电力电子电路容错控制

电力电子电路容错控制

　　电力电子电路容错控制【1】

　　摘 要： 与电力电子电路的传统开关函数模型相比，由于混合逻辑动态(MLD)模型同时包含电路的控制变迁和条件变迁，因而MLD模型更能精确的反应电路的变化过程。

　　这里建立了电力电子电路的MLD模型，考虑到MLD模型中包含离散变量，传统控制方法不再适用，因而将辅助逻辑变量和辅助连续变量引入模型预测控制(MPC)，研究了基于MLD模型和MPC的电力电子电路容错控制及其实现步骤。

　　该方法具有实现简单、容错性能良好、通用性较强的优点。

　　以三相四桥臂逆变电路的容错控制为例验证了该方法的可行性和有效性。

　　关键词： 电力电子电路; 容错控制; 混杂系统; 模型预测控制

　　0 引 言

　　微电子技术、计算机技术、控制技术的发展带动了电力电子技术的快速进步[1]，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，而容错控制(Fault Tolerant Control，FTC)是提高系统可靠性的一个重要手段，容错控制的目的在于通过控制器的调节使故障系统仍能保持满意的性能或至少达到可以接受的性能指标[2]。

　　任何功率管故障均会导致电力电子电路的缺相运行[3?4]，因而硬件冗余和控制设计是研究电力电子电路容错控制的两个主要方面。

　　文献[5]研究了一种新型的容错电路拓扑及其控制策略，文献[6]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研究了电路容错控制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[7]。

　　电力电子电路功率管的通断受到控制信号的驱动，具有离散特性;功率管的每种通断组合均是一个离散事件，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[8]。

　　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，最终将控制问题转化为优化问题 [9]。

　　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)=AX(k)+B1U(k)+B2σ(k)+B3Z(k)Y(k)=CX(k)+D1U(k)+D2σ(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为输出变量，其中Yc为连续输出，Yl为离散输出;U=(Uc，Ul)T为输入变量，Uc为连续输入，Ul为离散输入;σ和Z分别代表系统辅助逻辑变量和辅助连续变量。

　　2 电力电子电路容错控制的基本机理

　　容错控制就是通过控制器的调节使故障系统继续保持满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控制需要同时考虑控制器和硬件冗余两个方面，因为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，仅通过控制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控制原理图，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控制信号切换模块，重构模块隔离电路的故障功率管，控制信号切换模块将故障功率管的控制信号切换至冗余功率管，由冗余功率管接替故障功率管工作，保证电路满足指标要求。

　　图1 电力电子电路容错控制原理图

　　由于电力电子电路MLD模型中离散变量的存在，传统的控制方法不能简单用于电力电子电路控制。

　　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控制[10]。

　　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)=Δ0N-1(U(i)-UePQ1+U(i|k)-UePQ2+σ(i|k)-σePQ3+Y(i|k)-YePQ4+Z(i|k)-ZePQ5)] (2)

　　[s.tX(N|k)=XeX(i+1|k)=AX(i|k)+B1U(i)+B2σ(i|k)+B3Z(i|k)Y(i|k)=Cx(i|k)+D1U(i)+D2σ(i|k)+D3Z(i|k)] (3)

　　式中：Xe，Ue，σe，Ze，Ye是控制的目标值;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(Mixed Integer Linear Programming，MILP)问题;P=2时，为混合整数二次规划问题(Mixed Integer Quadratic Programming，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出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控制原理，设计电路模型预测控制器及故障后拓扑的重构策略，即可实现电路的容错控制。

　　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控制的具体实现步骤。

　　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=270 V，C=8 800 μF，滤波电感L=100 μH，滤波电阻R=25 mΩ，额定频率为400 Hz。

　　仿真结果如图3所示，其中(a)为逆变器正常工作时三相输出电压及其频谱分析结果，(b)为逆变器单管故障容错后逆变电路的三相电压及频谱分析结果。

　　4 结 论

　　本文在分析建立通用的电力电子电路混合逻辑动态模型的基础上，提出了电力电子电路基于混合逻辑动态模型的容错控制策略，具有较强的通用性。

　　文章以一种三相四桥臂逆变器拓扑为例，并通过仿真对所提方法进行了验证。

　　参考文献

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　　[10] 张悦.混杂系统建模与控制方法研究[D].保定：华北电力大学，2008.

