一种多相电机通道故障穿越运行控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，能够在某一或几通道故障时，容错在线切通道不停机穿越运行；在通道故障及故障通道被切除过程中，实施剩余运行通道逆变器交流侧（即电机绕组侧）的过流保护、逆变器直流母线侧的稳压控制以及逆变器磁场补偿综合协调控制方案；该方法实现多相电机多通道快速、平稳、安全的容错在线切通道不停机穿越运行，可应用于船舶推进、轨道牵引、风力发电等大功率机电能量转换场合。

A Control Method for Fault Crossing Operation of Multiphase Motor Channel

The invention discloses a Fault-Crossing operation control method for multi-phase motor channels, which can be operated without stopping the fault-tolerant on-line channel-cutting when one or several channels fail; during the process of channel failure and fault channel removal, the overcurrent protection of the AC side (motor winding side) of the residual operation channel inverters, the voltage control of the DC bus side of the inverters and the inverters are implemented. The method realizes multi-channel fast, stable and safe fault-tolerant on-line cut-through operation of multi-phase motor without shutdown, and can be applied to ship propulsion, track traction, wind power generation and other high-power electromechanical energy conversion occasions.

【技术实现步骤摘要】
一种多相电机通道故障穿越运行控制方法
本专利技术属于交流电机控制
，具体涉及一种多相电机多通道运行通道故障在线切除不停机穿越运行控制方法，以实现电机多通道快速、平稳、安全的通道在线切除不停机穿越运行，应用于船舶推进、轨道牵引、矿山机械传动、冶金轧钢、风机泵类调速、风力发电等大功率机电能量转换场合。
技术介绍
随着电力电子器件与技术发展，功率变换器可突破传统三相模式而采用多相模式，使电机摆脱电网相数的限制。与三相电机相比，多相电机(相数m>3)的显著优势在于：其一，采用多相模式可以使用低电压和功率等级器件实现低压大功率传动系统，供电电压受限的大功率应用场合；其二，随着相数的增加，电机基波电流产生的空间谐波磁动势的次数提高而幅值减小，从而使得转矩脉动频率增加且幅值减小，电机运行的效率也得到提高，振动噪声也得到改善；其三，由于多相电机相数的冗余，当多相电机或者逆变器的一相或者几相出现故障时，通过调整控制策略实现降额容错运行，提高了电机运行的可靠性；其四，由于电机的可控维数等于电机的独立相数。所以，多相电机的控制自由度更多，控制更灵活。例如对于整距绕组多相电机，以低次谐波注入的方式实现非正弦供电，使得气隙磁场分布为平顶波，提高铁心材料利用率，增加电机功率和转矩密度。鉴于此，多相电机系统在船舶推进、轨道牵引、矿山机械传动、冶金轧钢、风机泵类调速、风力发电等大功率机电能量转换领域具有广阔的应用价值，多相电机控制技术的研究亦由此展开。