永磁直驱式风电变流器故障的容错控制

摘要

风力发电技术作为最成熟、最具开发潜力的可再生能源利用技术，已经受到了全球的瞩目，而现有的风电机组控制策略仅局限于正常情况下的运行，但环境多变、故障率高才是实际机组的现实状况。随着并网风电机组装机容量的快速增加，如何提高风电机组的可靠性已经成为国内外研究的热点。
　　目前永磁直驱式同步发电机以其独特的优势成为风力发电中最有前途的机型，它省去了传统双馈式风力发电系统中故障率较高的齿轮传动机构，同时采用背靠背式的全功率变流器，机组发出的电能全部通过变流器传送到电网，变流器作为风力发电系统中的核心部件和脆弱环节，也是故障率最高的器件。为了使系统在变流器电力电子器件出现故障的情况下能够不间断运行，亟需研究变流器的故障诊断和容错控制技术。
　　本文首先介绍永磁直驱式风力发电转换系统的拓扑结构，并对永磁同步发电机、PWM变流器的数学模型进行详细的推导，在此基础上，介绍一种常用的风力发电系统控制策略，为后续章节奠定理论基础。
　　其次，从变流器故障后的电路拓扑结构入手，对交流器开路故障状态下的运行机理进行理论分析，并结合Simulink仿真和实验结果，得出变流器故障后系统运行特性的变化特征。为了克服传统故障诊断方法计算复杂、易受干扰影响的缺点，对比正常运行、故障运行及发生干扰三种情况下系统的运行特性，总结出系统特性参数故障后特有的变化规律。据此，选择系统机侧和网侧电流作为诊断故障的参数，由电流Park矢量相位角斜率的变化检测故障的发生，并依据故障后机侧平均电流的Park矢量相位角所在区间和网侧各相电流值的正负确定故障器件所在位置。此外，构建了故障诊断系统的仿真模型，并搭建了故障诊断系统的实验平台，用仿真和实验验证该故障诊断方法的可靠性和快速性。
　　最后，深入分析了三相四开关SVPWM的原理及算法，并详细推导了直流母线电容电压不平衡时的SVPWM计算公式。设计了无冗余的容错控制系统的拓扑结构和控制策略，变流器发生故障后及时切除故障器件，通过容错重构将变流器切换为三相四开关模式。然后搭建了容错变流器的Simulink仿真模型，并将该容错模型嵌入到故障诊断系统中，构成完整的风力发电容错控制系统，以期达到系统在故障情况下可持续运行的目标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 故障诊断技术的发展现状

1．2．1 变流器常见故障类型

1．2．2 故障诊断技术研究现状

1．3 容错控制的研究现状

1．4 本文主要研究内容及结构安排

第2章 永磁直驱式风电系统组成及其建模

2．1 永磁直驱式风力发电系统结构

2．2 风力发电系统的数学模型

2．2．1 永磁同步发电机的数学模型

2．2．2 PWM变流器的数学模型

2．3 系统总体控制策略

2．3．1 PMSG控制策略

2．3．2 网侧变流器控制策略

2．3．3 总体控制框图

2．4 本章小结

第3章 变流器开路故障系统运行特性分析

3．1 变流器开路故障的理论分析

3．1．1 a相电流isa≠0

3．1．2 a相电流isa=0

3．2 变流器开路故障仿真分析及实验验证

3．2．1 机侧变流器开路故障时的运行分析

3．2．2 网侧变流器开路故障时的运行分析

3．2．3 机侧和网侧变流器均发生开路故障时的运行分析

3．2．4 机组外部干扰时的运行分析

3．3 本章小结

第4章 变流器的开路故障诊断方法

4．1 故障诊断参数的选择

4．2 变流器的开路故障检测

4．3 变流器的开路故障定位

4．3．1 网侧变流器故障的定位

4．3．2 机侧变流器故障的定位

4．4 故障诊断的仿真分析及实验验证

4．4．1 机侧变流器R3开路故障时的故障诊断结果

4．4．2 网侧变流器I3开路故障时的故障诊断结果

4．4．3 鲁棒性验证

4．5 本章小结

第5章 基于三相四开关的变流器容错控制

5．1 容错系统的拓扑结构及工作原理

5．2 容错变流器的控制方法

5．2．1 三相四开关SVPWM原理

5．2．2 三相四开关SVPWM算法

5．3 四开关变流器的电容电压不平衡问题

5．4 变流器的容错控制仿真分析

5．4．1 机侧变流器故障的容错控制仿真

5．4．2 网侧变流器故障的容错控制仿真

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间所申请的专利

附录C 攻读学位期间所参与的科研项目