　　[11] LAZIMY Rafael. Mixed?integer quadratic programming [J]. Mathematical Programming， 1982， 22： 332?349.

　　电力电子电路故障诊断方法【2】

　　摘要 如今故障诊断技术正在快速发展，人们对故障诊断的研究也在不断的加深。

　　在电力电子电路领域方面，人们也逐渐开始重视故障诊断了。

　　所以说，诊断电路故障，必将成为电子电路行业中炙手可热的一个话题，很有更多的学者来关注。

　　关键词 电力电子电路;故障;原理;方法

　　0引言

　　现在，诊断电路故障的方法主要有以下几种：基于故障频率诊断算法的诊断方法、基于K故障诊断算法的诊断方法和基于故障字典算法的诊断方法等。

　　这里面基于故障频率诊断算法的诊断方法是最常用的。

　　因为电路产生故障的频率比较高，并且产生故障的原因很复杂，所以说电路故障的研究是非常有必要的。

　　1关于电力电子电路的认识

　　1.1电力电子电路的基本特点

　　与一般的数字电路、模拟电路不一样的是，电力电子电路的器件过载能力比较小，所以设备损坏的速度很快，损坏的时间在10微秒之内，因此在故障发生前很难捕获到征兆。

　　传统的判断故障的方法是，依靠设备输出的波形来判断缓变的故障，但是这种方式对于电力电子电路中快速的突变性故障是很难操作的。

　　1.2诊断电力电子电路的故障

　　由于上述方法有缺陷，所以一中关于粒子群优化算法的电力电子电路故障诊断方法被提出了。

　　利用这种优化后的方法，迭代运算所有离子，通过这种方式可以较为准确的进行诊断。

　　通过进行多次实验之后我们能够看出，我们可以把这种方法运用在电力电子电路故障的诊断中，可以较为准确的得到所需要的信息，效果十分理想。

　　1.3关于电力电子电路在运行中的可靠性

　　人们对于电力电子电路在运行中的可靠性越来越重视了，不过在实际中计划的不是很好，伴随着电力电子装置在实际生活中开始大面积使用，电力电子装置的妨碍通常体现为电力电子器件的破坏，然而。

　　妨碍信息仅存在于产生妨碍到停电之前的数十毫秒以内，此外，一些应用专家体系对发电机励磁体系的晶闸管整流电路举行妨碍诊断，对付庞大电路其信号引出线会太多，但它只实用于不带反电动势的整流电路，怎样计划合理的电力电子电路妨碍诊断方案，要以非侵人性联接要领。

　　电力电子电路的功率已达数千千瓦，这也是由于电力电子器件的过载本领小。

　　近年来国内外有关研究人员针对电力电子电路的妨碍诊断问题做了许多有效的事情，破坏速度快，但是这种要领必须同时监测每一个晶闸管元件的端电压，妨碍产生前征兆较难捕捉，也大概造成对主电路的滋扰，有人议决从输出端引出信号来辨认整流元件的开路妨碍。

　　这里面以电力电子器件的开路和短路最为常见，不实用于逆变电路，所以说，上述方式还是比较科学的。

　　在实际生活的运用中，会出现很多方面的影响，就会出现对电力电子电路的妨碍，如何运用更加成熟、简便的技术来对其进行检测是一个必须要加强研究的话题。

　　2参考模型法及其实验原理

　　这里介绍一种基于参考模型的能够对电子电路进行在线监测的方式，在研究理论上来讲，这种方法电路运行和实际操作中电路运行的误差来进行分析的方法。

　　现在晶闸管三相变流装置主电路在这方面的运用比较广泛，我们在进行仿真实验和研究的时候可以借助仿真模型，实验结果表明上述方法不但是可行的，而且具有可判断性强，适应性高等特点。

　　2.1基本原理

　　从人们头脑的角度来看，若体系的模型已知，我们通过把实际情况中出现的数据和运用计算等方式的出的数据进行比较这一过程，这种故障诊断的方法，根本要素就是，实验产生的误差，议决对误差进一步分析、处理数据再来进行妨碍诊断和妨碍定位。

　　第一，我们要根据实际情况中的数据来组建一个数据化的模型，并且把它作为参考模型，误差极小的妨碍特征第二，利用实际情况中出现的实际数据来判断出现故障的部位，这时误差则会出现明显的跳跃征象，将实际体系的特征输出量与正常运行体系对应的输出量举行比较。

