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，对变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。 【关键词】：直驱式风电转换系统 故障诊断 容错控制 三相四开关SVPWM
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46;TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 故障诊断技术的发展现状11-14
• 1.2.1 变流器常见故障类型12-13
• 1.2.2 故障诊断技术研究现状13-14
• 1.3 容错控制的研究现状14-16
• 1.4 本文主要研究内容及结构安排16-18
• 第2章 永磁直驱式风电系统组成及其建模18-25
• 2.1 永磁直驱式风力发电系统结构18
• 2.2 风力发电系统的数学模型18-20
• 2.2.1 永磁同步发电机的数学模型18-19
• 2.2.2 PWM 变流器的数学模型19-20
• 2.3 系统总体控制策略20-24
• 2.3.1 PMSG 控制策略21-22
• 2.3.2 网侧变流器控制策略22-23
• 2.3.3 总体控制框图23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 变流器开路故障系统运行特性分析25-36
• 3.1 变流器开路故障的理论分析25-28
• 3.1.1 a 相电流is a25-26
• 3.1.2 a 相电流 is a=026-28
• 3.2 变流器开路故障仿真分析及实验验证28-35
• 3.2.1 机侧变流器开路故障时的运行分析29-30
• 3.2.2 网侧变流器开路故障时的运行分析30-31
• 3.2.3 机侧和网侧变流器均发生开路故障时的运行分析31-33
• 3.2.4 机组外部干扰时的运行分析33-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第4章 变流器的开路故障诊断方法36-47
• 4.1 故障诊断参数的选择36-37
• 4.2 变流器的开路故障检测37-38
• 4.3 变流器的开路故障定位38-41
• 4.3.1 网侧变流器故障的定位39-40
• 4.3.2 机侧变流器故障的定位40-41
• 4.4 故障诊断的仿真分析及实验验证41-46
• 4.4.1 机侧变流器 R3开路故障时的故障诊断结果42-43
• 4.4.2 网侧变流器 I3开路故障时的故障诊断结果43-44
• 4.4.3 鲁棒性验证44-46
• 4.5 本章小结46-47
• 第5章 基于三相四开关的变流器容错控制47-64
• 5.1 容错系统的拓扑结构及工作原理47-49
• 5.2 容错变流器的控制方法49-55
• 5.2.1 三相四开关 SVPWM 原理51-52
• 5.2.2 三相四开关 SVPWM 算法52-55
• 5.3 四开关变流器的电容电压不平衡问题55-58
• 5.4 变流器的容错控制仿真分析58-63
• 5.4.1 机侧变流器故障的容错控制仿真60-61
• 5.4.2 网侧变流器故障的容错控制仿真61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论与展望64-66
• 参考文献66-71
• 致谢71-72
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录72-73
• 附录 B 攻读学位期间所申请的专利73-74
• 附录 C 攻读学位期间所参与的科研项目74

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