电力电子电路容错控制研究全文

1、电力电子电路容错操纵研究XX:1004?373X(20XX)20?0154?03FulttolerntcontrolofpowerelectroniccircuitbsedonMLDmodelYUBo?ping1,YUJi2(1.XinCLEC,Xin710065,Chin；2.XinFuchid,VIC,Xin710077,Chin)bstrct:Compredwithtrditionlswitchingfunctionmodelofpowerelectroniccircuit,mixedlogicdynmic(MLD)modelcnccurtelydescribethechngingpro

2、cessofcircuitbecusethemixedlogicdynmicmodelcontinsthecontrolchngendconditionchngeofcircuit.TheMLDmodelofpowerelectroniccircuitisestblishedinthispper.ConsideringthttheMLDmodelcontinsthediscretevribles,thetrditionlcontrolmethodisnolongerpplicble.Therefore,theuxilirylogiclvriblesndssistedcontinuousvrib

3、lewereintroducedintothemodelpredictivecontrol(MPC).ThefulttolerntcontrolndreliztionstepsofpowerelectroniccircuitbsedonMLDmodelndMPCwerereserched.Themethodhsthedvntgesofsimplereliztion,goodfulttolernceerrorperformnce,strongverstility.Thefesibilityndeffectivenessofthismethodwereverifiedby1theexmpleoff

4、ult?tolerntcontrolofinvertercircuit.Keywordspowerelectroniccircuit;fulttolerntthree?phsefour?legcontrol;hybridsystem;modelpredictivecontrol.引言微电子技术、计算机技术、操纵技术的进展带动了电力电子技术的快速进步,近年来,电力电子电路的应用遍布工业、军事、航空航天等重要领域,主要用于电能的处理与变换,电路的可靠性关乎到整个系统的健康运行,而容错操纵(FultTolerntControl,FTC)是提升系统可靠性的一个重要手段,容错操纵的目的在于通过操纵器的调

5、节使故障系统仍能保持中意的性能或至少到达可以接受的性能指标.任何功率管故障均会导致电力电子电路的缺相运行3?4,因而硬件冗余和操纵设计是研究电力电子电路容错操纵的两个主要方面.文献研究了一种新型的容错电路拓扑及其操纵策略,文献对一种容错的多电平逆变电路拓扑进行了容错研究.本文以基于电力电子电路的MLD模型和MPC研究了电路容错操纵的通用方法及实现步骤,并以三相四桥臂逆变电路为例对所提方法进行验证.1电力电子电路的混合逻辑动态模型混杂系统是指由连续变量动态系统和离散事件动态系统相互混杂、相互作用的系统.电力电子电路功率管的通断受到操纵信号的驱动,具有离散特性；功率管的每种通断组合均是一个离1散事

6、件,电路在每个离散事件期间的变化受状态方程的约束,具有连续特性,因此电力电子电路是一种典型的混杂系统.MLD模型是一种主要的混杂系统建模方法,MLD将离散事件以条件的方式嵌入微分方程组中,把系统整个当作一个微分方程组来处理,最终将操纵问题转化为优化问题.根据电力电子电路的物理规律,可以建立电力电子电路的混合逻辑动态模型如下：X(k+1)=X(k)+B1U(k)+B2a(k)+B3Z(k)Y(k)=CX(k)+D1U(k)+D2a(k)+D3Z(k)(1)式中：X=(Xc,Xl)T为状态变量,其中Xc为连续状态,Xl为离散状态；Y=(Yc,Yl)T为输由变量,其中Yc为连续输由,Yl为离散输由；

7、U=(Uc,Ul)T为输入变量,Uc为连续输入,Ul为离散输入；和Z分别代表系统辅助逻辑变量和辅助连续变量.2电力电子电路容错操纵的根本机理容错操纵就是通过操纵器的调节使故障系统继续保持中意性能或至少可以接受的性能指标.而电力电子电路的容错操纵需要同时考虑操纵器和硬件冗余两个方面,由于电力电子电路的任何功率管故障均会导致电路的缺相运行,仅通过操纵器的调节无法使缺相运行的电路满足指标要求.图1为电力电子电路容错操纵原理图,电路状态检测模块负责将电路的故障信息传至拓扑重构模块和操纵信号切换模块,重构模块隔离电路的故障功率管,操纵信号切换模块将故障功率管的操纵信号切换至冗余功率管,由冗余功率管接替故

8、障功率管工作,保证电路满足指标要求.图1电力电子电路容错操纵原理图由于电力电子电路MLD模型中离散变量的存在,传统的操纵方法不能简单用于电力电子电路操纵.在形式上,MPC被控对象的数学模型和电力电子电路的MLD模型相似,因此将辅助逻辑和辅助连续变量引入MPC,扩展后可用于电力电子电路的操纵10o给定X0为初始状态,N为预测步长,X(i|k)是第k+i步系统状态的预测值,选择目标函数为：minuk+i,i=0,1,2,.,n-1JUN-1K,X(k)=A0N-1(U(i)-UePQ1+U(i|k)-UePQ2+a(i|k)-oePQ3+Y(i|k)-YePQ4+Z(i|k)-ZePQ5)(2)s

9、.tX(N|k)=XeX(i+1|k)=X(i|k)+B1U(i)+B2a(i|k)+B3Z(i|k)Y(i|k)=Cx(i|k)+D1U(i)+D2aQ|k)+D3Z(i|k)(3)式中：Xe,Ue,ere,Ze,Ye是操纵的目标值；Qj为权值矩阵,j=1,2,5.式 (2)中 ：P=1时 , 问 题 转 化 为 一 混 合 整 数 线 性 规 划(MixedIntegerLinerProgrmming,MILP)问题；P=2时,为混合整数二次规划问题(MixedIntegerQudrticProgrmming,MIQP),具体算法已有很多文献进行了相关研究11,本文不在详述.对于不同的电力电子电路,利用冗余的思想均可设计由电路具有冗余功能的拓扑结构,进行混合逻辑动态建模,电路模型可抽象为式1的形式,如图1所示.根据电力电子电路的容错操纵原理,设计电路模型预测操纵器及故障后拓扑的重构策略,即可实现电路的容错操纵.下面就以一种新型的逆变电路为例说明电力电子电路基于此方法容错操纵的具体实现步骤.图2三相四桥臂逆变器拓扑3仿真验证如图2逆变器拓扑,仿真参数如下：Vdc=270V,C=8800以F,滤波电感L=100以H,滤波电阻R=25mQ,额定频率为400Hz.仿真结果如图3所示,其中