電力電子電路容錯控制
電力電子電路容錯控制【1】
摘 要： 與電力電子電路的傳統開關函數模型相比，由于混合邏輯動態(MLD)模型同時包含電路的控制變遷和條件變遷，因而MLD模型更能精確的反應電路的變化過程。
這里建立了電力電子電路的MLD模型，考慮到MLD模型中包含離散變量，傳統控制方法不再適用，因而將輔助邏輯變量和輔助連續變量引入模型預測控制(MPC)，研究了基于MLD模型和MPC的電力電子電路容錯控制及其實現步驟。
該方法具有實現簡單、容錯性能良好、通用性較強的優點。
以三相四橋臂逆變電路的容錯控制為例驗證了該方法的可行性和有效性。
關鍵詞： 電力電子電路; 容錯控制; 混雜系統; 模型預測控制
0 引 言
微電子技術、計算機技術、控制技術的發展帶動了電力電子技術的快速進步[1]，近年來，電力電子電路的應用遍布工業、軍事、航空航天等重要領域，主要用于電能的處理與變換，電路的可靠性關乎到整個系統的健康運行，而容錯控制(Fault Tolerant Control，FTC)是提高系統可靠性的一個重要手段，容錯控制的目的在于通過控制器的調節使故障系統仍能保持滿意的性能或至少達到可以接受的性能指標[2]。
任何功率管故障均會導致電力電子電路的缺相運行[3?4]，因而硬件冗余和控制設計是研究電力電子電路容錯控制的兩個主要方面。
文獻[5]研究了一種新型的容錯電路拓撲及其控制策略，文獻[6]對一種容錯的多電平逆變電路拓撲進行了容錯研究。
本文以基于電力電子電路的MLD模型和MPC研究了電路容錯控制的通用方法及實現步驟，并以三相四橋臂逆變電路為例對所提方法進行驗證。
1 電力電子電路的混合邏輯動態模型
混雜系統是指由連續變量動態系統和離散事件動態系統相互混雜、相互作用的系統[7]。
電力電子電路功率管的通斷受到控制信號的驅動，具有離散特性;功率管的每種通斷組合均是一個離散事件，電路在每個離散事件期間的變化受狀態方程的約束，具有連續特性，因此電力電子電路是一種典型的混雜系統[8]。
MLD模型是一種主要的混雜系統建模方法，MLD將離散事件以條件的方式嵌入微分方程組中，把系統整個當作一個微分方程組來處理，最終將控制問題轉化為優化問題 [9]。
根據電力電子電路的物理規律，可以建立電力電子電路的混合邏輯動態模型如下：
[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為狀態變量，其中Xc為連續狀態，Xl為離散狀態;Y=(Yc，Yl)T為輸出變量，其中Yc為連續輸出，Yl為離散輸出;U=(Uc，Ul)T為輸入變量，Uc為連續輸入，Ul為離散輸入;σ和Z分別代表系統輔助邏輯變量和輔助連續變量。
2 電力電子電路容錯控制的基本機理
容錯控制就是通過控制器的調節使故障系統繼續保持滿意性能或至少可以接受的性能指標。
而電力電子電路的容錯控制需要同時考慮控制器和硬件冗余兩個方面，因為電力電子電路的任何功率管故障均會導致電路的缺相運行，僅通過控制器的調節無法使缺相運行的電路滿足指標要求。
圖1為電力電子電路容錯控制原理圖，電路狀態檢測模塊負責將電路的故障信息傳至拓撲重構模塊和控制信號切換模塊，重構模塊隔離電路的故障功率管，控制信號切換模塊將故障功率管的控制信號切換至冗余功率管，由冗余功率管接替故障功率管工作，保證電路滿足指標要求。
圖1 電力電子電路容錯控制原理圖
由于電力電子電路MLD模型中離散變量的存在，傳統的控制方法不能簡單用于電力電子電路控制。
在形式上，MPC被控對象的數學模型和電力電子電路的MLD模型相似，因此將輔助邏輯和輔助連續變量引入MPC，擴展后可用于電力電子電路的控制[10]。
給定X0為初始狀態，N為預測步長，X(i|k)是第k+i步系統狀態的預測值，選擇目標函數為：
[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是控制的目標值;Qj為權值矩陣，j=1，2，…，5。
式(2)中：P=1時，問題轉化為一混合整數線性規劃(Mixed Integer Linear Programming，MILP)問題;P=2時，為混合整數二次規劃問題(Mixed Integer Quadratic Programming，MIQP)，具體算法已有很多文獻進行了相關研究[11]，本文不在詳述。
