CN106564786B - 基于三电平电力变换器的电梯控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三电平电力变换器的电梯控制方法，该方法通过在构成电梯驱动***的三电平变换器的功率模块发生断路故障时采用容错控制方式对三电平变换器进行调制，同时对电梯控制方式进行适当修改，从而可以避免电梯紧急停止，使电梯能够实现目的楼层停靠，实现开门放人后再停止运行。本发明还提供了一种实现上述电梯控制方法的控制装置。

Description

基于三电平电力变换器的电梯控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种电梯控制方法，具体涉及一种基于三电平电力变换器的电梯控制方法。本发明还涉及一种基于三电平电力变换器的电梯控制装置。

背景技术

与传统两电平变换器相比，三电平电力变换器具有功率器件承受电压应力小、电压变化率dv/dt小、输出波形谐波特性好、开关频率低和效率高等优点，特别适用于包括电梯驱动***在内的应用场合。但在运行过程中，构成三电平电力变换器的功率开关可能会因热循环、集电极过电流或门驱动故障等原因发生断路故障，从而导致整个装置故障。三电平电力变换器的结构决定了其在功率开关发生断路故障时可以通过适当调整其控制方法来实现三电平电力变换器的容错控制。

目前，电梯在其驱动***发生包括断路故障在内的功率开关故障时，通常的做法是让电梯紧急停止运行。尽管这种处理方式虽然保证了乘客的安全，但显然会大大降低乘客的舒适性和便利性。如果电梯驱动***采用三电平变换器，在三电平变换器发生断路故障时采用容错控制对三电平变换器进行调制，同时对电梯控制方式进行适当修改，即可在构成电梯驱动***的三电平变换器的功率模块发生断路故障时利用容错控制对三电平变换器进行调制，从而避免电梯紧急停止，使电梯能够实现目的楼层停靠，实现开门放人后再停止运行，藉此避免乘客被关在电梯内等待救援的尴尬和不便。

因此，在构成电梯驱动***的三电平变换器的功率模块发生断路故障时如何对电梯控制方式进行修改、如何利用容错控制对三电平变换器进行调制来避免电梯紧急停止是电梯控制中的一个有待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三电平电力变换器的电梯控制方法，它可以在构成电梯驱动***的三电平变换器的功率模块发生断路故障时避免电梯紧急停止，实现电梯的就近停靠或行进到下一停靠层，实现开门放人后再停止运行，藉此避免乘客被关在电梯内等待救援的尴尬和不便。

为解决上述技术问题，本发明基于三电平电力变换器的电梯控制方法的技术解决方案为，包括：

步骤1.按照常规方式生成轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的速度图形；

步骤2.对三电平电力变换器的功率开关进行断路故障诊断，若诊断结果为正常，转入步骤3；否则转入步骤4；

步骤3.按照常规控制方式对电梯进行控制，采用常规调制策略对三电平变换器进行调制；转入步骤9；

步骤4.判断轿厢由当前位置行进至目的楼层期间的电压指令所对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内；若否，则通过改变电梯后续运行的速度图形使得电压指令对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量位于所述内切圆内，之后转入步骤5；否则直接转入步骤5；

步骤5.判断电梯由当前位置行进至目的楼层期间，是否存在这样一个时段，三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所存储的能量的变化量，或者三电平电力变换器在该时段内的输出能量大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2时所储存能量的变化量；若是，则转入步骤6；否则转入步骤7；

步骤6.减小加速度，并重复步骤5的判断，若可得到判断结果为否，按照新加速度重新生成电梯轿厢由当前位置运行至目的楼层期间的速度图形，且与该速度图形对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量位于所述内切圆内，转入步骤7；若直至加速度减至0，步骤5的判断结果仍为是，则转入步骤8；

步骤7.启用三电平电力变换器容错控制方法对三电平电力变换器进行调制；转入步骤9；

步骤8.产生紧急停止信号，使电梯紧急停止运行；

步骤9.结束。

优选地，步骤5中的所述时段是指电梯进行由当前位置移动至目的楼层所经过的任意时间区间，或是所述期望输出电压矢量旋转进入至离开所述内切圆内的如下区域所经过的任意时间区间：小矢量对应的输出电平组合中发生断路故障的开关所在相的位置包含有因断路故障而不能输出的电平、其余位置均为除不能输出的电平外的两个电平中的任意一个电平的输出电平组合所对应的小矢量所在方向顺时针旋转90°至逆时针旋转90°所覆盖的区域与内切圆的交集。

优选地，步骤5中三电平电力变换器在该时段内的输入能量是指在该时段内由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂；输出能量是指在该时段内由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁。

