一种基于零序环流抑制的容错控制方法及系统与流程

1.本公开涉及电力系统技术领域，特别涉及一种基于零序环流抑制的容错控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.在低压大功率场合，通常采用并联三电平逆变器拓扑来提升系统的容量等级，同时，系统的效率与灵活性也得以改善。然而，t型三电平逆变器的并联会引发零序环流，进而导致系统损耗增加、并网电流畸变，而且严重影响功率回路开关管的使用寿命。
4.此外，随着并联逆变器系统功率开关管数量的大幅增加，加之运行工况的复杂多变及其自身老化，系统开关管发生故障的可能性将会显著增加。当功率开关管发生故障时，并联系统的零序环流急剧恶化，致使并网电流畸变率进一步加大，给大功率逆变器并联系统的安全可靠运行带来严重威胁。然而，现有文献均未给出并联系统零序环流抑制下开关管的故障容错控制方法。
5.通常，功率开关管的故障类型分为：短路与断路两种情况。当发生短路故障时，功率回路产生的瞬时大电流通常会烧坏功率器件甚至整个变流器系统，为确保系统其余部分的安全，系统必须紧急停机。另一方面，当发生开路故障时，将会导致系统并网电流的畸变，同时还会进一步对其他组件产生二次损坏。与短路故障相比，断路故障并不会瞬间对功率器件乃至整个系统造成毁灭性损坏，且其对应的故障容错控制方法可以通过非停机手段予以实现。
6.图1给出了t型三电平逆变器并联系统的拓扑结构图，通常，功率开关管的开路故障被分为以下两种情况予以讨论，即：hb开关管(s
x1(x＝a,b,c)
与s
x4
)故障、np开关管(s
x2
与s
x3
)故障。当hb开关管故障时，为使用正常电压矢量合成输出参考电压，则要求逆变器系统必须降低调制比运行，因此，系统输出电压的幅值也会随之降低，显然，这在并网型逆变器中是不允许的。此外，由于系统此时已没有冗余电压矢量可供选择，致使从调制或控制的角度实现并联系统的零序环流抑制变得非常困难；同时现有技术也无法同时实现并联系统的零序环流抑制和故障容错控制。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于零序环流抑制的容错控制方法及系统，能够同时实现并联系统的零序环流抑制和故障容错控制，且零序环流抑制与故障容错控制互不影响。
8.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
9.本公开第一方面提供了一种基于零序环流抑制的容错控制方法。
10.一种基于零序环流抑制的容错控制方法，包括以下步骤：
11.获取t型三电平逆变器并联系统的运行状态数据；
12.根据获取的运行状态数据，将任一台t型逆变器系统的三相调制波与基于比例和前馈的零序环流控制器的输出值进行相加实现零序环流抑制；
13.根据面积等效准则，得到故障相的最终状态转换时间，进行开关序列的重构，在不影响零序环流抑制的前提下，进行开关管开路故障下的容错控制。
14.本公开第二方面提供了一种基于零序环流抑制的容错控制系统。
15.一种基于零序环流抑制的容错控制系统，包括：
16.数据获取模块，被配置为：获取t型三电平逆变器并联系统的运行状态数据；
17.零序环流抑制模块，被配置为：根据获取的运行状态数据，将任一台t型逆变器系统的三相调制波与基于比例和前馈的零序环流控制器的输出值进行相加实现零序环流抑制；
18.容错控制模块，被配置为：根据面积等效准则，得到故障相的最终状态转换时间，进行开关序列的重构，在不影响零序环流抑制的前提下，进行开关管开路故障下的容错控制。
19.本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于零序环流抑制的容错控制方法中的步骤。
20.本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于零序环流抑制的容错控制方法中的步骤。
21.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
22.1、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，能够同时实现并联系统的零序环流抑制和故障容错控制，且零序环流抑制与故障容错控制互不影响；显著提升了并联系统正常运行与开关管故障下运行时的交流侧电能质量，切实保障了系统的安全可靠运行。