　　其根本实现效果是，可以很好地利用谋略机模拟体系的运行进程，然后在雷同的输人信号和控制战略作用下，对比实际体系与参考模型的对应特征输出量。

　　当实际体系正常运行时，它与参考模型的对应特征输出量间的误差，当体系无妨碍时误差为零。

　　当实际体系产生某种妨碍时，而当体系有妨碍时，结果不等于零，这时再进行分析判断。

　　2.2利用晶闸管三相桥式变流器进行主电路故障诊断

　　我们所说的晶闸管三相桥式基于参考模型，其过程图如图一所示。

　　选变流器的主要输出电压是特征量，故障函数就用实际系统与参考模型的对应输出的特征量之差。

　　2.3建立起晶闸管三相桥式的变流器主电路模型

　　对晶闸管桥臂断路产生的故障进行分析，我们可以把产生的故障统计成五大类。

　　1)实验晶闸管没有故障发生，可以正常运行;

　　2)同一半桥中的两只晶闸管发生故障，存在6个故障元;

　　3)同一桥臂上的上下两只晶闸管出现故障，存在3个故障元;

　　4)其中一只实验晶闸管发生故障，并且存在6个故障元;

　　5)不同桥臂上的上下两只晶闸管出现故障，存在6个故障元。

　　3结论

　　本文主要分析了电力电子电路在故障诊断方面的一些情况，主要以晶闸管三相桥式整流器作为例子，较为详尽地叙述了发生电路故障之后，如何正确准确的对故障进行在线的分析诊断和维护。

　　同时，我们叙述的这些方法也适用于其他方面的诊断，这也是这一种故障诊断方法的特点之一。

　　由此可见，在电子电路的诊断过程中加入数据模型，有很多优点：简单操作，步骤少，效果好。

　　特别是一些较为复杂的电子电路故障，可以明显的看出这种方法的有事。

　　参考文献

　　[1]盛艳燕，胡志忠.基于小波和马氏距离的电力电子电路故障诊断[J].电子测量技术，2013(2)：108-112.

　　[2]张来露.基于分形神经网络的电力电子电路故障诊断[J].电气传动自动化，2013(2)：41-44.

　　[3]鄢仁武，叶轻舟，周理.基于随机森林的电力电子电路故障诊断技术[J].武汉大学学报：工学版，2013，46(6)：742-746.

　　电力电子电路的故障预测方法【3】

　　【摘要】在一些集成化和智能化程度较高的电力电子设备当中，由于各种元件和电路间的关联性和非线性关系，使得整个电路的故障预测精准性变得较为困难，本文根据这一特征并结合传统预测模型，提出了一种基于加权约束和残差修复的电路故障预测模型，并通过BOOST电路进行试验分析，结果表明该模型算法具有较好的收敛性，预测精确度明显提高。

　　【关键词】故障预测;残差修复;预测模型

　　1.引言

　　随着电力电子技术的快速发展，现代化的电子设备集成度在不断提高，以及智能化技术的加入使得许多电子设备能够实现全自动化操作。

　　这些复杂的电子设备集成化和智能化的程度很高，从而使各个电路间的耦合性和关联性更为紧密，另外，由于企业对于这些复杂设备的依赖性较大，这就使得设备的故障具有：危害性大、非线性和偶然性的特点。

　　因此，对复杂设备内部器件进行准确的故障预测和使用寿命的判断，并提前采取预防措施，无疑对避免重大事故的发生起到重要作用。

　　为了解决上述产生的问题，并结合现有模型的基础上提出了一种包括加权约束和残差修复的预测模型，并通过电力电子电路中具有代表性的BOOST电路作为实验分析对象进行分析研究，最后得出该模型具有较好的收敛性和预测的准确性。

　　2.电力电子电路故障预测方法

　　为了克服传统预测方法对电力电子电路故障预测结果不准确的缺陷，本文提出了一种基于加权约束和残差修复的故障预测模型，该模型能更加真实反映电力电子系统健康状况。

　　该方法克服了系统关联性差以及采集数据量小所带来的弊端，能够迅速进入模型内部，进而保证较好的预测性。

　　2.1 预测模型的建立

　　首先，对电力设备易失效的元器件特征参数进行样本数据采集，假设分别为系统的输入量和输出量。

　　采集得到的样本表示如下：

　　为了保证预测数据的准确性，我们将采集到的数据样本映射到特定空间来进行映射处理。

　　设映射函数为，则有：

　　为采集数据特征权值，为数据偏置量

　　为了减少大量冗余数据对预测精度的干扰，我们将对冗余数据进行约束转化，将问题重心转变为我们所熟知的空间优化问题上。

　　具体如下：

　　(1)

