一种共分裂直流母线多三电平逆变器协同控制方法及系统

本发明涉及电力电子多电机驱动，尤其涉及一种共分裂直流母线多三电平逆变器协同控制方法及系统。

背景技术：

1、轨道交通、矿山机械、船舶推进以及工业多电机装备中，常采用多台三电平逆变器共用一套分裂直流母线，各逆变器分别驱动独立交流电机的架构。多台逆变器通过开关冗余矢量共同作用于公共中点，上下电容的电压偏差由全部逆变器中点电流叠加决定。

2、现有控制方案存在如下不足：第一，缺少以公共中点电荷为统一物理量的系统级协同手段，各逆变器的中点调节能力没有结合pwm物理约束做统一量化；第二，未区分基础pwm自身产生的自然中点电荷与需要主动补偿的修正电荷，模块间已经能够相互抵消的自然中点电荷仍会触发冗余矢量动作，造成不必要开关切换；第三，缺少多模块之间的电荷守恒分配机制，容易向调制度高、冗余时间不足或者故障的模块下发无法执行的控制指令；第四，对于死区、采样通信延迟、器件参数偏差等各类未建模扰动缺少基于公共中点实测残差的闭环校正手段，部分方案中预测模块直接输出开关门极信号，存在工程安全风险。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种共分裂直流母线多三电平逆变器协同控制方法及系统，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种共分裂直流母线多三电平逆变器协同控制方法，包括以下步骤：

3、s1、建立统一协调窗口，在协调窗口起始时刻获取各模块计划基础pwm序列、相电流预测值以及公共母线历史数据；

4、s2、根据计划基础pwm序列和相电流预测值，计算各模块的自然中点电荷；

5、s3、依据冗余状态中点电荷灵敏度以及pwm物理约束，构建各模块的修正电荷可行域；

6、s4、预测公共中点剩余扰动电荷；

7、s5、基于上下电容电荷不平衡状态得到目标总中点电荷，并结合全部模块自然中点电荷、剩余扰动电荷预测值，计算主动修正电荷需求；

8、s6、由各模块修正电荷可行域得到系统总可达范围，在总可达范围内分配得到各模块目标修正电荷；

9、s7、各模块将目标修正电荷转换为等效冗余状态的互补作用时间增量，在pwm物理约束条件下生成门极序列输出；

10、s8、利用公共中点实测电流与各模块实际开关状态重构的中点电流求取残差，由残差得到剩余扰动电荷观测值，并利用观测值更新下一协调窗口剩余扰动电荷预测；

11、s9、执行系统异常诊断：若检测到异常，则执行分级回退控制；若无异常，则进入下一协调窗口循环执行。

12、优选的，s1中统一协调窗口定义为：

13、；

14、，；

15、式中，为pwm周期；为单个协调窗口包含的pwm周期数；为协调窗口编号；为第个协调窗口；、分别为协调窗口的起始时刻与终止时刻。

16、优选的，s5中上下电容电荷不平衡状态、目标总中点电荷以及主动修正电荷需求按照如下公式计算：

17、；

18、；

19、；

20、式中，为第窗口上下电容电荷不平衡状态；、分别为上、下电容容值；、分别为第窗口上、下电容电压；为窗口末端目标不平衡状态；为收敛系数，且；为本窗口目标总中点电荷；为第模块第窗口的自然中点电荷；为第窗口公共中点剩余扰动电荷预测值；为主动修正电荷需求。

21、优选的，s7中等效冗余状态为输出相同静止两相坐标系电压矢量、中点电流互不相同的正冗余状态与负冗余状态；冗余状态对的中点电荷灵敏度以及单模块修正中点电荷满足：

22、；

23、；

24、式中，为中点电荷灵敏度；、分别为正、负冗余状态对应的中点电流；为第模块修正中点电荷；为第模块第个pwm周期全部冗余状态对集合；为冗余状态对的作用时间增量；各冗余状态对进行互补时间转移时，保持正负冗余状态总作用时间不变；

25、pwm物理约束至少包括最小有效脉宽、死区、合法换相约束，进一步的，pwm物理约束还可包括禁止更新区、定时器分辨率、调制度、过调制、器件故障屏蔽、共模电压限制中的一种或多种。