23.2、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，与传统零序环流抑制和故障容错控制的硬件方案相比，该方法具有：成本低、体积小、效率高等诸多优势。
24.3、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，与传统零序环流抑制的软件方案(比例积分pi控制)相比，该方法可有效避免零序环流抑制过程中出现的积分项饱和问题，同时适用于并联系统两台逆变器参考电流不相等时的零序环流抑制。
25.4、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，与传统基于两电平拓扑的逆变器系统相比，本公开所述逆变器系统的交流侧电能质量得以提高，滤波器体积降低，功率开关管的开关应力减小。
26.本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
27.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
28.图1为本公开背景技术和实施例1提供的t型三电平逆变器并联系统的拓扑结构图。
29.图2为本公开实施例1提供的t型三电平逆变器系统空间电压矢量图。
30.图3为本公开实施例1提供的np管开路故障前后的状态切换图(i
a
≥0)。
31.图4为本公开实施例1提供的np管开路故障前后的状态切换图(i
a
<0)。
具体实施方式
32.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
33.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.实施例1：
37.如图1所示，本公开实施例1提供了一种基于零序环流抑制的容错控制方法，共包含以下三大基本步骤：
38.s1：零序环流抑制
39.s1.1：进行并联系统零序环流i
z
的实时采集，并将其瞬时模拟量传输至dsp控制器完成ad转换。其中，i
z
的数值大小为第1台逆变器三相交流电流之和的三分之一，即：i
z
＝1/3(i
a1
i
b1
i
c1
)。
40.s1.2：将零序环流的参考值i
z_ref
设置为0，并将i
z_ref
与实际值i
z
进行求差运算，其差值记为
△
i
z
，即：
△
i
z
＝i
z_ref-i
z
。同时，将
△
i
z
作为“比例 前馈”型零序环流控制器的输入量，输入至零序环流控制器，其中，“比例 前馈”型零序环流控制器的形式如式(1)所示：
41.y＝k
p
*(error(t)) [(m
a
m
b
m
c
)-(n
a
n
b
n
c
)]
ꢀꢀ
(1)
[0042]
式(1)中，error(t)为零序环流控制器的输入量，即
△
i
z
；y为控制器的输出量，k
p
为控制器的比例参数，[(m
a
m
b
m
c
)-(n
a
n
b
n
c
)]为控制器的前馈项，其中，m
a
、m
b
、m
c
分别为第1台逆变器的原始三相调制波，n
a
、n
b
、n
c
分别为第2台逆变器的原始三相调制波。
[0043]
s1.3：执行零序环流控制器算法，这里将
△
i
z
作为零序环流控制器的输入量error(t)，即：error(t)＝
△
i
z
，后经零序环流控制器的函数关系式(1)，计算出零序环流控制器的输出值y1，即：
[0044]
y1＝k
p
*(δi
z
) [(m
a
m
b
m
c
)-(n
a
n
b
n
c
)]
ꢀꢀ
(2)
[0045]
其中，y1指的是：为实现并联系统零序环流的抑制对逆变器系统三相调制波的调节量。
[0046]
又由于并联系统中两台逆变器对应的零序环流大小相等、方向相反，因此只需要对其中任意一台逆变器进行零序环流的抑制即可。为此，这里对第1台t型逆变器系统的三相调制波进行以下修正：
[0047][0048]
s2：np管开路故障时的故障容错控制
[0049]
鉴于两台t型逆变器的np管同时发生开路故障的可能性较小，同时考虑到两台逆变器故障容错控制方式的相似性，故本实施例以第1台为例进行下述分析。进一步，考虑到单台逆变器系统a、b、c三相容错控制方式的相似性，故本实施例最终以第1台逆变器a相np管开路故障为例进行分析。其中，分析过程以电流从直流侧流向交流侧电感的方向为正方向。
[0050]
由图1可知，第1台逆变器a相np管发生开路故障共包含三种情况：s
a12
故障、s
a13
故障、s
a12
与s
a13
均故障。其中，当np管s
a12
故障时，并网电流在i
a