优选地，步骤5中三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所储存能量的变化量ΔW₁的计算公式为：ΔW₁＝C₀×(U_dc)²/8；三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的变化量ΔW₂的计算公式为：ΔW₂＝3×C₀×(U_dc)²/8，其中C₀是三电平电力变换器直流侧上下电容器的参数，C₀＝C_d1＝C_d2，U_dc是三电平电力变换器直流侧总电容器两端的电压值，即直流母线电压值。

优选地，所述控制方法通过改变电梯后续运行中的加速度和/或额定速度来改变电梯后续运行的速度图形。

优选地，步骤5中，如果三电平电力变换器的能量流动方向为由负载经三电平电力变换器流向直流侧电容，那么判断由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂是否大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所能存储能量的变化量ΔW₂；如果三电平电力变换器的能量流动方向为由三电平变换器直流电容经三电平电力变换器流向负载，那么判断由三电平电力变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁是否大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2所储存能量的变化量ΔW₁。

本发明还提供一种基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其技术解决方案为，包括：

用于对三电平电力变换器的功率开关进行断路故障诊断的诊断单元、用于生成所述电梯驱动控制器执行电梯驱动控制所需的速度图形的速度图形生成单元、用于根据所述速度指令生成单元输出的所述速度图形进行控制并输出电压指令的电梯驱动控制器、用于判断电梯轿厢由当前位置移动至下一停靠层期间三电平电力变换器的期望输出电压矢量是否位于内切圆内的范围判断单元、用于判断三电平变换器与负载间的能量流动方向的方向判断单元、用于计算特定时段内经三电平变换器直流侧电容器中点O注入的能量或是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出的能量的输入/输出能量计算单元、用于计算直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所能释放的能量，或者直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的增加量的电容器能量变化计算单元、用于比较输入/输出能量计算单元的计算结果和电容器能量变化计算单元的计算结果间的大小关系的比较单元、用于对三电平变换器进行调制，输出用于对构成三电平变换器的功率开关进行开通与关断控制的开关信号的调制器。

所述输入/输出能量计算单元根据所述方向判断单元的判断结果决定计算特定时段内由三电平电力变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁，或是计算由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂。

所述电容器能量变化计算单元根据所述方向判断单元的判断结果决定计算三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所储存能量的变化量ΔW₁，或是三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的变化量ΔW。

所述特定时段是指电梯进行由当前位置移动至目的楼层所经过的任意时间区间，或是所述期望输出电压矢量旋转进入至离开所述内切圆内的指定区域所经过的任意时间区间：小矢量对应的输出电平组合中发生断路故障的开关所在相的位置包含有因断路故障而不能输出的电平、其余位置均为除不能输出的电平外的两个电平中的任意一个电平的输出电平组合所对应的小矢量所在方向顺时针旋转90°至逆时针旋转90°所覆盖的区域与内切圆的交集。

所述方向判断单元根据电梯轿厢实际负载或输出的转矩和运行方向，或是根据电梯驱动控制器输出的定子电流指令或电流检测值，实现对三电平变换器与负载间的能量流动方向的判断。

当所述诊断单元的诊断结果为正常，即未发生断路故障时，调制器采用常规调制策略对三电平变换器进行调制，输出开关信号；当所述诊断单元的诊断结果为发生断路故障时，调制器采用容错控制策略对三电平变换器进行调制，输出开关信号。

所述速度图形生成单元根据来自电梯控制器的目的楼层信息、电梯轿厢的当前位置、来自所述诊断单元的诊断结果、来自所述范围判断单元的判断结果、来自所述比较单元的比较结果中的一项或多项生成所述电梯驱动控制器执行电梯驱动控制所需的速度图形。

所述速度图形生成单元按照如下规律生成速度图形：S1.按照常规方式生成轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的速度图形；S2.当范围判断单元的判断结果为期望输出电压矢量位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆外时，所述速度图形生成单元通过改变电梯后续运行中的速度和/或加速度来改变电梯后续运行中的速度图形，使得期望输出电压矢量回到所述内切圆内；S3.判断电梯由当前位置行进至目的楼层期间，是否存在这样一个时段，三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所存储的能量变化量，或者三电平电力变换器在该时段内的输出能量大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2所储存能量的变化量；若是，且加速度＞0时，按照新加速度重新生成电梯轿厢由当前位置运行至目的楼层期间的速度图形；S4.若加速度≤0，则将电梯后续运行中的速度图形设置为恒为零。

本发明可以达到的技术效果是：

通过在构成电梯驱动***的三电平变换器的功率模块发生断路故障时采用容错控制方式对三电平变换器进行调制，同时对电梯控制方式进行适当修改，从而可以避免电梯紧急停止，使电梯能够实现目的楼层停靠，实现开门放人后再停止运行，藉此避免乘客被管在电梯内等待救援的尴尬和不便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是应用了三电平变换器的电梯驱动***结构示意图