26、优选的，s8中公共中点瞬时残差、剩余扰动电荷观测值以及下一窗口扰动预测更新公式为：

27、；

28、；

29、；

30、式中，为公共中点瞬时残差；为公共中点实测电流；为第模块基于实际开关状态重构的中点电流；为剩余扰动电荷观测值；为滤波系数；为安全限幅函数。

31、优选的，系统总可达范围为各模块修正电荷可行域求和得到：

32、；

33、式中，、分别为第模块修正电荷可行域的下限、上限；

34、当主动修正电荷需求超出系统总可达范围，将主动修正电荷需求投影到总可达范围；未完成修正电荷递延至下一协调窗口；连续多窗口无法完成修正，则触发调制度限制、负载降额或者中点偏差预警；

35、各模块目标修正电荷采用约束优化求解：

36、；

37、；

38、式中，为第模块的修正中点电荷；为系统总可达范围；为投影后的可分配电荷；为限幅投影函数；为模块权重；为惩罚系数；为代价函数，表征额外换相次数、开关损耗、电容rms电流增量、器件结温、任务变化率中至少一项；为第模块修正电荷可行域。

39、优选的，分级回退控制包括：预测置信度不足时切换确定性残差估计，继续执行系统级电荷分配；通信异常时退回各模块本地中点平衡控制；模块故障时移除故障模块的修正电荷可行域，在剩余正常模块之间重新分配修正任务；公共传感器异常或者可行域计算失败时退回各模块本地中点平衡控制；

40、剩余扰动电荷预测模型仅输出剩余扰动电荷预测值与预测置信度，不直接输出开关状态、门极信号；门极序列全部由各模块本地控制器依据pwm物理约束生成。

41、本发明还提供了一种共分裂直流母线多三电平逆变器协同控制系统，包括：共分裂直流母线、m台三电平逆变器、m台独立交流电机、上下电容电压检测单元、公共中点电流检测单元、各模块相电流检测单元、各模块本地控制器、通信同步单元以及系统协调控制器，且；

42、共分裂直流母线包含串联的上电容、下电容，上电容接公共正母线端p与公共中点端o之间，下电容接公共中点端o与公共负母线端n之间；每台三电平逆变器直流侧同时连接p、o、n，各三电平逆变器交流侧分别连接一台独立交流电机，各逆变器交流侧互相不并联；

43、上下电容电压检测单元、公共中点电流检测单元、各模块相电流检测单元分别采集对应电压、电流信号；

44、各模块本地控制器用于生成计划基础pwm序列、接收目标修正电荷并输出合法门极序列；

45、通信同步单元用于多模块时间基准对齐并传输交互数据；

46、系统协调控制器用于建立统一协调窗口，完成电荷汇总、需求计算、目标修正电荷分配、残差预测更新以及异常分级回退控制。

47、优选的，系统协调控制器配置有自然电荷汇总模块、剩余扰动预测模块、目标电荷计算模块、总可达范围构建模块、电荷守恒分配模块、残差校正模块、分级回退状态机；剩余扰动预测模块仅输出剩余扰动电荷预测值与置信度，不输出开关、门极控制信号；

48、三电平逆变器为npc、anpc、t型、混合箝位型三电平逆变器中的任意一种，具备输出相同静止两相坐标系电压矢量、中点电流不同的等效冗余开关状态；

49、公共中点电流检测单元为独立中点电流传感器，或者由各支路电流求和得到，或者基于上下电容电压与电容参数进行估计得到。

50、优选的，各模块本地控制器还用于计算本模块自然中点电荷、修正电荷可行域，将目标修正电荷转换为等效冗余状态互补作用时间增量，窗口执行完成后向系统协调控制器反馈实际完成电荷、未完成电荷与模块运行状态；

51、通信同步单元传输的数据包括窗口编号、时间戳、数据有效标志、模块可行域、目标修正电荷、模块执行状态。

52、因此，本发明采用上述一种共分裂直流母线多三电平逆变器协同控制方法及系统，具有的有益效果为：

53、1、以公共中点电荷作为统一物理量开展多逆变器协同控制，量化各模块受pwm物理约束的调节能力，在系统总可达范围内完成电荷分配，避免下发不可执行的控制指令，提升指令执行可靠性。

54、2、区分自然中点电荷与主动修正电荷，优先利用不同模块之间自然中点电荷的相互抵消作用，减少冗余状态不必要切换，降低开关动作开销。

55、3、通过公共中点实测残差实现闭环校正，对死区、采样延迟、器件参数误差等未建模扰动具备抑制能力，提升系统鲁棒性；预测模块仅输出扰动电荷，不直接输出门极信号，降低预测异常带来的器件失控风险。

56、4、采用等效冗余状态互补转移时间实现中点调节，保持各电机基础参考电压平均伏秒积分不变，不改动原有电机控制链路；同时具备分级回退机制，模块故障、通信异常时可以降级运行，系统扩展性与容错能力好。

57、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。