CN105099154B - 一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，步骤包括：预先为待容错变流器各相设置电流Park矢量特征基准值；获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出电流Park矢量相位的绝对值，将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值得到电流Park矢量特征实测值；对待容错变流器的每一相，判断该相的电流Park矢量特征实测值是否超过电流Park矢量特征基准值，如果超过电流Park矢量特征基准值，则判定该相发生开路故障并针对待容错变流器发生开路故障的故障相进行容错控制。本发明具有鲁棒性好、故障诊断准确度高、故障诊断速度快捷、容错性能好、系统稳定性高的优点。

Description

一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统变流器，具体涉及一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法。

背景技术

变流器是永磁直驱式风力发电系统（PMSG）的核心部件和脆弱环节，IGBT开路故障时有发生，永磁直驱式风力发电系统（PMSG）输出端的变流器包括机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器和网侧变流器的直流母线之间一般连接有两稳压电容。

现有的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法存在下述缺点：（1）现有故障诊断技术采用park矢量幅值作为故障诊断变量，辨识算法复杂，实时性差，不适用于在线检测。且以park矢量幅值作为诊断变量，故障诊断变量特征不明显，易受风速突变和电网电压跌路等外部干扰的影响，鲁棒性较差；（2）现有容错型变流器多采用相冗余的方式，以备用桥臂替代故障桥臂，因IGBT相对于双向晶闸管成本较高，备用桥臂的采用增加了系统的硬件成本；（3）现有三相四开关变流器拓扑结构由于采用两母线电容中点供电，控制母线电压恒定，而电容的充放电状态相反，必然会造成两母线电容电压的不平衡。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种鲁棒性好、故障诊断准确度高、故障诊断速度快捷、容错性能好、系统稳定性高的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，步骤包括：

1）预先为待容错变流器各相设置电流Park矢量特征基准值；

2）获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出所述电流Park矢量相位的绝对值，将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值得到电流Park矢量特征实测值；

3）针对待容错变流器的每一相，判断该相的电流Park矢量特征实测值是否超过电流Park矢量特征基准值，如果超过电流Park矢量特征基准值，则判定该相发生开路故障并跳转执行步骤4）；否则跳转执行步骤2）；

4）针对待容错变流器发生开路故障的故障相进行容错控制。

优选地，所述步骤1）的详细步骤包括：预先在待容错变流器处于正常状态时获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出所述电流Park矢量相位的绝对值，并将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值，得到待容错变流器各相的电流Park矢量特征基准值。

优选地，所述步骤1）和步骤2）中求绝对值之后还包括针对求绝对值的结果进行滤波的步骤。

优选地，所述获取待容错变流器各相的电流Park矢量具体步骤包括：获取永磁直驱式风力发电系统的机侧变流器输入电流，获取永磁直驱式风力发电系统网侧变流器的输出电流，针对永磁直驱式风力发电系统的每一相，将机侧变流器输入电流除以网侧变流器的输出电流得到待容错变流器每一相的电流Park矢量。

优选地，所述步骤4）的详细步骤包括：

4.1）闭锁待容错变流器发生开路故障的故障相的脉冲信号隔离故障；

4.2）将待容错变流器发生开路故障的故障相通过开关元件连接至永磁直驱式风力发电系统的直流母线电容中两电容间的中点，通过直流母线电容中两电容间的中点为故障相供电；

4.3）将待容错变流器的控制策略切换至使用三相四开关SVPWM调制策略，并将直流母线电压参考值设定为原值的两倍。

优选地，所述步骤4.2）中的开关元件为双向晶闸管。

优选地，所述步骤4.3）中还包括降低风机转速以降低风机输入功率的步骤。

优选地，所述步骤4.3）中还包括下述调节直流母线电容中两电容电压的步骤：

I）检测直流母线电容中第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压，其中待容错变流器直流侧的正极母线依次通过第一母线电容C ₁ 、第二母线电容C ₂ 和负极母线相连；