對于不同的電力電子電路，利用冗余的思想均可設計出電路具有冗余功能的拓撲結構，進行混合邏輯動態建模，電路模型可抽象為式(1)的形式，如圖1所示。
根據電力電子電路的容錯控制原理，設計電路模型預測控制器及故障后拓撲的重構策略，即可實現電路的容錯控制。
下面就以一種新型的逆變電路為例說明電力電子電路基于此方法容錯控制的具體實現步驟。
圖2 三相四橋臂逆變器拓撲
3 仿真驗證
如圖2逆變器拓撲，仿真參數如下：Vdc=270 V，C=8 800 μF，濾波電感L=100 μH，濾波電阻R=25 mΩ，額定頻率為400 Hz。
仿真結果如圖3所示，其中(a)為逆變器正常工作時三相輸出電壓及其頻譜分析結果，(b)為逆變器單管故障容錯后逆變電路的三相電壓及頻譜分析結果。
4 結 論
本文在分析建立通用的電力電子電路混合邏輯動態模型的基礎上，提出了電力電子電路基于混合邏輯動態模型的容錯控制策略，具有較強的通用性。
文章以一種三相四橋臂逆變器拓撲為例，并通過仿真對所提方法進行了驗證。
參考文獻
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電力電子電路故障診斷方法【2】
摘要 如今故障診斷技術正在快速發展，人們對故障診斷的研究也在不斷的加深。
在電力電子電路領域方面，人們也逐漸開始重視故障診斷了。
所以說，診斷電路故障，必將成為電子電路行業中炙手可熱的一個話題，很有更多的學者來關注。
關鍵詞 電力電子電路;故障;原理;方法
0引言
現在，診斷電路故障的方法主要有以下幾種：基于故障頻率診斷算法的診斷方法、基于K故障診斷算法的診斷方法和基于故障字典算法的診斷方法等。
這里面基于故障頻率診斷算法的診斷方法是最常用的。
因為電路產生故障的頻率比較高，并且產生故障的原因很復雜，所以說電路故障的研究是非常有必要的。
1關于電力電子電路的認識
1.1電力電子電路的基本特點
與一般的數字電路、模擬電路不一樣的是，電力電子電路的器件過載能力比較小，所以設備損壞的速度很快，損壞的時間在10微秒之內，因此在故障發生前很難捕獲到征兆。
傳統的判斷故障的方法是，依靠設備輸出的波形來判斷緩變的故障，但是這種方式對于電力電子電路中快速的突變性故障是很難操作的。
1.2診斷電力電子電路的故障
由于上述方法有缺陷，所以一中關于粒子群優化算法的電力電子電路故障診斷方法被提出了。
利用這種優化后的方法，迭代運算所有離子，通過這種方式可以較為準確的進行診斷。
通過進行多次實驗之后我們能夠看出，我們可以把這種方法運用在電力電子電路故障的診斷中，可以較為準確的得到所需要的信息，效果十分理想。
1.3關于電力電子電路在運行中的可靠性
人們對于電力電子電路在運行中的可靠性越來越重視了，不過在實際中計劃的不是很好，伴隨著電力電子裝置在實際生活中開始大面積使用，電力電子裝置的妨礙通常體現為電力電子器件的破壞，然而。
妨礙信息僅存在于產生妨礙到停電之前的數十毫秒以內，此外，一些應用專家體系對發電機勵磁體系的晶閘管整流電路舉行妨礙診斷，對付龐大電路其信號引出線會太多，但它只實用于不帶反電動勢的整流電路，怎樣計劃合理的電力電子電路妨礙診斷方案，要以非侵人性聯接要領。
電力電子電路的功率已達數千千瓦，這也是由于電力電子器件的過載本領小。
近年來國內外有關研究人員針對電力電子電路的妨礙診斷問題做了許多有效的事情，破壞速度快，但是這種要領必須同時監測每一個晶閘管元件的端電壓，妨礙產生前征兆較難捕捉，也大概造成對主電路的滋擾，有人議決從輸出端引出信號來辨認整流元件的開路妨礙。
這里面以電力電子器件的開路和短路最為常見，不實用于逆變電路，所以說，上述方式還是比較科學的。
在實際生活的運用中，會出現很多方面的影響，就會出現對電力電子電路的妨礙，如何運用更加成熟、簡便的技術來對其進行檢測是一個必須要加強研究的話題。
2參考模型法及其實驗原理