图2是T型三电平变换器结构示意图；

图3是I型三电平变换器结构示意图；

图4是本发明的电梯控制装置的内部结构示意图；

图5是三电平电力变换器的空间矢量图；

图6是本发明的电梯控制方法与可知装置的实施流程图。

图中附图标记说明：

1为外部电源， 2为整流器，

3为平滑直流电容， 4为母线电压检测装置，

5为能耗电路， 6为直流母线，

7为逆变器， 8为电流检测装置，

9为电梯电机， 10为曳引轮，

11为导向轮， 12为对重，

13为轿厢， 14为速度检测装置，

15为电梯控制装置， 16为电梯控制器，

17为能耗控制器。

具体实施方式

参见图1，在本实施例中，外部电源1与整流器2的三相交流侧相连，整流器2的直流侧经直流母线6与逆变器7的直流侧输入端相连，平滑直流电容3和能耗电路5分别跨接于直流母线6两端，母线电压检测装置4设置在平滑直流电容3的两端，逆变器7的三相交流侧经电流检测装置8与电梯电机9相连，电梯电机9经特定结构与曳引轮10相连，轿厢13与对重12通过绳索悬吊于曳引轮10和导向轮11的两侧。能耗控制器17根据母线电压检测装置4检测到的直流母线电压对能耗电路5的开关元件进行开通与关断控制。能耗电路5用于将再生能量转化为热量而实现再生能量消耗。电梯控制器16根据层站召唤、轿内指令或群控***的调配命令等产生目的楼层信息。电梯控制装置15根据来自电梯控制器16的目的楼层信息、来自电流检测装置8的电流检测结果和来自速度检测装置14所检测到的电梯电机9的实际转速产生对构成逆变器7的功率开关开通与关断的开关信号，使得电梯电机9拖动轿厢13在井道中上下运行。逆变器7为一三电平变换器，可以是如图2所示的T型三电平变换器，也可以是如图3所示的I型三电平变换器。

如图4所示，电梯控制装置15进一步包括诊断单元、速度图形生成单元、电梯驱动控制器、调制器、范围判断单元、比较单元、电容器能量变化计算单元、输入/输出能量计算单元和方向判断单元等组成部分，其中，诊断单元用于对三电平电力变换器的功率开关进行断路故障诊断；速度图形生成单元用于生成所述电梯驱动控制器执行电梯驱动控制所需的速度图形；电梯驱动控制器用于根据所述速度图形生成单元输出的所述速度图形(当然，为了更好的控制效果，在采用包括速度环和电流环的双闭环变压变频矢量控制时，除了速度图形外，其输入还应包括来自电流检测装置8的电流检测结果和来自速度检测装置14所检测到的电梯电机9的实际转速)进行适当控制并输出电压指令；范围判断单元用于判断电梯轿厢由当前位置移动至下一停靠层期间三电平电力变换器的期望输出电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内；方向判断单元用于判断三电平变换器与负载(本实施例中负载为电梯电机)间的能量流动方向；输入/输出能量计算单元用于计算能量经三电平变换器注入直流侧电容器O点的能量或是由直流侧电容器O点经三电平变换器流出至负载的能量；电容器能量变化计算单元用于计算直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所能释放的能量，或者直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的增加量；比较单元用于对输入/输出能量计算单元的计算结果和电容器能量变化计算单元的计算结果间的大小关系进行比较；调制器用于根据所述电梯驱动控制器输出的所述电压指令和所述功率开关诊断单元的诊断结果对三电平变换器进行调制，输出用于对构成三电平变换器的功率开关进行开通与关断控制的开关信号。

由图4可知，电梯控制装置15内各组成部分间的相互关系如下：

速度图形生成单元根据来自电梯控制器16的目的楼层信息、比较单元的比较结果、范围判断单元的判断结果、轿厢的当前位置信息中的一个或多个生成速度图形；

电梯驱动控制器根据速度图形生成单元输出的速度图形以及来自电流检测装置8的电流检测结果和来自速度检测装置14所检测到的电梯电机9的实际转速执行速度、电流双闭环VVVF矢量控制，输出电梯电机9的定子电压指令；

诊断单元对三电平变换器的功率开关进行断路故障诊断，输出诊断结果；

调制器根据电梯驱动控制器输出的定子电压指令，或者电梯驱动控制器输出的定子电压指令和诊断单元的诊断结果对三电平变换器进行调制，输出用于对构成三电平变换器的功率开关进行开通与关断控制的开关信号；

