基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電路故障容錯領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開 路故障容錯控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的電源轉(zhuǎn)換器，在諸多 交-交變換器中，矩陣變換器可以實現(xiàn)所有交流參數(shù)（相數(shù)、相位、振幅、頻率）的變換，并 以其特有的優(yōu)勢吸引了大批學者的關(guān)注。與傳統(tǒng)的變換器相比，矩陣變換器具有以下的優(yōu) 點：不需要中間直流儲能環(huán)節(jié)；能夠四象限運行；電源設(shè)計緊湊；具有優(yōu)良的輸入電流波形 和輸出電壓波形；能量可雙向流動；體積小，重量輕；可自由控制輸入功率因數(shù)等。另外，由 于矩陣變換器沒有電解電容器，所以壽命較長，可以廣泛地應用于航空航天、軍事、醫(yī)療等 對體積、重量有較高要求的領(lǐng)域。
[0003] 矩陣變換器常見的故障類型有：開關(guān)開路故障、開關(guān)短路故障、單相開路故障、單 相短路故障、輸入電源對地短路故障等。對于短路故障情況，系統(tǒng)中多會加入快速熔斷器進 行保護，當發(fā)生短路故障時，熔斷器會以極快的速度熔斷，之后就變成了開路故障的情況。 當矩陣變換器的一相發(fā)生開路故障時，其他兩相的輸出電流幅值增大且相互反相，輸出電 壓會發(fā)生嚴重的畸變，同時輸入功率因數(shù)也會大大降低，如果不及時采取措施，由矩陣變換 器帶動的三相負載將無法正常工作，從而影響系統(tǒng)的性能和使用壽命。因此，實時監(jiān)測矩陣 變換器系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時檢測故障并處理故障，是提高矩陣變換器可靠運行性能和使 用壽命的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方 法，以解決矩陣變換器出現(xiàn)單相開路故障時，如何實現(xiàn)容錯運行的技術(shù)問題。
[0005] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器單相開路故障容錯控制方法，包括以下步 驟：
[0007] 步驟一：建立矩陣變換器正常工作情況下的輸入輸出關(guān)系模型；
[0008] 步驟二：構(gòu)建輸出觀測器，在系統(tǒng)運行過程中對輸出電流進行在線監(jiān)測。將監(jiān)測到 的電流實際值與觀測器的估計值進行比較，實現(xiàn)開路故障實時檢測。如果檢測到系統(tǒng)發(fā)生 開路故障，接著進行故障診斷，識別出是哪一相發(fā)生故障；
[0009] 步驟三：檢測并診斷出系統(tǒng)的開路故障后，采用容錯拓撲將增加的備用相代替故 障相工作；同時采用基于數(shù)學構(gòu)造的方法修改調(diào)制策略。
[0010] 所述的基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，所述步驟一包括 以下子步驟：
[0011] 步驟1 :根據(jù)圖1所示矩陣變換器正常運行拓撲結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)正常工作情況下，矩 陣變換器的三相輸入電壓為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟一：建立矩陣變換器正常工作情況下的輸入輸出關(guān)系模型； 步驟二：構(gòu)建輸出觀測器，在系統(tǒng)運行過程中對輸出電流進行在線監(jiān)測，將監(jiān)測到的電 流實際值與觀測器的估計值進行比較，實現(xiàn)開路故障實時檢測，如果檢測到系統(tǒng)發(fā)生開路 故障，接著進行故障診斷，識別出是哪一相發(fā)生故障； 步驟三：檢測并診斷出系統(tǒng)的開路故障后，采用容錯拓撲將增加的備用相代替故障相 工作；同時采用基于數(shù)學構(gòu)造的方法修改調(diào)制策略。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，其 特征在于，所述步驟一包括以下子步驟： 步驟1 :根據(jù)矩陣變換器正常運行拓撲結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)正常工作情況下，矩陣變換器的三 相輸入電壓為：
式中，ua、ub、u。表不三相輸入相電壓，ω i表不輸入電壓的角頻率，Vim表不輸入電壓峰 值，三相輸出電流由負載決定，表不為：
式中，iA、iB、ic表示三相輸出相電流，ω。表示輸出電流的角頻率，I "表示輸出電流峰 值，期望的三相輸出相電壓為：