<0的半个工频周期内发生畸变；当np管s
a13
故障时，并网电流在i
a
>0的半个工频周期内发生畸变；当np管s
a12
与s
a13
同时故障时，并网电流在全工频周期范围内发生畸变。
[0051]
显然，对于上述3种开路故障来说，np管s
a12
与s
a13
同时故障包含了前述两种故障，故其对应的故障容错控制方法也适用于前两种故障。因此，为同时兼顾上述3种np管开路故障，本实施例以np管s
a12
与s
a13
同时故障为例进行故障容错控制的分析。
[0052]
当np管s
a12
与s
a13
同时故障时，逆变器a相的[0]状态在整个工频周期内将无法产生，进而造成图2中所有以[0]状态起始的电压矢量无法合成，即：[01-1]、[010]、[011]、[000]、[001]、[0-11]、[00-1]、[0-1-1]、[0-10]等9个电压矢量。为防止由此带来的并网电流畸变和零序环流的进一步增加，本文在全工频周期范围内进行开关序列的重构，采用非[0]状态起始的电压矢量完成参考电压v
ref
的合成。
[0053]
具体过程如下：
[0054]
s2.1：i
a
≥0
[0055]
当参考电压v
ref
位于i
a
的正半周期时，为分析方便，假定v
ref
位于第i大扇区的第5小区。由图2可知，在np管s
a12
与s
a13
发生开路故障之前，v
ref
将由[0-1-1]、[1-1-1]、[10-1]、[100]等4个距离最近的空间电压矢量合成，对应的开关序列为：
[0056]
[0-1-1]-[1-1-1]-[10-1]-[100]-[10-1]-[1-1-1]-[0-1-1]；其中，a相参考电压通过状态[1]与状态[0]的切换进行合成。
[0057]
当np管s
a12
与s
a13
发生开路故障之后，a相输出将无法生成[0]状态，为此，本实施例采用状态[-1]替代状态[0]的思想，最终通过状态[1]与状态[-1]的实时切换进行a相参考电压的合成。与此同时，矢量[0-1-1]被相距最近的两个非[0]状态起始的空间矢量[-1-1-1]和[1-1-1]替代，此时，v
ref
将由[-1-1-1]、[1-1-1]、[10-1]、[100]等4个矢量合成，对应的开关序列被重构为：
[0058]
[-1-1-1]-[1-1-1]-[10-1]-[100]-[10-1]-[1-1-1]-[-1-1-1]。
[0059]
图3中的(a)与图3中的(b)分别给出了np管开路故障前与故障后的状态切换图。
[0060]
进一步，为确保提出的故障容错控制方法对前述的零序环流抑制过程无任何影响，即实现容错控制与零序环流抑制的解耦控制，则要求故障前后a相开关状态切换波形所围成的等效面积不变，即图3中的(a)与3中的(b)中的阴影面积满足：s
a
＝s
a_tc
。显然，这对图
3中的(b)中a相的状态转换时间提出了要求。假定容错控制后a、b、c三相的状态转换时间为t
a1”、t
b1”、t
c1”，则s
a
＝s
a_tc
可表述为：
[0061]
t
s
×
[0-(-1)] [t
s-2(t
a1
y1t
s
)]
×
(1-0)＝(t
s-2t
a1”)
×
[1-(-1)]
ꢀꢀ
(4)
[0062]
由式(4)解得逆变器系统故障相的状态转换时间为：
[0063][0064]
类似的，上述分析方法可推广应用于i
a
≥0时对应的其他各个扇区。
[0065]
s2.2：i
a
<0
[0066]
当v
ref
位于i
a
的负半周期时，为方便分析，假设v
ref
位于第iii大扇区的第6小区。由图2可知，在np管s
a12
与s
a13
发生开路故障之前，v
ref
将由[-10-1]、[-11-1]、[01-1]、[010]等4个距离最近的空间电压矢量合成，对应的开关序列为[-10-1]-[-11-1]-[01-1]-[010]-[01-1]-[-11-1]-[-10-1]。
[0067]
当np管s
a12
与s
a13
发生开路故障之后，故障相a相的[0]状态将无法产生，为此，本实施例采用状态[1]替代状态[0]的思想，最终通过状态[1]与状态[-1]的实时切换进行a相参考电压的合成。同时，矢量[01-1]和[010]将会被相距最近的3个非[0]状态起始的空间矢量[-11-1]、[11-1]和[110]替代，相应的，v
ref
将由[-10-1]、[-11-1]、[11-1]、[110]等4个基本的空间电压矢量合成，对应的开关序列被重构为：
[0068]