范围判断单元在接收到来自诊断单元的诊断结果为发生断路故障时对由电梯驱动控制器输出的定子电压指令形成的期望电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内进行判断，并将判断结果发送至速度图形生成单元；

当范围判断单元的判断结果为否时，速度图形生成单元通过改变电梯轿厢的速度和/或加速度来改变电梯驱动控制器所需的速度图形，使得改变后的速度图形所对应的定子电压指令形成的期望电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内；

调制器在接收到来自诊断单元的诊断结果为未发生断路故障时，采用常规的调制策略(即三电平变换器处于正常工作状态时的调制策略)对三电平变换器进行调制，在接收到来自诊断单元的诊断结果为发生断路故障时，则采用针对三电平变换器功率开关断路故障的容错算法进行调制，具体的三电平变换器功率开关断路故障容错算法可参阅相关文献，如：文献1：Diagnosis and tolerant strategy of an open-switch fault for T-type three-level inverter system,IEEE Trans.industry applications,Vol.50,No.1,Jan/Feb,2014；文献2：An open-switch fault detection method and tolerantcontrols based on SVPWM in a grid-connected T-type rectifier with unity powerfactor,IEEE Trans.industrial electronics；

方向判断单元在接收到来自诊断单元的诊断结果为发生断路故障时，对三电平变换器与负载间的能量流动方向进行判断，判断依据可以是电梯轿厢实际负载或输出转矩和运行方向，或是电梯驱动控制器输出的定子电流指令或电流检测值；

电容器能量变化计算单元根据方向判断单元的判断结果对三电平变换器直流侧电容能量的最大变化量进行计算，计算方法为：

当方向判断单元的判断结果为能量是由电梯电机9经三电平变换器从直流侧电容器中点O注入电容时，计算从直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2存储能量的增加量，即电梯电机9可经三电平变换器直流侧电容器中点O向电容器C_d2注入的最大能量，计算公式为：W₂＝3×C₀×(U_dc)²/8；当方向判断单元的判断结果为能量是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出经三电平变换器至电梯电机9时，计算可由直流侧电容器中点O流出的最大能量，即电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2经直流侧电容器中点O可释放出的最大能量，计算公式为：W₁＝C₀×(U_dc)²/8。

输入/输出能量计算单元同样根据方向判断单元的判断结果对特定时段内经三电平变换器注入直流侧电容器O点的能量或是由直流侧电容器O点流出经三电平变换器至负载的能量进行计算，其中特定时段可以是电梯轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的任意一个时间区间，或是特指三电平变换器的期望输出电压矢量在旋转时从进入至离开由电梯驱动控制器输出的定子电压指令形成的期望电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆的如下区域所经过的任意时间区间ΔT：

小矢量对应的输出电平组合中发生断路故障的开关所在相的位置包含有因断路故障而不能输出的电平、其余位置均为除不能输出的电平外的两个电平中的任意一个电平的输出电平组合所对应的小矢量所在方向顺时针旋转90°至逆时针旋转90°所覆盖的区域与内切圆的交集。

在确定了特定时段后，为了计算能量，还需要确定该时段内三电平变换器直流侧电容器中点O流出或由中点O注入直流侧电容器的能量经三电平变换器至电梯电机9间的能量流动速度，即功率，称之为中点O功率。这样，中点O功率在时间区间ΔT内的积分就等于时间区间ΔT内经三电平变换器注入直流侧电容器O点的能量或是由直流侧电容器O点流出经三电平变换器至负载的能量。由于期望输出电压矢量的旋转速度，即电梯电机的电气角速度要远高于电梯电机的转子角速度，因此可近似认为在时间区间ΔT内中点O功率恒定不变，这样可以将时间区间ΔT内的任一中点O功率与时间区间ΔT的乘积作为时间区间ΔT内三电平变换器直流侧电容器中点O流出或由中点O注入直流侧电容器的能量。

由图1所示结构可知，当忽略三电平变换器的效率时，中点O功率等于三电平变换器三相侧的功率，即电梯电机的定子功率，该功率可以利用电梯电梯电机的定子电流的检测值或指令值与定子电压指令值计算得到；当进一步忽略电梯电机机电转换效率时，中点O功率等于电梯电机的机械功率，即电梯电机的输出转矩与转子角速度的乘积。

Q’＝(F×ω_m)×ΔT＝(F×ω_e)×(π/ω_e)/P_n＝(F×π)/P_n (1)

式中，Q’是修正前的三电平变换器直流侧电容器中点O流出或由中点O注入直流侧电容器的能量，F是电梯电机9输出的转矩，ω_m和ω_e分别是机械角速度和电气角速度，P_n是电梯电机9的极对数。