式中，uA、uB、Uc表不三相輸出相電壓，不輸出電壓峰值，％表不負載阻抗角， 矩陣變換器須滿足如下幾個約束條件：（1)輸入端不能短路，輸出端不能斷路；（2)在 任意時刻，連接到同一相輸出的三個雙向開關(guān)中，有且僅有一個開關(guān)可以導通，另外兩個必 須關(guān)斷；（3)在物理上要滿足各個開關(guān)占空比的非負性； 步驟2 :期望輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：
將公式1和公式3代入公式4得到過渡調(diào)制矩陣：
步驟3 :用數(shù)學構(gòu)造的方法，對過渡調(diào)制矩陣M"的每列元素分別加上x，y，z，使之滿足 矩陣變換器安全運行的約束條件（3)，則有：
步驟4 :用數(shù)學構(gòu)造的方法，矩陣M'的每個元素都加上D，使之滿足矩陣變換器安全運 行的約束條件（1)和（2)，則有：
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，其 特征在于，所述公式7中將大于等于號變成等于號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，其 特征在于，所述步驟二包括以下子步驟： 步驟1 :構(gòu)建一個輸出電流觀測器，利用矩陣變換器上原有的霍爾電流傳感器檢測輸 出電流，將實時檢測結(jié)果作為實際值i，將觀測器的輸出電流作為估計值?，實時比較實際 值與估計值，得到殘差Δ/· = ，當殘差超過設(shè)定的閾值，則判斷系統(tǒng)發(fā)生了故障； 步驟2 :檢測出故障后，判斷是哪一相發(fā)生了開路故障：首先，通過霍爾傳感器實時獲 得三相輸出電流瞬時值；然后，對每一相，分別選取故障后的連續(xù)的4個電流瞬時值ip i2、 i3、i4，將它們的絕對值相加得到S，S = Ii11+ |i21+ |i31+ |i4|，如果S > 0,說明該相是正常 的；如果S = 0,說明該相輸出電流維持為零的狀態(tài)，發(fā)生了開路故障。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，其 特征在于，所述步驟三包括以下子步驟： 步驟1 :檢測并診斷出某相開路故障后，采用容錯拓撲，增加一相橋臂通過開關(guān)連接到 負載的中性點，代替故障相工作，同時用基于數(shù)學構(gòu)造的方法修改調(diào)制策略， 如A相開路故障時，有： 1V=0 公式11 此時B，C兩相的期望輸出電壓為：
其中，《巧分別表示A相開路故障后的A、B、C三相輸出電壓； 容錯的相電壓輸入輸出關(guān)系為：
將公式1、公式11和公式12代入公式13,求得容錯過渡調(diào)制矩陣：
步驟2 :用數(shù)學構(gòu)造的方法，容錯過渡矩陣M" AF的每列元素分別加上a，b，c，使之滿足 矩陣變換器安全運行的約束條件（3)，則有：
步驟3 :用數(shù)學構(gòu)造的方法，矩陣M'AF的每個元素都加上P，使之滿足矩陣變換器安全運 行的約束條件（1)和（2)，則有：
miJAF>〇，（ie{l，2,3}，je{l，2,3})。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法，其 特征在于，所述公式16中將大于等于號變成等于號。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)學構(gòu)造調(diào)制的矩陣變換器開路故障容錯控制方法。首先，建立矩陣變換器正常工作情況下的輸入輸出關(guān)系模型；其次，構(gòu)建輸出觀測器，在系統(tǒng)運行過程中對輸出電流進行在線監(jiān)測。將監(jiān)測到的電流實際值與觀測器的估計值進行比較，實現(xiàn)單相開路故障的實時檢測。如果檢測到系統(tǒng)發(fā)生開路故障，進而進行故障診斷，識別出是哪一相發(fā)生故障。同時采用附圖所示的容錯拓撲，將增加的備用相代替故障相工作；并采用基于數(shù)學構(gòu)造的方法修改調(diào)制策略，實現(xiàn)故障后的滿足系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)性能指標的容錯運行。本發(fā)明能及時發(fā)現(xiàn)矩陣變換器單相開路故障，并進行容錯處理，提高矩陣變換器系統(tǒng)運行的可靠性。
【IPC分類】H02H7-10
【公開號】CN104682351
【申請?zhí)枴緾N201510076534
【發(fā)明人】彭濤, 鄧慧, 但漢兵, 粟梅, 孫堯, 韓華, 俞璐, 朱奇
【申請人】中南大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月13日