一种双稳态永磁开关分合闸气隙磁链的解耦控制方法

技术领域

本发明涉及开关电器智能控制技术领域，尤其是一种双稳态永磁开关分合闸气隙磁链的解耦控制方法。

背景技术

开关电器是电力系统的基础元件之一，承担着电力系统正常及故障负荷的通断，广泛应用于发电、输电、配电及用电系统中，其性能指标直接影响着整个电力系统的安全性与可靠性。双稳态永磁开关具有结构简单，动作分散性小，易于控制等显著优势，相比于传统机械开关，双稳态永磁开关在分合闸状态保持时由永磁体完成，不消耗能量，节能低碳。但在操动过程中，分合闸磁路间的电磁耦合现象较为复杂，难以对操作机构动作特性进行灵活、精确的控制。

近年来，国内外学者提出的双稳态永磁开关控制方案愈加复杂，但本质上都是对开关的线圈电流进行控制，且分合闸过程仅对单个线圈进行控制，并未对分合闸线圈的激磁状态进行协同控制。双稳态永磁开关的分合闸线圈绕制在同一个静铁心上，共用磁路，分合闸线圈的激磁状态相互耦合，且动铁心的运动及磁路饱和现象会在分合闸磁路中产生更为复杂的非线性动态耦合。因此，仅对单个线圈进行控制无法实现分合闸磁路的解耦，导致分合闸线圈磁链相互影响，进一步影响动铁心的动作特性，难以实现对操作机构的精确控制。

发明内容

本发明提出一种双稳态永磁开关分合闸气隙磁链的解耦控制方法，能采用有限集模型预测方法分别控制双稳态永磁开关分闸磁路与合闸磁路的气隙磁链，实现分合闸气隙磁链的解耦控制。

本发明采用以下技术方案。

一种双稳态永磁开关分合闸气隙磁链的解耦控制方法，包括以下步骤；

步骤S1、构建操动过程中的磁链实时观测器，通过实时采集分合闸线圈的电压与电流信号，分别计算分合闸磁路的磁链；

步骤S2、根据驱动电路拓扑构建开关状态表，设计基于有限集模型预测的磁链预测模型，用于遍历下一时刻不同开关状态下的分合闸气隙磁链值；

步骤S3、设计代价函数，依据代价函数对遍历的磁链值进行寻优，以得到下一开关周期的最优解，并在下一开关周期输出最优解对应的开关状态来控制驱动电路。

在步骤S3中，设置不同的分合闸气隙磁链参考值，使预测的分、合闸气隙磁链分别跟踪设定的分闸、合闸气隙参考磁链，实现分闸、合闸气隙磁链的解耦控制。

所述双稳态永磁开关的分合闸线圈，其驱动拓扑均采用全桥结构，具体为：U

B

步骤S2中构建开关状态表，其方法为：将驱动电路的开关状态与线圈的电压状态相映射，构建开关状态表，所述开关状态表用于根据预测的电压状态直接给出对应的开关驱动信号，进而控制激磁；

步骤S2的开关状态表包括开关状态组合表，其构建过程如下：

双稳态永磁开关中，属于合闸组的不同桥臂状态对应的线圈电压及气隙磁链的变化情况如表1所示：

表1:合闸组开关状态表

表中，u

属于分闸组的不同桥臂状态对应的线圈电压及气隙磁链的变化情况如表2所示：

表2：分闸组开关状态表

u

由于双稳态永磁开关分闸操作、合闸操作中，桥臂状态(1，1)与(0，0)的激磁情况相同，所以从上述表中，舍弃状态(1，1)，仅保留状态(0，0)，将合闸组与分闸组的桥臂状态进行组合，以把16个桥臂状态简化为9个桥臂状态，形成开关状态组合表，如下述表3所示，

表3：开关状态组合表

利用表3清晰建立驱动电路桥臂状态与两个线圈电压状态之间的映射关系，之后利用桥臂状态的定义，将桥臂状态转换成开关状态，即可构建驱动电路开关状态与两个线圈电压状态之间的映射关系，进而完成开关状态表的构建。