当然，在实际进行三电平变换器直流侧电容器中点O流出或由中点O注入直流侧电容器的能量时，效率、损耗等的影响是非常大的，而效率、损耗等与能量的流动方向密切相关，因此，在计算时应根据方向判断单元的判断结果来确定效率、损耗以及安全余量系数等对在忽略效率等因素得到的初步计算结果基础上进行修正，从而得到最终的输入/输出能量计算单元计算结果Q：

Q＝к₁×(F×π)/P_n＝к×F (2)

式中，Q是修正后的三电平变换器直流侧电容器中点O流出或由中点O注入直流侧电容器的能量，к₁是包括效率、损耗、能量的流动方向、安全余量系数在内修正系数，к＝к₁×π/P_n。

为了便于区别，将由三电平变换器直流侧电容器中点O流出的能量表示为Q₁，将由中点O注入直流侧电容器的能量表示为Q₂。

比较单元根据电容器能量变化计算单元的计算结果和输入/输出能量计算单元的计算结果进行二者的大小关系判断：

当方向判断单元的判断结果为能量是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出经三电平变换器至电梯电机9时，比较W₁与Q₁的大小关系；当方向判断单元的判断结果为能量是由电梯电机9经三电平变换器从直流侧电容器中点O注入电容时，比较W₂与Q₂的大小关系。

速度图形生成单元在接收到的方向判断单元的判断结果为W₁＜Q₁或W₂＜Q₂时，逐渐减小加速度，直至方向判断单元的判断结果为W₁≥Q₁或W₂≥Q₂，则利用新的加速度重新生成由轿厢当前位置至目的楼层的速度图形；若加速度减至零时仍不能使方向判断单元的判断结果为W₁≥Q₁或W₂≥Q₂，则将电梯后续运行的速度图形恒为零，同时生成电梯紧急停止信号，使得电梯紧急停止运行。

下面对上述说明出现的中的零矢量、小矢量、内切圆进行说明。

如图2、图3所示的T型三电平变换器和I型三电平变换器，其直流侧输入端分别为P端、O端和N端，对应的电平分别为+0.5U_dc、0和-0.5U_dc，而且在其拓扑结构中，同一个桥臂包括了半桥功率开关(Q_X1和Q_X4)和中点功率开关(Q_X2和Q_X3)，X∈(R，S，T)，C_d1＝C_d2＝C₀。由图5所示的三电平变换器空间矢量图可知，三电平变换器共有19个矢量，包括1个零矢量(V₀)、6个小矢量(V₁～V₆)、6个中矢量(V₇～V₁₂)、6个大矢量(V₁₃～V₁₉)，并且零矢量对应的输出电平组合为3个、各小矢量分别与正、负2个输出电平组合相对应，而每个中矢量和每个大矢量则各自与一个输出电平组合相对应。此外，图5同时给出了以零矢量V₀为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆。三电平变换器的期望输出电压矢量与对应的输出电平组合件的关系如下表所示：

对于时间区间ΔT，由图2、图3和图5可知：

当三电平变换器的R相正开关，即Q_R1发生断路故障时，R相将不能输出P电平，则R相位置为P、其余位置为OO的输出电平组合为POO，对应的小矢量为V₁，该矢量顺时针、逆时针分别旋转90°后对应的矢量方向分别为中矢量V₁₁和V₈所在方向，则最终得到的交集为内切圆位于矢量中矢量V₁₁和V₈所在方向的右侧部分。当期望输出电压矢量逆时针旋转时，它从中矢量V₁₁所在方向进入交集，从中矢量V₈所在方向离开交集区域，则期望输出电压矢量在进入到离开交集区域所花费的时间即为ΔT。

当发生断路故障的功率开关和/或期望输出电压矢量旋转与上述例子不同时的情形可参照执行，此处不作赘述。

如图6所示的流程图可知，本发明基于三电平电力变换器的电梯控制方法包括如下步骤：

步骤1.由速度图形生成单元按照常规方式生成轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的常规速度图形；

步骤2.由诊断单元对三电平电力变换器的功率开关进行断路故障诊断，判断三电平变换器是否发生断路故障，若诊断结果为正常，转入步骤3；否则转入步骤4；

步骤3.按照常规控制方式对电梯进行控制，采用常规调制策略对三电平变换器进行调制；转入步骤9；

此处按照常规控制方式对电梯进行控制是指按照额定速度、加速度对电梯进行驱动控制，使其按照电梯控制器给出的目的楼层进行运行；采用常规调制策略对三电平变换器进行调制是指不考虑三电平变换器故障情形，采用针对三电平变换器正常工作状态下的调制策略对其进行调制，使其交流侧输出期望电压。