II）将第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 和第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 进行比较，如果第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 大于第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 则向待容错变流器正常相发送开关状态“11”，使得待容错变流器正常相上桥臂导通以增加第一母线电容C ₁ 的放电时间；如果第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 小于第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 则向待容错变流器正常相发送开关状态“00”，使得待容错变流器正常相下桥臂导通以增加第二母线电容C ₂ 的放电时间。

本发明永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法具有下述优点：本发明获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出电流Park矢量相位的绝对值，将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值得到电流Park矢量特征实测值，针对待容错变流器的每一相，判断该相的电流Park矢量特征实测值是否超过电流Park矢量特征基准值来进行开路故障诊断，采用电流Park矢量相位的导数检测故障，因为在一个控制周期内电流Park矢量的变化可能很小，但在很短的控制周期内电流矢量角对时间的导数也会很大，对系统的参数的变换更加敏感，能够提高故障检测的精度，具有鲁棒性好、故障诊断准确度高、故障诊断速度快捷、容错性能好、系统稳定性高的优点。

附图说明

图1为应用本发明实施例的容错型永磁直驱式风力发电系统拓扑结构图。

图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图3为本发明实施例获取电流Park矢量特征实测值的基本流程示意图。

图4为本发明实施例获取电流Park矢量特征实测值过程中得到的曲线示意图。

图5为图1所示风力发电系统在网侧变流器A相时的拓扑结构示意图。

图6为考虑电容不平衡电压是基本电压矢量的偏移情况示意图。

图7为网侧变流器在发生开关状态“00”时的等效电路。

图8为网侧变流器在发生开关状态“11”时的等效电路。

具体实施方式

下文将以图1所示容错型永磁直驱式风力发电系统（PMSG）的网侧变流器为例，对本发明永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法进行进一步的说明。参见图1，容错型永磁直驱式风力发电系统（PMSG）包括机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器包括R₁～R₆共六个IGBT，网侧变流器包括I₁～I₆共六个IGBT，机侧变流器和网侧变流器的直流母线之间设有直流母线电容，直流母线电容包括串联布置的第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ ，正极母线依次通过第一母线电容C ₁ 、第一母线电容C ₂ 和负极母线相连。

如图2所示，本实施例永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法的步骤包括：

1）预先为待容错变流器各相设置电流Park矢量特征基准值；

2）获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出电流Park矢量相位的绝对值，将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值得到电流Park矢量特征实测值；

3）针对待容错变流器的每一相，判断该相的电流Park矢量特征实测值是否超过电流Park矢量特征基准值，如果超过电流Park矢量特征基准值，则判定该相发生开路故障并跳转执行步骤4）；否则跳转执行步骤2）；

4）针对待容错变流器发生开路故障的故障相进行容错控制。

如图3所示，本实施例中求出电流Park矢量相位的绝对值，将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值得到电流Park矢量特征实测值。本实施例中以网侧变流器A相为例，A相的电流Park矢量的波形曲线如图4（a）所示，求出电流Park矢量相位的绝对值的波形曲线如图4（b）所示，将得到的绝对值依次进行求导得到的波形曲线如图4（c）所示，最终得到电流Park矢量特征实测值的波形曲线如图4（d）所示。求导是一种微分运算，对系统的参数的变换更加敏感，因为在一个控制周期内电流Park矢量的变化可能很小，但在很短的控制周期内电流矢量角对时间的导数也会很大，因此正常运行时，电流Park矢量特征实测值为数值恒定的检测变量，当故障发生时电流Park矢量特征实测值会发生较大变化。当网侧变流器A相IGBT(I₁或I₄)出现开路故障时，系统的拓扑结构图如图5所示，本实施例中只考虑IGBT的开路故障，故障时与其反并联的二极管仍能保持联通。

本实施例中，步骤1）的详细步骤包括：预先在待容错变流器处于正常状态时获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出电流Park矢量相位的绝对值，并将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值，得到待容错变流器各相的电流Park矢量特征基准值。

