本發(fā)明涉及電力電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
：在高品質(zhì)特殊鋼加工冶煉行業(yè)，連鑄電磁攪拌技術(shù)成為提高連鑄鋼材品質(zhì)和成品率的最有效技術(shù)途徑。兩相正交逆變電源作為連鑄電磁攪拌的關(guān)鍵裝備，其電流波形質(zhì)量和響應(yīng)速度等性能直接影響連鑄鋼的質(zhì)量和品質(zhì)，對提升我國軍用艦船、橋梁、建筑、高檔轎車等制造水平意義重大。目前鋼鐵連鑄用電磁攪拌電源一般采用二相正交逆變電源，輸出兩相正交電流給感應(yīng)線圈供電，激發(fā)形成電磁推力，從而使鋼液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。該種攪拌方法具有磁場能量集中，所需攪拌功率小以及繞組能量效率高。在兩相逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，一般采用兩級結(jié)構(gòu)，前級采用不可控整流方式，將三相交流電轉(zhuǎn)換成一個穩(wěn)定的直流電源。由于兩相正交逆變電源的負(fù)載為感性負(fù)載，系統(tǒng)消耗有功功率小，負(fù)載功率主要是無功功率，故前級整流器的功率因數(shù)低，同時諧波含量高。針對后級兩相正交逆變器，YoungCM等學(xué)者采用4個橋臂構(gòu)成兩單相逆變器結(jié)構(gòu)，可以分別單獨控制，將直流電轉(zhuǎn)換成兩個正交90°的交流電源，該種結(jié)構(gòu)具有控制簡單，直流電壓利用率高，但是其器件數(shù)量較多，成本高。由此，JangDH等學(xué)者提出了采用兩個橋臂構(gòu)成兩相正交逆變器，每個橋臂與直流側(cè)電容構(gòu)成半橋逆變器，從而實現(xiàn)兩相正交電壓輸出，該種結(jié)構(gòu)雖然器件數(shù)量減少，但是其直流電壓利用率低，直流側(cè)兩電容需要進(jìn)行平衡控制。為此，為了彌合兩者的缺陷，羅安等學(xué)者提出了一種三橋臂的兩相正交逆變電源結(jié)構(gòu)，其中兩個開關(guān)臂為獨立的開關(guān)臂，第3個開關(guān)臂為公共臂，通過采用合適的控制方法可以實現(xiàn)兩相正交輸出功能。電磁攪拌逆變電源的重要組成部分是逆變器。逆變器中最容易產(chǎn)生事故的地方就是功率組件及其控制線路，目前還沒能夠有效地處理好它的可靠性問題。當(dāng)逆變器產(chǎn)生事故時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重時將導(dǎo)致不可想象的后果。因此要求逆變器在產(chǎn)生事故時能實現(xiàn)容錯運行。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)及其控制方法，在切除故障功率開關(guān)器件后，將其余的功率開關(guān)器件與直流側(cè)的電容重新構(gòu)成兩相半橋逆變電路，以保持系統(tǒng)持續(xù)運行。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)，包括一個前級三相可控整流電路、兩個串聯(lián)直流側(cè)儲能電容、一個后級兩相正交逆變電路和三個輸出電感；所述前級三相可控整流電路包括三個整流橋臂，所述三個整流橋臂與電網(wǎng)三相電源連接；兩個直流側(cè)儲流電容串聯(lián)而成的支路與所述三個整流橋臂并聯(lián)；所述后級兩相正交逆變電路包括三橋臂兩相逆變橋；兩個串聯(lián)的直流側(cè)儲能電容的公共連接點與三橋臂兩相逆變橋的中間橋臂中點連接后，通過一個所述輸出電感與單相負(fù)載連接；兩相逆變橋的另外兩個橋臂輸出通過另外兩個所述輸出電感與單相負(fù)載相連。相應(yīng)的，本發(fā)明提供了一種上述容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)的控制方法，包括前級三相可控整流電路控制部分和后級兩相正交逆變電路控制部分；所述前級三相可控整流電路控制部分包括以下步驟：1)采集三相電網(wǎng)電壓、前級三相可控整流電路交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓udc，計算出直流側(cè)電壓的二次紋波分量u2；2)設(shè)置直流側(cè)參考電壓將直流側(cè)參考電壓與udc相減，再減去直流側(cè)電壓的二次紋波分量u2，得到直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差Δud，然后經(jīng)過PI控制器的調(diào)節(jié)處理后輸出直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc；3)將前級三相可控整流電路輸入電流的前饋指令信號Ie和經(jīng)PI控制器得到的直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc疊加，作為前級三相可控整流電路交流側(cè)電流的幅值，分別乘以三相電網(wǎng)電壓對應(yīng)的同步正弦信號，得到前級三相可控整流電路交流側(cè)電流指令信號irefa、irefb、irefc，即：其中Ie為前饋指令信號，Ie＝2udcidc/3Em，Idc＝kPΔud+kI∫Δuddt，kP、kI分別為電壓外環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；idc為直流側(cè)電流；Em是交流側(cè)電壓最大值；Δud直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差；；4)將交流側(cè)電流指令信號與檢測到的實際交流側(cè)電流ia、ib、ic相減，其輸出經(jīng)PR控制器及脈