這里介紹一種基于參考模型的能夠對電子電路進行在線監測的方式，在研究理論上來講，這種方法電路運行和實際操作中電路運行的誤差來進行分析的方法。
現在晶閘管三相變流裝置主電路在這方面的運用比較廣泛，我們在進行仿真實驗和研究的時候可以借助仿真模型，實驗結果表明上述方法不但是可行的，而且具有可判斷性強，適應性高等特點。
2.1基本原理
從人們頭腦的角度來看，若體系的模型已知，我們通過把實際情況中出現的數據和運用計算等方式的出的數據進行比較這一過程，這種故障診斷的方法，根本要素就是，實驗產生的誤差，議決對誤差進一步分析、處理數據再來進行妨礙診斷和妨礙定位。
第一，我們要根據實際情況中的數據來組建一個數據化的模型，并且把它作為參考模型，誤差極小的妨礙特征第二，利用實際情況中出現的實際數據來判斷出現故障的部位，這時誤差則會出現明顯的跳躍征象，將實際體系的特征輸出量與正常運行體系對應的輸出量舉行比較。
其根本實現效果是，可以很好地利用謀略機模擬體系的運行進程，然后在雷同的輸人信號和控制戰略作用下，對比實際體系與參考模型的對應特征輸出量。
當實際體系正常運行時，它與參考模型的對應特征輸出量間的誤差，當體系無妨礙時誤差為零。
當實際體系產生某種妨礙時，而當體系有妨礙時，結果不等于零，這時再進行分析判斷。
2.2利用晶閘管三相橋式變流器進行主電路故障診斷
我們所說的晶閘管三相橋式基于參考模型，其過程圖如圖一所示。
選變流器的主要輸出電壓是特征量，故障函數就用實際系統與參考模型的對應輸出的特征量之差。
2.3建立起晶閘管三相橋式的變流器主電路模型
對晶閘管橋臂斷路產生的故障進行分析，我們可以把產生的故障統計成五大類。
1)實驗晶閘管沒有故障發生，可以正常運行;
2)同一半橋中的兩只晶閘管發生故障，存在6個故障元;
3)同一橋臂上的上下兩只晶閘管出現故障，存在3個故障元;
4)其中一只實驗晶閘管發生故障，并且存在6個故障元;
5)不同橋臂上的上下兩只晶閘管出現故障，存在6個故障元。
3結論
本文主要分析了電力電子電路在故障診斷方面的一些情況，主要以晶閘管三相橋式整流器作為例子，較為詳盡地敘述了發生電路故障之后，如何正確準確的對故障進行在線的分析診斷和維護。
同時，我們敘述的這些方法也適用于其他方面的診斷，這也是這一種故障診斷方法的特點之一。
由此可見，在電子電路的診斷過程中加入數據模型，有很多優點：簡單操作，步驟少，效果好。
特別是一些較為復雜的電子電路故障，可以明顯的看出這種方法的有事。
參考文獻
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電力電子電路的故障預測方法【3】
【摘要】在一些集成化和智能化程度較高的電力電子設備當中，由于各種元件和電路間的關聯性和非線性關系，使得整個電路的故障預測精準性變得較為困難，本文根據這一特征并結合傳統預測模型，提出了一種基于加權約束和殘差修復的電路故障預測模型，并通過BOOST電路進行試驗分析，結果表明該模型算法具有較好的收斂性，預測精確度明顯提高。
【關鍵詞】故障預測;殘差修復;預測模型
1.引言
隨著電力電子技術的快速發展，現代化的電子設備集成度在不斷提高，以及智能化技術的加入使得許多電子設備能夠實現全自動化操作。
這些復雜的電子設備集成化和智能化的程度很高，從而使各個電路間的耦合性和關聯性更為緊密，另外，由于企業對于這些復雜設備的依賴性較大，這就使得設備的故障具有：危害性大、非線性和偶然性的特點。
因此，對復雜設備內部器件進行準確的故障預測和使用壽命的判斷，并提前采取預防措施，無疑對避免重大事故的發生起到重要作用。
為了解決上述產生的問題，并結合現有模型的基礎上提出了一種包括加權約束和殘差修復的預測模型，并通過電力電子電路中具有代表性的BOOST電路作為實驗分析對象進行分析研究，最后得出該模型具有較好的收斂性和預測的準確性。
2.電力電子電路故障預測方法
為了克服傳統預測方法對電力電子電路故障預測結果不準確的缺陷，本文提出了一種基于加權約束和殘差修復的故障預測模型，該模型能更加真實反映電力電子系統健康狀況。
該方法克服了系統關聯性差以及采集數據量小所帶來的弊端，能夠迅速進入模型內部，進而保證較好的預測性。
2.1 預測模型的建立