多相电机经典的控制策略包括磁场定向矢量控制、直接转矩/功率控制等。其中矢量控制通过坐标变换对磁链和电磁转矩分别采用闭环控制，实现磁场和电流的解耦，具有良好的动静态性能；而直接控制勿需繁缛的坐标变换，通过磁链和转矩/功率的直接跟踪，具有较高的动态性能和鲁棒性。然而，掣肘于电机相数和控制维数的增加，多相系统也存在控制策略复杂和单一功率变换器控制系统庞大等缺点，增加了系统研制技术难度，其发展受到制约。多相电机多通道控制的思路是利用多套功率变换器驱动一台电机，将技术难度高的多相整体驱动转化为技术成熟的多通道分散驱动，这不仅较好的解决了多相系统复杂的技术难题，还因其各通道变换器是独立单元，提高了系统冗余和容错性。这种控制思路独辟蹊径，成为多相电机系统研究热点。为充分发挥多相系统高可靠性优势，要求系统在某一或几通道故障时能在线切通道不停机穿越运行，然而，电机是一个电磁耦合的整体，在通道故障或切通道瞬态过程中，由于电机定子绕组电压电流突变，导致定子绕组暂态磁链变化，在剩余运行通道中产生冲击电流和母线过电压，引发故障停机，使在线切通道失败。例如某通道定子绕组单相对地或相间短路导致机端电压骤变，会在电机中产生负序和瞬态直流静止磁场，导致转子绕组或其余定子绕组感应出较高反电势，产生瞬态较大电流，引起电磁转矩剧变、脉动和振荡，直流母线电压泵升，引发过流或过压等故障，甚至损坏系统元部件。目前，尚缺乏对于正常、故障、容错工况之间进行过渡过程控制的详细研究，导致容错运行还难以应用到实际工程中。通道故障穿越运行中，各通道如何独立保护和协调控制，是伴随着电机采用多通道模式而出现的迫在眉睫的新问题，对此进行分析进而寻求解决方法既具理论意义又有实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种多相电机多通道运行通道故障穿越运行控制方法，能够在某一或几通道故障时，容错在线切通道不停机穿越运行；在通道故障及故障通道被切除过程中，对剩余运行通道实施逆变器交流侧(即电机绕组侧)的过流保护、逆变器直流侧的稳压控制以及多相电机磁场补偿综合协调控制；迅速抑制定子磁链暂态分量对电机的影响，抑制和加快衰减通道的浪涌冲击电流，以实现多通道多相电机快速、平稳、安全的容错在线切通道过渡过程穿越运行。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，基于与多相电机桥臂及绕组连接的多个变换器通道，包括对非故障通道逆变器交流侧(即电机绕组侧)的过流保护，对非故障通道逆变器直流侧的稳压控制，以及非故障通道逆变器对多相电机在故障穿越过渡过程中实施磁场补偿控制；所述逆变器交流侧(即电机绕组侧)的过流保护采用主动式分流电路为瞬态冲击浪涌电流提供通路，使流过剩余非故障通道定子绕组的冲击浪涌电流从逆变器旁路转移出来，消耗在限流电阻上；所述的储能电路设有电压型储能介质，并采用三电平多重移相直流双向电压源变换器作为直流母线与储能介质的能量转换控制接口，降低开关器件电压和电流应力，提高纹波滤波品质，减小滤波器，并可以容错运行，所述的泄荷电路采用斩波器拓扑；所述的磁场补偿控制在非故障通道中产生与故障通道定子暂态磁链反相位的电流空间矢量以及相应的磁链分量，抵消故障通道定子磁链的暂态分量对电机的影响；系统通道故障及在线切通道过渡过程对电机的冲击抑制衰减后，多相电机非故障通道容错运行。进一步，所述的分流电路为多相(相数为一个通道的相数)全控功率开关器件和限流电阻组成的主动式拓扑，采用多相功率开关管例如双向绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反并联型双向开关结构，或多相开关管共射极串联型双向开关结构，或多相开关管并联接二极管桥型双向开关结构，或多相二极管整流接开关管型结构；各通道分流电路的控制器以该通道定子绕组电流iac作为输入，若绕组电流低于逆变器容量安全下限阈值电流，分流电路开关管封锁，分流电路关闭，逆变器工作，若绕组电流高于或等于逆变器容量安全上限阈值电流，分流电路开关管触发，分流电路导通，同时关断逆变器中所有器件，使暂态浪涌冲击电流流过限流电阻，而旁路逆变器，利用限流电阻消耗绕组多余的能量，加快绕组暂态浪涌电流的衰减；分流电路采用滞回的方式决定功率开关器件的导通或者关断。