常时扇区单周期pwm生成图。图14是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用常规投影补偿比所得到实验结果。图15是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的投影补偿比所得到实验结果。图16是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用常规等模补偿比所得到实验结果。图17是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等模补偿比所得到实验结果。图18是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等轴补偿比所得到实验结果。图19是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等轴补偿比所得到实验结果。图20是本发明机侧变流器s4管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等轴补偿比所得到实验结果。图21是本发明机侧变流器s1、s4管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等轴补偿比所得到实验结果。图22是本发明机侧变流器s1、s3管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等轴补偿比所得到实验结果。图23是本发明机侧变流器s1、s6管故障在十二扇区划分模式时采用本发明所提出的等轴补偿比所得到实验结果。图中标号说明：s1～s6机侧变流器中6个功率开关管，d1～d6机侧变流器6个续流二极管，f1～f6机侧变流器6个快速熔断器，la,lb,lc为发电机定子绕组等效电感，ua,ub,uc为发电机等效电压源。c为直流侧稳压电容。三相电流ia,ib,ic为永磁同步发电机产生的三相电流，vw为自然风速大小，ωm为永磁同步发电机角速度，θ为三相电流电角度，id,iq为dq两相旋转坐标系下的电流反馈值，为dq两相旋转坐标系下的电流给定值，te*为电机转矩反馈值，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量。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是永磁直驱式风力发电机机侧变流器系统的d轴电流注入容错控制框图，图2给出了三相两电平pwm整流器主电路拓扑示意图，将发电机侧等效为三相电压源ua,ub,uc和定子电感la,lb,lc。在实际应用当中，功率开关管和与其反并联的二极管同时发生故障的概率极小，所以本发明只考虑功率开关管发生故障，默认与其反并联的二极管仍正常工作。当图2中的功率开关管(s1～s6)发生故障，主要包括开路故障和短路故障，短路故障可由串联的快速熔断器(f1～f6)转化为开路故障，其他故障可通过封闭故障开关管驱动脉冲信号转化为开路故障。综上所述，本发明针对功率开关管开路故障，提出一种低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法，如图3所示，具体步骤如下：步骤1、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：(1)如果采用八扇区划分方法，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。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能够确定na,nb,nc的计算值与实际扇区编号之间存在的对应关系表1na，nb，nc的计算值与扇区对应关系扇区编号iiiiiiⅳⅴⅳⅶⅷ计算值na62437518计算值nb24375618计算值nc43756218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→5；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能够确定n的计算值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2、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，划分故障扇区和正常扇区的方法为：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基本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3、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为开关管导通周期；然后，确定故障前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确定故障前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确定故障前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：其中，t1'、t2'、t0'为重新分配后的基本电压矢量作用时间。则合成参考电压旋转矢量vref*的比例系数为：即：步骤4、根据受故障开关管影响的扇区、故障前后基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用顺序及作用时间，利用畸变矢量(即故障有效矢量)调整受故障开关管影响的扇区的基本电压矢量作用顺序及作用时间；调整受故障开关管影响的扇区的基本电压矢量作用时间的具体方法为：(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或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。对于有效矢量补偿，基于补偿原则计算畸变电压矢量(即故障有效矢量)的作用时间，并使用该扇区的畸变电压矢量重新合成参考电压旋转矢量vref*，实现该扇区的容错控制，所述补偿原则包括投影法、等轴分量法和等模法；(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(即一个零矢量故障)，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或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(两个有效矢量故障或两个有效矢量和一个零矢量故障，或者一个有效矢量和一个零矢量故障)，使用正常零矢量代替故障零矢量，基于补偿原则计算畸变电压矢量的作用时间，并使用该扇区的畸变电压矢量重新合成参考电压旋转矢量vref*，实现该扇区的容错控制，所述补偿原则包括投影法、等轴分量法和等模法；对于零矢量同时故障的扇区(即两个零矢量同时故障，有效矢量无故障时)，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(所有矢量同时故障，或者两个零矢量和一个有效矢量故障)，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。投影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。使用故障的有效矢量，将参考电压旋转矢量vref*正交投影到故障电压矢量上，基于与参考电压旋转矢量vref*等模原则计算故障有效矢量的作用时间实现该扇区的容错控制。等轴分量法是将故障前的参考电压旋转矢量vref*以及有效矢量投影在β轴，基于分量相同计算故障有效矢量补偿时间。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轴分量原则计算出故障有效电压矢量的补偿比，即设置故障有效矢量作用时间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类型，确定三相开关管的导通时间，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；此时参考电压旋转矢量以s1管故障十二扇区划分函数下扇区ⅶ电压矢量合成进行为例，如图12所示，即实现使用连续脉宽调制对参考电压vref*进行合成。故障扇区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：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。(a)采用投影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。(b)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：(c)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，具体与八扇区该类型扇区计算公式相同；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步骤6、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，完成低电流总谐波畸变率容错控制。具体方法为：将开关管导通时间与周期为采样周期的等腰三角形波进行调制，采用dpwm技术，基于对称原则和thd最低原则来确定矢量的作用顺序，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，驱动电路控制相应的功率开关管开通与关断，完成低电流总谐波畸变率容错控制。本发明采用上述技术方案，利用畸变的电压矢量参与参考电压vref*的合成，从而改善故障相电流所出现的“尖刺”现象，能够实现提高机侧变流器开关管故障的容错控制效果，在软件容错控制基础上进一步减小故障开关管对系统带来的影响，从而改善变流器故障后的输出特性。本文所提出的方法仅需要重构控制器的svpwm调制模块，具有计算量小、适用性强的优点。该方案通过修改控制器软件控制算法，简单容易实现，无需增加额外的硬件成本。实施例为了验证本发明的有效性，进行如下实验。本实施例以直驱式风力发电系统机侧变流器在十二扇区划分方式下单管故障s1来说明，当s1管发生短路故障时，将由快速熔断器将其转化成开路故障，当s1发生开路故障时，根据表16在s1开关管故障下十二扇区划分模式下机侧变流器状态分析来说明低电流总谐波畸变率的机侧变流器容错控制方法。16s1开关管故障下pwm整流器十二扇区单周期状态分析机侧变流器s1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s1管发生故障时，对表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，即使用畸变的有效矢量和正常的零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机侧变流器s1单管故障的低电流总谐波畸变率容错控制，当其他开关管发生故障时均采用这种低电流总谐波畸变率容错控制方法进行容错。图15-图20是本发明机侧变流器s1管故障在十二扇区划分模式时采用常规和本发明所提出的投影补偿比、等模补偿比以及等轴补偿比所得到对比实验结果。可以看出本发明所提出的方法削弱了采用投影补偿比中三相电流的“尖刺”幅值，在等模补偿比及等轴补偿比这两种情况下几乎消除了“尖刺”，很大程度上降低了三相电流的畸变率，同时使用本发明所对应的实验结果中的电流轨迹圆轨迹更加趋于正圆。除了上述单个开关管故障的情况，本发明方案同样适用于其他单管故障和多个开关管故障的情况，如图20-23所示。当前第1页12