寬調(diào)制后，得到前級三相可控整流電路中的各功率開關(guān)管的控制信號da、db、dc，控制前級三相可控整流電路中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷；后級兩相正交逆變電路控制部分包括以下步驟：1)檢測直流側(cè)的兩個電容電壓udc1和udc2，這兩個電容電壓之差經(jīng)一個PI控制器后輸出為Δi；2)設(shè)置后級兩相正交逆變電路的輸出電流參考指令irefα、irefβ、irefw，檢測后級兩相正交逆變電路的三相輸出電流iα、iβ、iw；將Δi疊加到后級兩相正交逆變電路輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到后級兩相正交逆變電路三相輸出電流偏差信號iCα、iCβ、iCw；將三相輸出電流偏差信號iCα、iCβ、iCw輸入云模型控制器，得到PWM調(diào)制器的輸入信號，調(diào)制出后級兩相正交逆變電路中各個功率開關(guān)器件的通斷信號。本發(fā)明中，kP＝0.1，kI＝20。通過云模型控制器得到PWM調(diào)制器的輸入信號的實現(xiàn)步驟包括：1)令e等于后級兩相正交逆變電路輸出電流的偏差信號，則偏差信號的積分記為ei，輸出控制量為z；e與ei論域都為[-55]，z的論域為[-55]；偏差信號e的云模型用數(shù)字特征表示為Ge(Exe，Ene，Hee)；偏差信號e的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Ge1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Ge2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Ge3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Ge4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Ge5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Ge6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Ge7(51.670.42)。積分ei的云模型用數(shù)字特征表示為Gei(Exei，Enei，Heei)，積分ei的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gei1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gei2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gei3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gei4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gei5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gei6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gei7(51.670.42)。輸出控制量z的云模型用數(shù)字特征表示為Gz(Exz，Enz，Hez)，輸出控制量z的的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gz1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gz2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gz3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gz4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gz5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gz6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gz7(51.670.42)；2)令CGAi表示帶X條件的二維云發(fā)生器，CGAi的輸出結(jié)果是μAi，E'ne＝R(Ene,Hee)，E'nei＝R(Enei,Heei)，函數(shù)R()表示服從正態(tài)分布的隨機函數(shù)；從μAi中選擇最大值μMAXi，激活Y條件一維正態(tài)云發(fā)生器CGB，CGB的輸出是zi，逆向一維云發(fā)生器CGC的輸出期望值表示為3)將z作為PWM調(diào)制器的輸入信號，調(diào)制出后級兩相正交逆變電路中各個功率開關(guān)器件的通斷信號。本發(fā)明容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級兩相正交逆變電路控制方法，包括以下步驟：1)檢測直流側(cè)的兩個電容電壓udc1和udc2，這兩個電容電壓之差經(jīng)一個PI控制器后輸出為Δi；2)設(shè)置后級兩相正交逆變電路的輸出電流參考指令irefα、irefβ、irefw，檢測后級兩相正交逆變電路的三相輸出電流iα、iβ、iw；將Δi疊加到后級兩相正交逆變電路輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到后級兩相正交逆變電路三相輸出電流偏差信號iCα、iCβ、iCw；將三相輸出電流偏差信號iCα、iCβ、iCw輸入云模型控制器，得到PWM調(diào)制器的輸入信號，調(diào)制出后級兩相正交逆變電路中各個功率開關(guān)器件的通斷信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)提高了電源的可靠性，在故障狀態(tài)時對逆變器拓?fù)潆娐愤M(jìn)行重新配置，即在切除故障功率開關(guān)器件后，將其余的功率開關(guān)器件與直流側(cè)的電容重新構(gòu)成兩相半橋逆變電路，以保持系統(tǒng)持續(xù)運行。