[-10-1]-[-11-1]-[11-1]-[110]-[11-1]-[-11-1]-[-10-1]。
[0069]
图4中的(a)与图4中的(b)分别给出了np管开路故障前与故障后的状态切换图。
[0070]
与上述v
ref
≥0情况类似，为实现故障容错控制与零序环流抑制的解耦控制，需保证图4中的(a)与图4中的(b)中的阴影面积相等，相应的，s
a
＝s
a_tc
可表述为：
[0071]
[t
s-2(t
a1
y1t
s
)]
×
[0-(-1)]＝(t
s-2t
a1”)
×
[1-(-1)]
ꢀꢀ
(6)
[0072]
由式(6)解得逆变器系统故障相的状态转换时间为
[0073][0074]
类似的，上述分析方法可推广应用于i
a
<0时对应的其他各个扇区。
[0075]
综上，在i
a
的全周期范围内，当np管s
a12
与s
a13
同时故障时，为实现并联系统的零序环流抑制与故障容错控制，第1台逆变器a、b、c三相的状态转换时间被最终修订为
[0076][0077]
s3：pwm调制
[0078]
该部分主要完成pwm驱动波形的生成。其中，对于第1台逆变器系统来说，基于式(8)给出的三相状态转换时间t
a1”、t
b1”、t
c1”，按照如图3或图4所示的传统七段式pwm调制方式，生成第1台逆变器系统各相开关管的驱动信号；对于第2台逆变器系统来说，基于原始的三相调制波n
a
、n
b
、n
c
，并辅以双载波pwm调制策略，得到第2台逆变器系统对应的驱动信号。
[0079]
实施例2：
[0080]
本公开实施例2提供了一种基于零序环流抑制的容错控制系统，包括：
[0081]
数据获取模块，被配置为：获取t型三电平逆变器并联系统的运行状态数据；
[0082]
零序环流抑制模块，被配置为：根据获取的运行状态数据，将任一台t型逆变器系统的三相调制波与基于比例和前馈的零序环流控制器的输出值进行相加实现零序环流抑制；
[0083]
容错控制模块，被配置为：根据面积等效准则，得到故障相的最终状态转换时间，进行开关序列的重构，在不影响零序环流抑制的前提下，进行开关管开路故障下的容错控制。
[0084]
所述系统的工作方法与实施例1提供的基于零序环流抑制的容错控制方法相同，这里不再赘述。
[0085]
实施例3：
[0086]
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的基于零序环流抑制的容错控制方法中的步骤，所述步骤为：
[0087]
获取t型三电平逆变器并联系统的运行状态数据；
[0088]
根据获取的运行状态数据，将任一台t型逆变器系统的三相调制波与基于比例和前馈的零序环流控制器的输出值进行相加实现零序环流抑制；
[0089]
根据面积等效准则，得到故障相的最终状态转换时间，进行开关序列的重构，在不影响零序环流抑制的前提下，进行开关管开路故障下的容错控制。
[0090]
详细步骤与实施例1提供的基于零序环流抑制的容错控制方法相同，这里不再赘述。
[0091]
实施例4：
[0092]
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的基于零序环流抑制的容错控制方法中的步骤，所述步骤为：
[0093]
获取t型三电平逆变器并联系统的运行状态数据；
[0094]
根据获取的运行状态数据，将任一台t型逆变器系统的三相调制波与基于比例和前馈的零序环流控制器的输出值进行相加实现零序环流抑制；
[0095]
根据面积等效准则，得到故障相的最终状态转换时间，进行开关序列的重构，在不影响零序环流抑制的前提下，进行开关管开路故障下的容错控制。
[0096]
详细步骤与实施例1提供的基于零序环流抑制的容错控制方法相同，这里不再赘述。
[0097]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0098]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0099]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0100]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0101]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0102]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。