步骤4.范围判断单元判断轿厢由当前位置行进至目的楼层期间的电压指令所对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内；若否，则通过改变电梯后续运行的速度图形使得电压指令对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量位于所述内切圆内，之后转入步骤5；否则直接转入步骤5；

在诊断单元作出三电平变换器发生功率开关断路故障的阶段结果后，范围判断单元根据步骤1中生成的常规速度图形在轿厢由当前位置行进至目的楼层期间电梯驱动控制器输出的电压指令所对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内。如果判断结果为超出内切圆范围、在内切圆之外时，需要改变(通常是根据需要减小加速度和/或速度来改变)电梯轿厢后续运行中的速度图形，使得相应的期望输出电压矢量回到内切圆内；如果判断结果为在内切圆内，则无需处理，直接转入下一步骤5。

步骤5.判断电梯由当前位置行进至目的楼层期间，是否存在这样一个时段，三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所存储的能量的变化量，或者三电平电力变换器在该时段内的输出能量大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2所储存能量的变化量；当判断结果为W₁≥Q₁或W₂≥Q₂时，转入步骤7；否则转入步骤6；

实际上，步骤5进一步包括几个子步骤：

步骤5.1.由方向判断单元对三电平变换器与负载间的能量流动方向进行判断，判断依据可以是电梯轿厢实际负载或输出转矩和运行方向，或是电梯驱动控制器输出的定子电流指令或电流检测值；

步骤5.2.当方向判断单元判断的判断结果是能量由负载流向三电平变换器直流侧电容中点O时，电容能量变化计算单元计算从直流侧电容器中点O的电平由0升至Vdc/2时下部电容器C_d2所存储能量的增加量，即电梯电机9可经三电平变换器直流侧电容器中点O向电容器注入的最大能量，计算公式为：W₂＝3×C₀×(U_dc)²/8；当方向判断单元的判断结果为能量是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出经三电平变换器至电梯电机9时，电容能量变化计算单元计算电容器可由直流侧电容器中点O流出的最大能量，即电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2经直流侧电容器中点O可释放出的最大能量，计算公式为：W₁＝C₀×(U_dc)²/8。

步骤5.3.输入/输出能量计算单元确定由三电平变换器直流侧电容器中点O流出能量或是由中点O注入直流侧电容器能量的时段。该时段是指电梯进行由当前位置移动至目的楼层所经过的任意时间区间，或是所述期望输出电压矢量旋转进入至离开所述内切圆内的如下区域所经过的任意时间区间：

小矢量对应的输出电平组合中发生断路故障的开关所在相的位置包含有因断路故障而不能输出的电平、其余位置均为除不能输出的电平外的两个电平中的任意一个电平的输出电平组合所对应的小矢量所在方向顺时针旋转90°至逆时针旋转90°所覆盖的区域与内切圆的交集。

步骤5.4.当方向判断单元判断的判断结果是能量由负载流向三电平变换器直流侧电容中点O时，输入/输出能量计算单元计算上述时段内三电平变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁；当方向判断单元的判断结果为能量是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出经三电平变换器至电梯电机9时，输入/输出能量计算单元计算上述时段内由三电平变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂。

步骤5.5.当方向判断单元判断的判断结果是能量由负载流向三电平变换器直流侧电容中点O时，比较单元比较W₂和Q₂的大小；当方向判断单元的判断结果为能量是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出经三电平变换器至电梯电机9时，比较单元比较W₁和Q₁的大小。

当判断结果为W₁≥Q₁或W₂≥Q₂时，转入步骤7；否则转入步骤6。

步骤6.速度图形生成单元减小加速度，根据加速度的符号决定是转入步骤8，还是按照新加速度重新生成速度图形、重新计算Q₁或Q₂，直至W₁≥Q₁或W₂≥Q₂时，转入步骤7。

实际上，步骤6进一步包括几个子步骤：

步骤6.1.速度图形生成单元减小加速度；

步骤6.2.速度图形生成单元判断加速度是否≤0。若是，则转入步骤8；否则，转入步骤6.3；

步骤6.3.速度图形生成单元按照新加速度重新生成电梯轿厢由当前位置运行至目的楼层期间的速度图形，且使与该速度图形对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量位于所述内切圆内；

步骤6.4.输入/输出能量计算单元重新计算Q₁或Q₂；

步骤6.5.比较单元比较W₂和Q₂的大小或W₁和Q₁的大小。当W₂≥Q₂或W₁≥Q₁时，转入步骤7；否则转入步骤6.1；

若直至加速度减至0，步骤5的判断结果仍为是，则转入步骤8；

步骤7.调制器启用三电平电力变换器容错调制策略对三电平电力变换器进行调制；转入步骤9；

根据诊断单元确定的三电平变换器发生断路故障的功率开关的位置的不同，调制器选用适当的三电平变换器容错调制策略对构成电梯驱动***的三电平变换器进行调制，使其工作在容错状态中，完成能量的变换与传递。具体的容错调制策略可参见相关文献。