进一步，所述的三电平多重移相直流双向电压源变换器为电容箝位三电平多重移相直流双向电压源变换器，其电路拓扑为：开关管Sj1、Sj2在节点Aj串联构成上支路桥臂Pj，开关管Sj3、Sj4在节点Bj串联构成下支路桥臂Nj，j为桥臂编号，j∈[1,k]，k为桥臂总数，k≥2，节点Aj和节点Bj连接箝位电容Cfj，上下支路桥臂在节点Oj串联，构成一个完整桥臂，并联在正负直流母线P、N上，Oj接滤波均流电感Lpj，构成一个三电平双向斩波单元，所有斩波单元均流电感另一端在节点E并联后接电压型储能介质(超级电容或化学电池等)正极，电压型储能介质负极接在负母线N上。开关管由全控功率开关器件反并联二极管构成；直流变换器实施直流母线电压udc及滤波均流电感总电流ilp即储能介质电流的双闭环控制，通过调节器实现快速跟踪和无差调节，维持直流环节稳定；直流母线电压udc控制环为外环，直流母线电压调节器输出限幅后作为滤波均流电感总电流ilp的参考指令，定义滤波均流电感总电流ilp流入直流母线即流出储能介质的方向为正，滤波均流电感总电流调节器输出信号绝对值均分作为斩波器各桥臂共同的参考调制波D，将各桥臂的载波的相位顺序错开2π/k，则各桥臂功率开关器件的通断时间、电压、电流的相位相差2π/k；各桥臂根据电容箝位三电平直流脉宽调制技术产生功率开关器件占空比，滤波均流电感总电流ilp参考指令小于零，变换器桥臂上支路功率开关器件Sj1、Sj2按三电平直流脉宽调制占空比触发，下支路功率开关器件Sj3、S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，基于与多相电机绕组连接的多个变换器通道，其特征在于：包括对非故障通道逆变器交流侧的过流保护，对非故障通道逆变器直流侧的稳压控制，以及非故障通道逆变器对多相电机在故障穿越过渡过程中实施磁场补偿控制；所述逆变器交流侧的过流保护采用主动式分流电路为瞬态冲击浪涌电流提供通路，使流过剩余非故障通道定子绕组的冲击浪涌电流从逆变器旁路转移出来，消耗在限流电阻上；所述的储能电路设有电压型储能介质，并采用三电平多重移相直流双向电压源变换器作为直流母线与储能介质的能量转换控制接口，所述的泄荷电路采用斩波器拓扑；所述的磁场补偿控制在非故障通道中产生与故障通道定子暂态磁链反相位的电流空间矢量以及相应的磁链分量，抵消故障通道定子磁链的暂态分量对电机的影响；系统通道故障及在线切通道过渡过程对电机的冲击抑制衰减后，多相电机非故障通道容错运行。

【技术特征摘要】
1.一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，基于与多相电机绕组连接的多个变换器通道，其特征在于：包括对非故障通道逆变器交流侧的过流保护，对非故障通道逆变器直流侧的稳压控制，以及非故障通道逆变器对多相电机在故障穿越过渡过程中实施磁场补偿控制；所述逆变器交流侧的过流保护采用主动式分流电路为瞬态冲击浪涌电流提供通路，使流过剩余非故障通道定子绕组的冲击浪涌电流从逆变器旁路转移出来，消耗在限流电阻上；所述的储能电路设有电压型储能介质，并采用三电平多重移相直流双向电压源变换器作为直流母线与储能介质的能量转换控制接口，所述的泄荷电路采用斩波器拓扑；所述的磁场补偿控制在非故障通道中产生与故障通道定子暂态磁链反相位的电流空间矢量以及相应的磁链分量，抵消故障通道定子磁链的暂态分量对电机的影响；系统通道故障及在线切通道过渡过程对电机的冲击抑制衰减后，多相电机非故障通道容错运行。2.