如图3所示，本实施例中步骤1）和步骤2）中求绝对值之后还包括针对求绝对值的结果进行滤波的步骤，通过对求绝对值的结果进行滤，能够除去测量等环节引入的干扰。

本实施例中，获取待容错变流器各相的电流Park矢量具体步骤包括：获取永磁直驱式风力发电系统的机侧变流器输入电流，获取永磁直驱式风力发电系统网侧变流器的输出电流，针对永磁直驱式风力发电系统的每一相，将机侧变流器输入电流除以网侧变流器的输出电流得到待容错变流器每一相的电流Park矢量。以网侧变流器A相为例，将将机侧变流器输入电流i _a 除以网侧变流器的输出电流i _A ，即可得到待容错变流器A相的电流Park矢量（i _a /i _A ）。

本实施例中，步骤4）的详细步骤包括：

4.1）闭锁待容错变流器发生开路故障的故障相的脉冲信号隔离故障；

4.2）将待容错变流器发生开路故障的故障相通过开关元件连接至永磁直驱式风力发电系统的直流母线电容中两电容间的中点，通过直流母线电容中两电容间的中点为故障相供电；

4.3）将待容错变流器的控制策略切换至使用三相四开关SVPWM调制策略，并将直流母线电压参考值设定为原值的两倍。直流母线电压参考值用于生成三相四开关SVPWM调制策略中的有功电流的给定值，三相四开关SVPWM调制策略中将直流母线电压参考值与实测值进行比较后，经PI调节的有功电流的给定值。正常运行时，逆变器输出相电压最大值为直流母线电值，在本实施例中将故障相连至母线电压中点，故障相的输出电压只有母线电压的一半，而电网电压通常是保持不变，为避免逆变失败，将母线电压参考值设定为原来的两倍，使实测电压跟随参考电压的变化，当然这对开关器件的耐压值提出了更高的要求。三相四开关SVPWM调制策略的主要步骤包括：判断参考电压矢量u _out 所在扇区；计算基本电压矢量的作用时间T1、T2；确定桥臂工作状态变化的切换时刻；与三角载波比较后得脉冲信号驱动IGBT工作，需要说明的是，三相四开关SVPWM调制策略是目前常见的变流器控制策略，故其具体实施步骤的细节在此不再赘述。

本实施例中，步骤4.2）中的开关元件为双向晶闸管。参见图1可知，本实施例在机侧变流器的A/B/C三相分别设有Tr₁～Tr₃共三个双向晶闸管，在网侧变流器的A/B/C三相分别设有Tr₄～Tr₆共三个双向晶闸管，本实施例中网侧变流器A相为故障相，因此具体是指将网侧变流器A相通过双向晶闸管Tr₄连接至永磁直驱式风力发电系统的直流母线电容中第一母线电容C ₁ 、第一母线电容C ₂ 间的中点。

本实施例中，步骤4.3）中还包括降低风机转速以降低风机输入功率的步骤。由于输入功率与风机转速近似呈三次方的关系，考虑三相四开关SVPWM调制策略下变流器的容量降低，发生开路故障后应将将风机输入功率降低，即要根据故障后对并网输送功率的要求相应地降低风机转速。

理论上直流母线电容中第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压不平衡的。但是实际上第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压可能不等，这样会导致永磁直驱式风力发电系统的容错性能降低。图6给出了考虑电容电压不平衡时基本空间电压矢量的偏移，若用偏移的电压矢量进行控制，会恶化系统控制性能。u ₀ 、u ₁ 、u ₂ 、u ₃ 是三相四开关SVPWM调制策略的四个基本空间电压矢量，u’ 0、u’ 1、u’ 2、u’ 3，u _out 是输出电压，θ是输出电压与α轴正向的夹角。由上图可见，考虑电容电压不平衡电压影响时，基本空间电压矢量发生了偏移，如果采用这些偏移的空间电压矢量进行控制，必然会恶化系统的控制性能，电容充放电使直流母线电压波动是导致基本空间电压矢量偏移的根本原因，平衡两电容的电压即可优化系统性能。本实施例中，步骤4.3）中还包括下述调节直流母线电容中两电容电压的步骤：

I）检测直流母线电容中第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压，其中待容错变流器直流侧的正极母线依次通过第一母线电容C ₁ 、第二母线电容C ₂ 和负极母线相连；

