【成果介紹】
變頻調(diào)速系統(tǒng)作為主要的電能動力設備，是工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、新能源、國防裝備等領域的關鍵設備之一。其中，電力電子變換器是電池、電網(wǎng)等能量源與驅動電機之間必不可少的能量傳輸紐帶，是變頻調(diào)速系統(tǒng)最核心的組成部件。
痛點問題：電力電子變換器中使用了大量的功率器件，承擔了穩(wěn)定電壓、控制電流開通和關斷等影響系統(tǒng)性能和功能的關鍵作用，這些功率器件由于電壓、電流、機械安裝等應力和高溫、潮濕等外部環(huán)境作用下，本身易損壞易老化，其安全隱患極易引起整個系統(tǒng)崩潰，造成嚴重后果。
本技術針對冗余容錯技術體積、重量、成本高的缺點，提出了一系列低成本容錯技術，當功率器件發(fā)生故障時，通過熔斷器將故障橋臂隔離，同時切換到匹配的容錯模式，實現(xiàn)電力電子變換器的有效容錯，具體如下：
（1）接電容中心點容錯技術
針對接電容中心點的容錯拓撲（圖1）存在電容電壓漂移、控制自由度下降的技術難題，提出了基于有限集模型預測的容錯控制方法，建立了容錯拓撲和電機的離散化數(shù)學模型、電容電壓與開關函數(shù)的數(shù)學模型，設計了電機控制目標函數(shù)以及電容電壓漂移抑制目標函數(shù)，實現(xiàn)了電機的有效控制與電容電壓漂移抑制。
圖1 接電容中心點容錯拓撲
（2）共享橋臂容錯技術
針對共享橋臂容錯拓撲（圖4.2）控制存在整流和逆變系統(tǒng)的強耦合、控制自由度下降、電壓矢量決策沖突、共享橋臂電流限制、電壓分配約束等技術挑戰(zhàn)，提出了基于有限集模型預測的容錯控制技術，建立了整流系統(tǒng)的有功功率和無功功率預測模型、逆變系統(tǒng)的磁鏈和轉矩模型，提出了整流逆變一體化控制方案，實現(xiàn)了共享橋臂容錯拓撲的有效控制。
圖2 共享橋臂容錯技術
（3）面向兩橋臂故障和繼發(fā)故障的容錯技術
為實現(xiàn)系統(tǒng)在突發(fā)故障或繼發(fā)故障后出現(xiàn)的雙橋臂故障容錯，發(fā)明了四橋臂容錯拓撲（圖3）。針對繼發(fā)故障，提出了多級容錯策略：單橋臂故障下實現(xiàn)第一級容錯，拓撲選擇接電容中心點或共享橋臂，繼發(fā)性故障下實現(xiàn)第二級容錯，切換至四橋臂容錯拓撲，在前兩級容錯失效的情況下，系統(tǒng)進入預警保護，確保不產(chǎn)生嚴重后果。四橋臂容錯拓撲的控制同時存在接電容中心點與共享橋臂容錯拓撲的技術挑戰(zhàn)，構建了四橋臂功率變換器的離散化數(shù)學模型，設計了基于有限集模型預測的容錯控制方法，實現(xiàn)了整流和逆變系統(tǒng)的一體化協(xié)調(diào)控制。
圖3 四橋臂容錯拓撲
（4）嵌入式的容錯技術
故障發(fā)生后，系統(tǒng)快速平滑切換到相應的容錯模式，是容錯控制技術應用于工程實踐的關鍵。嵌入故障診斷與容錯方案于一體（圖4），系統(tǒng)發(fā)生故障后通過實時診斷結果完成功率變換器硬件重構與控制軟件重構，進入容錯狀態(tài)，建立故障前后一致的電壓矢量模型、開關組合模型，將容錯控制算法嵌入到正常控制算法中，解決了容錯前后的平滑切換問題。基于此，研制了首款容錯電機驅動器，其功率變換器具有容錯功能。
圖4 嵌入式容錯控制系統(tǒng)示意圖
【技術優(yōu)勢】
（1）大大降低了容錯成本：相比于傳統(tǒng)的冗余容錯控制，添加少量切換開關的體積、重量、成本遠遠小于額外備份一套變換器，在某些對設備體積、重量、成本有著嚴格要求的應用場合中具有顯著優(yōu)勢。
（2）極大提高了系統(tǒng)可靠性：在實際容錯系統(tǒng)中可以采用多級容錯方式，在故障發(fā)生后系統(tǒng)進入一級容錯狀態(tài)，此時采用傳統(tǒng)冗余容錯；如果系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)生故障，則進入二級容錯狀態(tài)，采用上述容錯技術，可以極大地提高系統(tǒng)的可靠性。
【應用實例】
研制的容錯電機驅動器（圖5）被應用于華中科技大學人工智能與自動化學院的HUSTER-12型無人艇電動推進系統(tǒng)中。故障容錯運行下電機最高轉速為3000轉/分（正常時可達6000轉/分），船速為5節(jié)，可實現(xiàn)正常調(diào)速，動態(tài)特性無明顯下滑，確保無人艇的可靠返回。
圖5 無人艇推進系統(tǒng)容錯電機驅動器
【應用場景】
工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、新能源、國防裝備。
【知識產(chǎn)權】
該成果已授權多項中國發(fā)明專利，下表是部分展示：
【合作方式】
技術開發(fā)、技術服務、技術轉讓、技術許可、技術入股、面談等。
【專家介紹】
趙金，教授，博士生導師，IEEE高級會員，中國自動化學會電氣自動化專業(yè)委員會委員，中國電工技術學會電控系統(tǒng)與裝置專業(yè)委員會委員。長期致力于電力電子與運動控制、電力電子裝置的故障診斷與容錯技術、艦船操縱優(yōu)化與控制、先進控制理論及應用等方面的教學與科研工作。主持和參加了國家自然科學基金項目和企業(yè)委托研發(fā)項目等各類科研項目。五項科研成果通過省部級主持的專家鑒定，科研成果獲得教育部科技進步二等獎一項、“日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎”兩項。教學成果獲得湖北省高等學校教學成果一等獎和三等獎各一次。以第一作者或以通信作者指導學生在國內(nèi)外權威刊物和會議上發(fā)表學術論文200余篇，論文被SCI收錄20余篇，編寫教材一部，合譯國外專著一部。已獲授權國家發(fā)明專利20余項。
【聯(lián)系方式】