因此當(dāng)系統(tǒng)運行在故障狀態(tài)時，控制算法不需改變，系統(tǒng)成本低。附圖說明圖1容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)的等效電路圖；圖2容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)正常工作時的等效電路圖；圖3容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)故障狀態(tài)時的等效電路圖；圖4容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)前級三相可控整流電路的控制框圖；圖5容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級兩相正交逆變電路控制算法中的云模型控制框圖；圖6容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級兩相正交逆變電路的控制框圖。具體實施方式圖1為容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)的等效電路圖。系統(tǒng)主要參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓380V、50Hz，網(wǎng)側(cè)濾波電感Zf為1mH。直流側(cè)電容C1、C2各為10000μF，直流側(cè)初始電壓為700V。功率開關(guān)器件IGBT的開關(guān)頻率為10kHz。輸出側(cè)濾波電感L＝0.5mH，r＝0.01Ω。前級三相可控整流電路為含有6個功率開關(guān)器件的三橋臂整流橋，與電網(wǎng)三相電源連接；直流側(cè)為兩個串聯(lián)、容值相同的儲能電容；后級兩相正交逆變電路為含有6個功率開關(guān)器件、5個單刀雙向開關(guān)、6個熔斷器的三橋臂兩相逆變橋；兩個串聯(lián)的直流側(cè)儲能電容的公共連接點為兩相逆變電路的輸出地線，兩相逆變橋的另兩個輸出通過兩個輸出電感與單相負(fù)載相連。后級兩相正交逆變電路在正常運行時，為兩相三橋臂逆變電路；后級兩相正交逆變電路在故障狀態(tài)時，構(gòu)成兩相半橋逆變電路。圖2是容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)正常工作時的等效電路圖。此時T12、T23、T45、T56、Tw處于斷開狀態(tài)。圖3是容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)故障狀態(tài)時的等效電路圖。此時三端雙向可控硅開關(guān)T12、T23、T45、T56、Tw和熔斷器F1、F2、F3、F4、F5、F6的通斷狀態(tài)表如表1所示。表1V1V2V3V4V5V6F1011111F2000000F3110111F4111011F5000000F6111110T12100000T23001000T45000100T56000001Tw111111圖4是容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)前級三相可控整流電路的控制框圖。包括以下步驟：(1)檢測三相電網(wǎng)電壓為式中ω為電網(wǎng)電壓角頻率，Em為電網(wǎng)電壓幅值。檢測三相可控整流電路交流側(cè)電流為式中Im為三相可控整流電路交流側(cè)幅值。(2)前級三相可控整流電路的控制方法如附圖4所示。首先計算直流側(cè)電壓的二次紋波分量為式中udc為直流側(cè)電壓，C為直流側(cè)電容總電容值，r是輸出電感的等效電阻值，L是輸出電感的電感值。(3)檢測的直流側(cè)電壓udc，將直流側(cè)參考電壓與udc相減，得到然后減去由式(1)計算出的二次紋波分量，可以得到直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差Δud＝Δudc-u2。(4)然后經(jīng)過PI控制器的調(diào)節(jié)處理后輸出直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc：Idc＝kPΔud+kI∫Δuddt(4)式中kP、kI分別為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。(5)將三相可控整流電路輸入電流的前饋指令信號Ie和經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的電流調(diào)節(jié)信號Idc疊加，作為三相可控整流電路交流側(cè)電流的幅值，分別乘以三相電網(wǎng)電壓對應(yīng)的同步正弦信號，得到三相可控整流電路交流側(cè)電流指令信號：其中Ie＝2udcidc/3Em。(6)交流側(cè)電流指令信號與檢測到的實際交流側(cè)電流ia、ib、ic相減，其輸出經(jīng)PR控制器后及脈寬調(diào)制后，得到三相可控整流電路中的各功率開關(guān)管的控制信號da、db、dc。PR控制器中，比例控制參數(shù)取值為8，諧振控制參數(shù)為100。(7)后級兩相正交逆變電路的控制框圖如附圖6所示。首先檢測直流側(cè)的兩個電容電壓udc1和udc2，這兩個電容電壓之差經(jīng)一個PI控制器后輸出為Δi；(8)由于負(fù)載是兩個單相負(fù)載，流經(jīng)α相和β相的負(fù)載電流為幅值和頻率相等、相位相差90°的正弦電流，則兩相正交逆變器的輸出電流參考指令可以表示為：式中，I*為兩相正交逆變器輸出電流期望幅值，ω*為逆變器輸出電流期望參考指令角頻率。