步骤S2中，基于有限集模型预测的磁链预测模型由下述公式一中的磁路电压平衡方程离散化得到

式中：R

ψ

式中：ψ

ψ

采用公式三及磁链的累加和数字积分计算方法构建磁链预测模型，即：根据当前控制周期采集得到的线圈电流i

步骤S3中，以代价函数作为有限集模型预测控制的核心，具体为：为实现分合闸气隙磁链的解耦：在合闸过程中需要将分闸气隙的磁链控制为0，而合闸气隙磁链维持在参考值，因此，仅调节合闸气隙磁链参考值即可精确控制双稳态永磁开关合闸过程的动作特性；同理，在分闸过程中需要将合闸气隙磁链控制为0，而分闸气隙磁链维持在参考值，仅调节分闸气隙磁链参考值即可精确控制双稳态永磁开关分闸过程的动作特性；因此，分别构建如下合闸过程代价函数及分闸过程代价函数。

合闸过程代价函数：

分闸过程代价函数：

式中：ψ

根据磁链预测模型及表3列出的可能的线圈电压状态，分别遍历计算合闸线圈磁链预测值ψ

所述解耦控制方法基于有限集模型预测，包括驱动电路与嵌入式控制系统的使用；

驱动电路的使用方法如下：输入电压通过整流桥D

嵌入式控制系统的使用方法包括如下步骤：

步骤A1、第一电流传感器、第一电压传感器采集合闸线圈电压u

步骤A2、根据磁链预测模型原理构建合闸气隙磁链预测模型，来预测下一周期合闸气隙磁链ψ

步骤A3、第二电流传感器、第二电压传感器采集分闸线圈上的电压u

步骤A4、根据磁链预测模型原理构建分闸气隙磁链预测模型，预测下一周期分闸气隙磁链ψ

当判断当前操动过程为分闸过程时，将分闸磁链参考值ψ

所述解耦控制方法中，双稳态永磁开关的线圈电流通过限流模块进行保护，限流模块包含两重保护：一重保护为逐周期限制电流幅值，另一重保护为电流最大值闭锁保护；

在嵌入式系统工作过程中，通过分合闸过程控制判断当前过程是分闸还是合闸，设置不同的分、合闸线圈电流最大值i

当电流达到幅值i

而当电流上升过快即视为输出短路时，检测的电流大于分、合闸线圈电流最大值i

本发明针对双稳态永磁开关操动过程中，分合闸磁路相互耦合导致动作特性无法精确控制这一难题，以有限集模型预测方法为基础，提出了一种双稳态永磁开关分合闸气隙磁链的解耦控制方法，实现了分合闸气隙磁链的独立准确控制，降低分合闸磁路耦合现象对开关动作特性的影响，提高开关动作特性的控制精确度，进而提高分合闸性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明中磁链预测模型的示意图；

附图2是本发明中，双稳态永磁开关的分合闸驱动电路的拓扑示意图；

附图3是有限集模型预测磁链进行控制的原理电路示意图(图中，第一电流传感器为电流传感器1，第一电压传感器为电压传感器1，第二电流传感器为电流传感器2，第二电压传感器为电压传感器2)。

具体实施方式

如图所示，一种双稳态永磁开关分合闸气隙磁链的解耦控制方法，包括以下步骤；

步骤S1、构建操动过程中的磁链实时观测器，通过实时采集分合闸线圈的电压与电流信号，分别计算分合闸磁路的磁链；

步骤S2、根据驱动电路拓扑构建开关状态表，设计基于有限集模型预测的磁链预测模型，用于遍历下一时刻不同开关状态下的分合闸气隙磁链值；

步骤S3、设计代价函数，依据代价函数对遍历的磁链值进行寻优，以得到下一开关周期的最优解，并在下一开关周期输出最优解对应的开关状态来控制驱动电路。

在步骤S3中，设置不同的分合闸气隙磁链参考值，使预测的分、合闸气隙磁链分别跟踪设定的分闸、合闸气隙参考磁链，实现分闸、合闸气隙磁链的解耦控制。

如图2所示，所述双稳态永磁开关的分合闸线圈，其驱动拓扑均采用全桥结构，具体为：U

B

步骤S2中构建开关状态表，其方法为：将驱动电路的开关状态与线圈的电压状态相映射，构建开关状态表，所述开关状态表用于根据预测的电压状态直接给出对应的开关驱动信号，进而控制激磁；