根据权利要求1所述的一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，其特征在于，所述的分流电路为多相全控功率开关器件和限流电阻组成的主动式拓扑，采用多相功率开关管反并联型双向开关结构，或多相开关管共射极串联型双向开关结构，或多相开关管并联接二极管桥型双向开关结构，或多相二极管整流接开关管型结构；各通道分流电路的控制器以该通道定子绕组电流iac作为输入，若绕组电流低于逆变器容量安全下限阈值电流，分流电路开关管封锁，分流电路关闭，逆变器工作，若绕组电流高于或等于逆变器容量安全上限阈值电流，分流电路开关管触发，分流电路导通，同时关断逆变器中所有器件，使暂态浪涌冲击电流流过限流电阻，而旁路逆变器，利用限流电阻消耗绕组多余的能量，加快绕组暂态浪涌电流的衰减；分流电路采用滞回的方式决定功率开关器件的导通或者关断。3.根据权利要求1所述的一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，其特征在于，所述的三电平多重移相直流双向电压源变换器为电容箝位三电平多重移相直流双向电压源变换器，其电路拓扑为：开关管Sj1、Sj2在节点Aj串联构成上支路桥臂Pj，开关管Sj3、Sj4在节点Bj串联构成下支路桥臂Nj，j为桥臂编号，j∈[1,k]，k为桥臂总数，k≥2，节点Aj和节点Bj连接箝位电容Cfj，上下支路桥臂在节点Oj串联，构成一个完整桥臂，并联在正负直流母线P、N上，Oj接滤波均流电感Lpj，构成一个三电平双向斩波单元，所有斩波单元滤波均流电感另一端在节点E并联后接电压型储能介质正极，电压型储能介质负极接在负母线N上；开关管由全控功率开关器件反并联二极管构成；直流变换器实施直流母线电压udc及滤波均流电感总电流ilp即储能介质电流的双闭环控制，通过调节器实现快速跟踪和无差调节，维持直流环节稳定；直流母线电压udc控制环为外环，直流母线电压调节器输出限幅后作为滤波均流电感总电流ilp的参考指令，定义滤波均流电感总电流ilp流入直流母线即流出储能介质的方向为正，滤波电感总电流调节器输出信号绝对值均分作为斩波器各桥臂共同的参考调制波D，将各桥臂的载波的相位顺序错开2π/k，则各桥臂功率开关器件的通断时间、电压、电流的相位相差2π/k；各桥臂根据电容箝位三电平直流脉宽调制技术产生功率开关器件占空比，滤波均流电感总电流ilp参考指令小于零，变换器桥臂上支路功率开关器件Sj1、Sj2按三电平直流脉宽调制占空比触发，下支路功率开关器件Sj3、Sj4封锁，储能电路吸收直流能量；滤波均流电感总电流ilp参考指令大于零，变换器桥臂下支路功率开关器件Sj3、Sj4按直流三电平直流脉宽调制占空比触发，上支路功率开关器件Sj1、Sj2封锁，储能电路释放直流能量；电容箝位三电平直流变换器桥臂实施均压控制：箝位电容电压与直流母线电压一半的差值整定后作为占空比修正信号；滤波均流电感总电流参考指令小于零时，开关器件Sj2占空比加修正信号，开关器件Sj1占空比减修正信号；滤波均流电感总电流参考指令大于零时，开关器件Sj3占空比加修正信号，开关器件Sj4占空比减修正信号；直流变换器各重桥臂实施均流控制：各桥臂电流与桥臂平均电流的差值整定后作为占空比修正信号，各桥臂导通开关管占空比减修正信号。4.根据权利要求1所述的一种多相电机通道故障穿越运行控制方法，其特征在于，所述的泄荷电路为采用箝位电容、全控开关管和耗能电阻组成的电容箝位式开关器件串联型斩波器拓扑电路，泄荷电路的控制器采用滞回的方式决定泄荷电路中的功率开关器件导通或者关断：以直流母线电压udc作为输入，若直流母线电压低于直流环节安全下限阈值电压，开关管S1、S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬凯，许晓晖，何金平，林德荣，夏焕锦，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42