步骤8.产生紧急停止信号，使电梯紧急停止运行；

步骤9.结束。

由上述说明可知，所述速度图形生成单元在生成速度图形时遵循了如下规律：

S1.按照常规方式生成轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的速度图形；

S2.当范围判断单元的判断结果为期望输出电压矢量位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆外时，所述速度图形生成单元通过改变电梯后续运行中的速度和/或加速度来改变电梯后续运行中的速度图形，使得期望输出电压矢量回到所述内切圆内；

S3.判断电梯由当前位置行进至目的楼层期间，是否存在这样一个时段，三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所存储的能量变化量，或者三电平电力变换器在该时段内的输出能量大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2所储存能量的变化量；若是，且加速度＞0时，按照新加速度重新生成电梯轿厢由当前位置运行至目的楼层期间的速度图形；

S4.若加速度≤0，则将电梯后续运行中的速度图形设置为恒为零。

Claims (14)

1.一种基于三电平电力变换器的电梯控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.生成轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的速度图形；

步骤2.对三电平电力变换器的功率开关进行断路故障诊断，若诊断结果为正常，转入步骤3；否则转入步骤4；

步骤3.按照常规控制方式对电梯进行控制，采用常规调制策略对三电平变换器进行调制；转入步骤9；

步骤4.判断轿厢由当前位置行进至目的楼层期间的电压指令所对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内；若否，则通过改变电梯后续运行的速度图形使得电压指令对应的三电平电力变换器期望输出电压矢量位于所述内切圆内，之后转入步骤5；否则直接转入步骤5；

步骤5.判断电梯由当前位置行进至目的楼层期间，是否存在这样一个时段，三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所存储的能量的变化量，或者三电平电力变换器在该时段内的输出能量大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2时所储存能量的变化量；若是，则转入步骤6；否则转入步骤7；

步骤6.减小加速度，根据加速度的符号决定是转入步骤8，还是按照新加速度重新生成速度图形并重新计算Q₁或Q₂，直至W₁≥Q₁或W₂≥Q₂时，转入步骤7；

步骤7.启用三电平电力变换器容错调制策略对三电平电力变换器进行调制；转入步骤9；

步骤8.产生紧急停止信号，使电梯紧急停止运行；

步骤9.结束。

2.根据权利要求1所述的基于三电平电力变换器的电梯控制方法，其特征在于：步骤5中的所述时段是指电梯进行由当前位置移动至目的楼层所经过的任意时间区间，或是所述期望输出电压矢量旋转进入至离开所述内切圆内的如下区域所经过的任意时间区间：

小矢量对应的输出电平组合中发生断路故障的开关所在相的位置包含有因断路故障而不能输出的电平、其余位置均为除不能输出的电平外的两个电平中的任意一个电平的输出电平组合所对应的小矢量所在方向顺时针旋转90°至逆时针旋转90°所覆盖的区域与内切圆的交集。

3.根据权利要求1所述的基于三电平电力变换器的电梯控制方法，其特征在于：步骤5中三电平电力变换器在该时段内的输入能量是指在该时段内由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂；步骤5中三电平电力变换器在该时段内的输出能量是指在该时段内由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁。

4.根据权利要求1所述的基于三电平电力变换器的电梯控制方法，其特征在于：步骤5中三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所储存能量的变化量ΔW₁的计算公式如下：

ΔW₁＝C₀×(U_dc)²/8

三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的变化量ΔW₂的计算公式如下：

ΔW₂＝3×C₀×(U_dc)²/8

其中，C₀是三电平电力变换器直流侧上下电容器的参数，C_d1是三电平电力变换器直流侧上部电容，C_d2是三电平电力变换器直流侧下部电容，C₀＝C_d1＝C_d2，U_dc是三电平电力变换器直流侧总电容器两端的电压值，即直流母线电压值。

5.根据权利要求1所述的基于三电平电力变换器的电梯控制方法，其特征在于：所述控制方法通过改变电梯后续运行中的加速度和/或额定速度来改变电梯后续运行的速度图形。

6.根据权利要求3或4所述的基于三电平电力变换器的电梯控制方法，其特征在于：步骤5中，如果三电平电力变换器的能量流动方向为由负载经三电平电力变换器流向直流侧电容，那么判断由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂是否大于直流侧电容由端电压Udc/2升至Udc时所能存储能量的变化量ΔW₂；如果三电平电力变换器的能量流动方向为由三电平变换器直流电容经三电平电力变换器流向负载，那么判断由三电平电力变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁是否大于直流侧电容由端电压Udc/2降至0时所储存能量的变化量ΔW₁。