II）将第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 和第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 进行比较，如果第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 大于第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 则向待容错变流器正常相发送开关状态“11”，使得待容错变流器正常相上桥臂导通以增加第一母线电容C ₁ 的放电时间；如果第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 小于第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 则向待容错变流器正常相发送开关状态“00”，使得待容错变流器正常相下桥臂导通以增加第二母线电容C ₂ 的放电时间。

图7和图8给出了利用开关状态“00”和“11”调节第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压实现原理，开关状态“00”（即S_BS_C=00）对应图3中的I₂和I₆导通，I₃和I₅关断，此时等效电路如图7所示；开关状态“11”（即S_BS_C=11）对应图3中的I₃和I₅导通，I₂和I₆关断，此时等效电路如图8所示。u _c1 、u _c2 分别为第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压，Z_A、Z_B、Z_C为网侧等效阻抗。当u _c1 >u _c2 时，通过额外发送开关状态“11”，即增大I₃和I₅的导通时间，可增大第一母线电容C ₁ 的放电时间，从而使得第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压平衡；同理，当u _c1 <u _c2 时，通过额外发送开关状态“00”，即增大I₂和I₆的导通时间，可增大第二母线电容C ₂ 的放电时间，从而使得第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压平衡，提高容错系统的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于步骤包括：

1）预先为待容错变流器各相设置电流Park矢量特征基准值；

2）获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出所述电流Park矢量相位的绝对值，将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值得到电流Park矢量特征实测值；

3）针对待容错变流器的每一相，判断该相的电流Park矢量特征实测值是否超过电流Park矢量特征基准值，如果超过电流Park矢量特征基准值，则判定该相发生开路故障并跳转执行步骤4）；否则跳转执行步骤2）；

4）针对待容错变流器发生开路故障的故障相进行容错控制；

所述步骤2）中获取待容错变流器各相的电流Park矢量具体步骤包括：获取永磁直驱式风力发电系统的机侧变流器输入电流，获取永磁直驱式风力发电系统网侧变流器的输出电流，针对永磁直驱式风力发电系统的每一相，将机侧变流器输入电流除以网侧变流器的输出电流得到待容错变流器每一相的电流Park矢量。

2.根据权利要求1所述的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于，所述步骤1）的详细步骤包括：预先在待容错变流器处于正常状态时获取待容错变流器各相的电流Park矢量，求出所述电流Park矢量相位的绝对值，并将得到的绝对值依次进行求导、求绝对值，得到待容错变流器各相的电流Park矢量特征基准值。

3.根据权利要求2所述的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于，所述步骤1）和步骤2）中求绝对值之后还包括针对求绝对值的结果进行滤波的步骤。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于，所述步骤4）的详细步骤包括：

4.1）闭锁待容错变流器发生开路故障的故障相的脉冲信号隔离故障；

4.2）将待容错变流器发生开路故障的故障相通过开关元件连接至永磁直驱式风力发电系统的直流母线电容中两电容间的中点，通过直流母线电容中两电容间的中点为故障相供电；

4.3）将待容错变流器的控制策略切换至使用三相四开关SVPWM调制策略，并将直流母线电压参考值设定为原值的两倍。

5.根据权利要求4所述的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于，所述步骤4.2）中的开关元件为双向晶闸管。

6.根据权利要求5所述的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于，所述步骤4.3）中还包括降低风机转速以降低风机输入功率的步骤。

7.根据权利要求6所述的永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障容错方法，其特征在于，所述步骤4.3）还包括下述调节直流母线电容中两电容电压的步骤：

I）检测直流母线电容中第一母线电容C ₁ 和第二母线电容C ₂ 的电压，其中待容错变流器直流侧的正极母线依次通过第一母线电容C ₁ 、第二母线电容C ₂ 和负极母线相连；

II）将第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 和第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 进行比较，如果第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 大于第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 则向待容错变流器正常相发送开关状态“11”，使得待容错变流器正常相上桥臂导通以增加第一母线电容C ₁ 的放电时间；如果第一母线电容C ₁ 的电压u _c1 小于第二母线电容C ₂ 的电压u _c2 则向待容错变流器正常相发送开关状态“00”，使得待容错变流器正常相下桥臂导通以增加第二母线电容C ₂ 的放电时间。