　　(2)

　　其中，为预测误差;为数据约束权值参数

　　由式子(1)(2)可知：

　　(3)

　　其中，为约束权值系数，由此可得约束函数为：

　　对此函数进行优化处理，可得：

　　所以建立起的预测约束模型如下所示：

　　该方法通过加权约束消除了冗余数据干扰，为预测结果准确性打下了基础。

　　2.2 故障预测中的残差约束问题

　　故障预测的精确度与预测过程中产生的残差误差有很大的关系，残差的修复决定了后期故障预测的准确性。

　　具体方法如下：

　　第一步，假设估计参数的位置

　　然后进行残差计算，得到集合并计算残差中存在的误差设为集合并有：

　　最后，对集合中的残差计算偏差，有：

　　设m为残差调节系数，计算残差在不同时刻的方程可写作：

　　其中，为残差大小，为残差修复最优系数。

　　修复值为：

　　通过对残差误差的实时修正，保证预测过程中，残差能够保证在一定的精度范围，从而保证了预测的精度。

　　2.3 电路故障预测流程

　　图1 电路故障预测流程图

　　3.实验分析

　　本文选用电力电子电路当中最具代表性的BOOST电路作为实验分析对象，并将特征参数值选取分析如下：

　　根据文献[3]所提供的研究结果表明：电力电子电路故障中60%的故障时属于电解电容故障。

　　根据文献[2]研究的电解电容等效模型可以看出：电解电容在正常使用的过程中随着使用时间的增加电解液将会逐渐蒸发，从而导致ESR(电容等效串联电阻)增大，电容C减少，漏电流增大，进而影响电解电容的使用。

　　大量研究表明，电解电容的电容值和使用时间呈指数函数变化，若ESR超过初始值的3倍或C减少20%即可判断电解电容失效。

　　因此，我们选择ESR以及电容值C作为检测对象来获知电解电容的变化情况，作为判断整体电力电子电路发生故障的参数之一[2-3]。

　　图2 模型预测曲线

　　功率MOSFET全称为：功率金属氧化物半导体场效应晶体管[5]，具有开关速度快、驱动简单、导通电阻低等优点。

　　被广泛应用在电力电子系统当中，另外，由于该器件电路模型复杂，国内外文献当中尚无简化电路模型，根据国外学者研究表明：功率MOSFET阀值电压Vth变化情况能够反应器件性能健康状况，并将Vth变化范围超过20%作为功率MOSFET失效的判断依据[5]。

　　另外，功率二极管和电感元件也是电力电子电路当中最基础的电子元器件，同时也是较为简单的元器件。

　　大量的研究表明：在电力电子电路正常工作情况下，二极管和电感元件失效的概率为2%-3%，故本文不考虑其失效因素。

　　我们选择(c，ESR，Vth)来设置元器件参数，仿真获得电路状态参数，可以得到如下函数关系：

　　其中：

　　根据各参数间的特征关系，我们得到BOOST电路特征参数关系式为：

　　为输出电压偏移率。

　　根据BOOST电路工作原理可知：

　　因此：

　　由于能够很好反映各个元器件参数的变化情况，那么我们就将作为预测和估计BOOST电路寿命的特征参数。

　　本文根据南京航空航天大学自动化学院提供的间隔为100h的100h-1000h时刻各参数的值作为采集数据的样本，并运用本模型算法对进行1100h-1500h时刻的值进行预测，实际曲线与预测曲线如图2所示。

　　通过图2与传统模型预测数据进行比较可以看出，本文选用的算法模型较传统算法模型预测的结果更为精确，误差相对也较小，具有较好的收敛性，取得了预期效果。

　　4.结束语

　　本文选用电力电子电路中最常见的BOOST电路作为实验研究对象，对提出的一种具有残差修复和加权约束的预测模型进行了验证，通过最后实验结果分析，验证了该模型具有较好的收敛性，虽然本实验达到了预期效果，但是随着时间的推移，随着未知干扰因素的影响下，还存在一定的缺陷，还需要进一步进行研究。

　　参考文献

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