(9)檢測兩相正交逆變器三相輸出電流iα、iβ、iw。將Δi疊加到兩相逆變器輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到偏差信號：圖5是容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級兩相正交逆變電路控制算法中的云模型控制框圖。包括以下步驟：(1)令e＝iCα，則偏差信號的積分記ei，輸出控制量z。e與ei論域都為[-55]，z的論域為[-55]。偏差e的云模型用數(shù)字特征表示為Ge(Exe，Ene，Hee)。偏差e的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Ge1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Ge2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Ge3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Ge4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Ge5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Ge6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Ge7(51.670.42)。積分ei的云模型用數(shù)字特征表示為Gei(Exei，Enei，Heei)。積分ei的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gei1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gei2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gei3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gei4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gei5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gei6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gei7(51.670.42)。輸出控制量z的云模型用數(shù)字特征表示為Gz(Exz，Enz，Hez)。輸出控制量z的的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gz1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gz2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gz3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gz4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gz5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gz6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gz7(51.670.42)。在圖5所示的規(guī)則推理器中，CGAi是帶X條件的二維云發(fā)生器，它的輸出結(jié)果是：上式中E'ne＝R(Ene,Hee)和E'nei＝R(Enei,Heei)，函數(shù)R()表示服從正態(tài)分布的隨機函數(shù)，其中第一個參數(shù)為期望值，第二個參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差。從μAi中選擇最大值μMAXi，去激活Y條件一維正態(tài)云發(fā)生器CGB。Y條件一維正態(tài)云發(fā)生器CGB的輸出是zi，并且滿足上式中E'nz＝R(Enz,Hez)。逆向一維云發(fā)生器CGC的輸出期望值表示為：圖6是容錯型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級兩相正交逆變電路的控制框圖。包括以下步驟：(1)首先檢測直流側(cè)的兩個電容電壓udc1和udc2，這兩個電容電壓之差經(jīng)一個PI控制器后輸出為Δi；(2)由于負(fù)載是兩個單相負(fù)載，流經(jīng)α相和β相的負(fù)載電流為幅值和頻率相等、相位相差90°的正弦電流，則兩相正交逆變器的輸出電流參考指令可以表示為：式中，I*為兩相正交逆變器輸出電流期望幅值，ω*為逆變器輸出電流期望參考指令角頻率。(3)檢測兩相正交逆變器三相輸出電流iα、iβ、iw。將Δi疊加到兩相逆變器輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到偏差信號：(4)將式(10)的信號z作為PWM的輸入信號，調(diào)制出兩相正交逆變器中各個功率開關(guān)器件的通斷信號Sv1-Sv6；(5)Tv12、Tv23、Tv45、Tv56的通斷與圖6中各個功率器件通斷的關(guān)系如表2所示。表2V1V2V3V4V5V6FV1111111FV2000000FV3111111FV4111111FV5000000FV6111111Tv12100000Tv23001000Tv45000100Tv56000001當(dāng)前第1頁1 2 3