首先，對電力設備易失效的元器件特征參數進行樣本數據采集，假設分別為系統的輸入量和輸出量。
采集得到的樣本表示如下：
為了保證預測數據的準確性，我們將采集到的數據樣本映射到特定空間來進行映射處理。
設映射函數為，則有：
為采集數據特征權值，為數據偏置量
為了減少大量冗余數據對預測精度的干擾，我們將對冗余數據進行約束轉化，將問題重心轉變為我們所熟知的空間優化問題上。
具體如下：
(1)
(2)
其中，為預測誤差;為數據約束權值參數
由式子(1)(2)可知：
(3)
其中，為約束權值系數，由此可得約束函數為：
對此函數進行優化處理，可得：
所以建立起的預測約束模型如下所示：
該方法通過加權約束消除了冗余數據干擾，為預測結果準確性打下了基礎。
2.2 故障預測中的殘差約束問題
故障預測的精確度與預測過程中產生的殘差誤差有很大的關系，殘差的修復決定了后期故障預測的準確性。
具體方法如下：
第一步，假設估計參數的位置
然后進行殘差計算，得到集合并計算殘差中存在的誤差設為集合并有：
最后，對集合中的殘差計算偏差，有：
設m為殘差調節系數，計算殘差在不同時刻的方程可寫作：
其中，為殘差大小，為殘差修復最優系數。
修復值為：
通過對殘差誤差的實時修正，保證預測過程中，殘差能夠保證在一定的精度范圍，從而保證了預測的精度。
2.3 電路故障預測流程
圖1 電路故障預測流程圖
3.實驗分析
本文選用電力電子電路當中最具代表性的BOOST電路作為實驗分析對象，并將特征參數值選取分析如下：
根據文獻[3]所提供的研究結果表明：電力電子電路故障中60%的故障時屬于電解電容故障。
根據文獻[2]研究的電解電容等效模型可以看出：電解電容在正常使用的過程中隨著使用時間的增加電解液將會逐漸蒸發，從而導致ESR(電容等效串聯電阻)增大，電容C減少，漏電流增大，進而影響電解電容的使用。
大量研究表明，電解電容的電容值和使用時間呈指數函數變化，若ESR超過初始值的3倍或C減少20%即可判斷電解電容失效。
因此，我們選擇ESR以及電容值C作為檢測對象來獲知電解電容的變化情況，作為判斷整體電力電子電路發生故障的參數之一[2-3]。
圖2 模型預測曲線
功率MOSFET全稱為：功率金屬氧化物半導體場效應晶體管[5]，具有開關速度快、驅動簡單、導通電阻低等優點。
被廣泛應用在電力電子系統當中，另外，由于該器件電路模型復雜，國內外文獻當中尚無簡化電路模型，根據國外學者研究表明：功率MOSFET閥值電壓Vth變化情況能夠反應器件性能健康狀況，并將Vth變化范圍超過20%作為功率MOSFET失效的判斷依據[5]。
另外，功率二極管和電感元件也是電力電子電路當中最基礎的電子元器件，同時也是較為簡單的元器件。
大量的研究表明：在電力電子電路正常工作情況下，二極管和電感元件失效的概率為2%-3%，故本文不考慮其失效因素。
我們選擇(c，ESR，Vth)來設置元器件參數，仿真獲得電路狀態參數，可以得到如下函數關系：
其中：
根據各參數間的特征關系，我們得到BOOST電路特征參數關系式為：
為輸出電壓偏移率。
根據BOOST電路工作原理可知：
因此：
由于能夠很好反映各個元器件參數的變化情況，那么我們就將作為預測和估計BOOST電路壽命的特征參數。
本文根據南京航空航天大學自動化學院提供的間隔為100h的100h-1000h時刻各參數的值作為采集數據的樣本，并運用本模型算法對進行1100h-1500h時刻的值進行預測，實際曲線與預測曲線如圖2所示。
通過圖2與傳統模型預測數據進行比較可以看出，本文選用的算法模型較傳統算法模型預測的結果更為精確，誤差相對也較小，具有較好的收斂性，取得了預期效果。
4.結束語
本文選用電力電子電路中最常見的BOOST電路作為實驗研究對象，對提出的一種具有殘差修復和加權約束的預測模型進行了驗證，通過最后實驗結果分析，驗證了該模型具有較好的收斂性，雖然本實驗達到了預期效果，但是隨著時間的推移，隨著未知干擾因素的影響下，還存在一定的缺陷，還需要進一步進行研究。
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