步骤S2的开关状态表包括开关状态组合表，其构建过程如下：

双稳态永磁开关中，属于合闸组的不同桥臂状态对应的线圈电压及气隙磁链的变化情况如表1所示：

表1：合闸组开关状态表

表中，u

属于分闸组的不同桥臂状态对应的线圈电压及气隙磁链的变化情况如表2所示：

表2：分闸组开关状态表

u

由于双稳态永磁开关分闸操作、合闸操作中，桥臂状态(1，1)与(0，0)的激磁情况相同，所以从上述表中，舍弃状态(1，1)，仅保留状态(0，0)，将合闸组与分闸组的桥臂状态进行组合，以把16个桥臂状态简化为9个桥臂状态，形成开关状态组合表，如下述表3所示，

表3：开关状态组合表

利用表3清晰建立驱动电路桥臂状态与两个线圈电压状态之间的映射关系，之后利用桥臂状态的定义，将桥臂状态转换成开关状态，即可构建驱动电路开关状态与两个线圈电压状态之间的映射关系，进而完成开关状态表的构建。

步骤S2中，基于有限集模型预测的磁链预测模型由下述公式一中的磁路电压平衡方程离散化得到

式中：R

ψ

式中：ψ

ψ

如图1所示，采用公式三及磁链的累加和数字积分计算方法构建磁链预测模型，即：根据当前控制周期采集得到的线圈电流i

步骤S3中，以代价函数作为有限集模型预测控制的核心，具体为：为实现分合闸气隙磁链的解耦：在合闸过程中需要将分闸气隙的磁链控制为0，而合闸气隙磁链维持在参考值，因此，仅调节合闸气隙磁链参考值即可精确控制双稳态永磁开关合闸过程的动作特性；同理，在分闸过程中需要将合闸气隙磁链控制为0，而分闸气隙磁链维持在参考值，仅调节分闸气隙磁链参考值即可精确控制双稳态永磁开关分闸过程的动作特性；因此，分别构建如下合闸过程代价函数及分闸过程代价函数。

合闸过程代价函数：

分闸过程代价函数：

式中：ψ

根据磁链预测模型及表3列出的可能的线圈电压状态，分别遍历计算合闸线圈磁链预测值ψ

如图3所示，所述解耦控制方法基于有限集模型预测，包括驱动电路与嵌入式控制系统的使用；

驱动电路的使用方法如下：输入电压通过整流桥D

嵌入式控制系统的使用方法包括如下步骤：

步骤A1、第一电流传感器、第一电压传感器采集合闸线圈电压u

步骤A2、根据磁链预测模型原理构建合闸气隙磁链预测模型，来预测下一周期合闸气隙磁链ψ

步骤A3、第二电流传感器、第二电压传感器采集分闸线圈上的电压u

步骤A4、根据磁链预测模型原理构建分闸气隙磁链预测模型，预测下一周期分闸气隙磁链ψ

当判断当前操动过程为分闸过程时，将分闸磁链参考值ψ

所述解耦控制方法中，双稳态永磁开关的线圈电流通过限流模块进行保护，限流模块包含两重保护：一重保护为逐周期限制电流幅值，另一重保护为电流最大值闭锁保护；

在嵌入式系统工作过程中，通过分合闸过程控制判断当前过程是分闸还是合闸，设置不同的分、合闸线圈电流最大值i

当电流达到幅值i

而当电流上升过快即视为输出短路时，检测的电流大于分、合闸线圈电流最大值i