7.一种基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：

诊断单元：对三电平电力变换器的功率开关进行断路故障诊断；

速度图形生成单元：生成电梯驱动控制器执行电梯驱动控制所需的速度图形；

电梯驱动控制器：根据所述速度图形生成单元输出的所述速度图形进行控制，输出电压指令；

范围判断单元：判断电梯轿厢由当前位置移动至下一停靠层期间三电平电力变换器的期望输出电压矢量是否位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆内；

方向判断单元：用于判断三电平变换器与负载间的能量流动方向；

输入/输出能量计算单元：用于计算特定时段内经三电平变换器直流侧电容器中点O注入的能量或是由三电平变换器直流侧电容器中点O流出的能量；所述特定时段是指电梯进行由当前位置移动至目的楼层所经过的任意时间区间，或是所述期望输出电压矢量旋转进入至离开所述内切圆内的如下区域所经过的任意时间区间：

电容器能量变化计算单元：用于计算直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所能释放的能量，或者直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的增加量；

比较单元：比较输入/输出能量计算单元的计算结果和电容器能量变化计算单元的计算结果间的大小关系；

调制器：对三电平变换器进行调制，输出用于对构成三电平变换器的功率开关进行开通与关断控制的开关信号。

8.根据权利要求7所述的基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于，所述输入/输出能量计算单元根据所述方向判断单元的判断结果决定计算特定时段内由三电平电力变换器直流侧电容器中点O流出的能量Q₁，或是计算由负载经三电平电力变换器直流侧电容器中点O注入的能量Q₂。

9.根据权利要求7所述的电梯控制装置，其特征在于，所述电容器能量变化计算单元根据所述方向判断单元的判断结果决定计算三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时，下部电容器C_d2所储存能量的变化量ΔW₁，或是三电平电力变换器直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时，下部电容器C_d2所能存储能量的变化量ΔW₂。

10.根据权利要求7或8所述的基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于，小矢量对应的输出电平组合中发生断路故障的开关所在相的位置包含有因断路故障而不能输出的电平、其余位置均为除不能输出的电平外的两个电平中的任意一个电平的输出电平组合所对应的小矢量所在方向顺时针旋转90°至逆时针旋转90°所覆盖的区域与内切圆的交集。

11.根据权利要求7所述的基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于，所述方向判断单元根据电梯轿厢实际负载或输出的转矩和运行方向，或是根据电梯驱动控制器输出的定子电流指令或电流检测值，实现对三电平变换器与负载间的能量流动方向的判断。

12.根据权利要求7所述的基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于：

当所述诊断单元的诊断结果为正常，即未发生断路故障时，调制器采用常规调制策略对三电平变换器进行调制，输出开关信号；当所述诊断单元的诊断结果为发生断路故障时，调制器采用容错控制策略对三电平变换器进行调制，输出开关信号。

13.根据权利要求7所述的基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于，所述速度图形生成单元根据来自电梯控制器的目的楼层信息、电梯轿厢的当前位置、来自所述诊断单元的诊断结果、来自所述范围判断单元的判断结果、来自所述比较单元的比较结果中的一项或多项生成所述电梯驱动控制器执行电梯驱动控制所需的速度图形。

14.根据权利要求13所述的基于三电平电力变换器的电梯控制装置，其特征在于，所述速度图形生成单元按照如下规律生成速度图形：

S1.按照常规方式生成轿厢由当前位置移动至目的楼层期间的速度图形；

S2.当范围判断单元的判断结果为期望输出电压矢量位于由零矢量为中心、以6个小矢量为顶点连线组成的六边形的内切圆外时，所述速度图形生成单元通过改变电梯后续运行中的速度和/或加速度来改变电梯后续运行中的速度图形，使得期望输出电压矢量回到所述内切圆内；

S3.判断电梯由当前位置行进至目的楼层期间，是否存在这样一个时段，三电平电力变换器在该时段内的输入能量大于直流侧电容器中点O的电平由0升至Udc/2时下部电容器C_d2所存储的能量变化量，或者三电平电力变换器在该时段内的输出能量大于直流侧电容器中点O的电平由0降至-Udc/2时下部电容器C_d2所储存能量的变化量；若是，且加速度＞0时，按照新加速度重新生成电梯轿厢由当前位置运行至目的楼层期间的速度图形；

S4.若加速度≤0，则将电梯后续运行中的速度图形设置为恒为零。