CN106208649B - 并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法 - Google Patents

并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法，步骤1：建立各相桥臂的状态函数，将状态函数的值与桥臂单元状态进行关联；步骤2：通过电压外环调节器得到并联型变流器的总电流给定指令，并通过坐标变换得到并联型变流器在三相静止坐标系下的各相电流指令；步骤3：计算得到各子变流器的相桥臂电流指令；步骤4：通过PR调节器，得到各相桥臂的电压调制指令；步骤5：根据各相桥臂的状态函数对初始电压调制指令进行修正，利用正常桥臂的状态来虚拟故障桥臂的状态，实现虚拟桥臂的控制。本发明通过并联型变流器本身的控制技术实现重构控制，不需要增加任何辅助设备，无需对变流器及机组进行改造，故障容错范围宽，响应速度快。

Description

并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法
技术领域
本发明涉及变流器容错控制技术领域，具体地，涉及一种并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法。
背景技术
目前，可再生能源发展迅速，尤其是风电和光伏。随着风电技术的日益成熟，风电在世界范围内大规模发展。随着陆上风电资源的不断开发，风电开始从陆上向海上发展，海上风资源持续稳定、风速高、发电量大、不占用土地资源、环境噪音和视觉影响小，海上风电的前景广阔。然而，海上环境恶劣，潮湿、高盐雾，由于气象原因，海上风电机组维护不便，且维护成本高。目前，海上风机正在向大容量及超大容量发展，考虑到海上风电的投资和运维成本均较高，大容量海上风电机组的可靠性直接关系到海上风电的经济性与开发成败。风电变流器作为风电机组中的关键组成设备，其运行的可靠性是海上风电变换系统的关键技术问题。
由于风能的波动性和随机性，变流器上的功率波动较大，使得功率开关器件承受很大的电热应力。研究和工业现场的数据表面，电热应力是引起功率器件失效的最主要原因。变流器的热状态频繁变化，进一步增加了功率开关器件承受的热应力，降低了变流器的可靠性，影响海上风电的经济效益。
为了提升变流器的运行可靠性，模块化并联成为工业变流器的基本配置结构，通过并联单元来提升变流器单元的故障容错能力。当故障发生，一般直接切除故障单元，变流器进入降功率运行模式。但是，这种容错控制方法并不能满足多故障单元同时发生故障时候的容错控制要求。因此，多重故障工况下就需要对变流器进行重构控制来实现容错运行。
对于多变流单元并联的变流器而言，重构控制可以利用背靠背变流器的桥臂共用来实现，有学者提出背靠背变流器同相桥臂共用的重构控制方法，利用双向开关将故障相切入另一侧的同相桥臂，背靠背变流器从6桥臂模式转换到5桥臂模式，这种方法不仅增加了控制的复杂度，还会导致直流电压利用率降低，需要提升直流母线电压，且共用桥臂电流的应力增加，需要较大的设计裕量。
经检索：
申请(专利)公开号：CN 105305953A，名称为“一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构及其应用”，公开了一种具有重构能力的高电压宽范围光伏逆变结构，其利用DC/DC变流器的升压功能，在不同输入电压情况下，重构直流母线，实现高电压宽范围的变流功能。本发明光伏逆变结构包括直流电压重构单元、电容链路和换流单元；直流电压重构单元通过DC/DC变流器实现直流母线的重构，在光伏电池提供的电压较高时，DC/DC变流器不工作，光伏电磁提供的电压直接作为直流母线电压；在光伏电池提供的电压较低时，DC/DC变流器开始工作，利用其升压特性将光伏电池提供的较低电压升高，将DC/DC变流器的输出电压作为重构后的直流母线电压。由此，本发明光伏逆变结构拓宽了光伏逆变器的输入电压范围，提高了系统的稳定性。
上述发明采用附件的DC/DC变换器实现高电压宽范围的重构，当光伏输入电压较高时，所述的直流电压重构单元直接以光伏输入电压作为直流母线Bus1的电压，并将其与换流单元连接参与能量转换；当光伏输入电压较低时，直流电压重构单元利用自身的升压功能实现直流母线的重构，重构后得到的另一条直流母线Bus2的电压高于光伏输入电压并与换流单元连接参与能量转换。该方法增加了额外的变流单元，增加了硬件成本。
经检索：
申请(专利)公开号：CN104578865A，名称为“一种三电平四桥臂T型容错变流器及其控制方法”，公开了一种三电平四桥臂T型容错变流器及其控制方法，该容错变流器包括直流输入电路、三电平T型拓扑、故障隔离电路、冗余桥臂、容错桥和交流输出电路。正常运行状态下，当直流母线中点电压发生大幅波动时，控制冗余桥臂相应的功率开关管导通，通过注入电感电流来快速调节中点电压的平衡，防止因中点电压的大幅波动引起功率开关管的过压击穿；故障状态下，控制容错桥相应的双向可控晶闸管导通，使冗余桥臂代替故障桥臂投入容错运行。该容错型变流器可以容错开关管和桥臂的开路、短路故障，输出功率和直流电压利用率不会降低。该容错型三电平四桥臂T型变流器可以应用于交流电机驱动系统或并网发电系统，使系统具有较好的容错运行功能。
上述发明利用冗余桥臂实现故障状态下的重构，故障状态下，控制容错桥相应的双向可控晶闸管导通，使冗余桥臂代替故障桥臂投入容错运行。该容错型变流器可以容错开关管和桥臂的开路、短路故障，输出功率和直流电压利用率不会降低。需要增加额外的硬件，增加系统成本。
经检索：
Shahbazi M,Poure P,Saadate S,et al.FPGA-based reconfigurable controlfor fault-tolerant back-to-back converter without redundancy[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2013,60(8):3360-3371.
上述提出背靠背变流器同相桥臂共用的重构控制方法，利用双向开关将故障相切入另一侧的同相桥臂，背靠背变流器从6桥臂模式转换到5桥臂模式，这种方法不仅增加了控制的复杂度，还会导致直流电压利用率降低，需要提升直流母线电压，共用桥臂的电流应力增加，需要较大的设计裕量。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法。
根据本发明提供的并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法，包括如下步骤：
步骤1：构建由n个子变流器系统级并联构成的并联型变流器的各相桥臂的状态函数，并将状态函数的值与桥臂单元状态进行关联；其中，n为大于1的正整数；
步骤2：通过电压外环调节器得到并联型变流器的总电流给定指令，并通过坐标变换得到并联型变流器在三相静止坐标系下的各相电流指令；
步骤3：通过状态函数和三相静止坐标系下的各相电流指令计算得到各子变流器的各相桥臂电流指令；
步骤4：通过PR调节器，得到各相桥臂的电压调制指令；
步骤5：根据各相桥臂的状态函数对初始电压调制指令进行修正，利用正常桥臂的状态来虚拟故障桥臂的状态，实现虚拟桥臂的控制。具体地，这里的正常桥臂是指：桥臂所有开关管均可以正常工作，故障桥臂是指：桥臂中有开关管故障，不能继续工作。
优选地，所述步骤1中的各相桥臂的状态函数记为Hkj，Hkj表示第j个子变流器的k相桥臂的状态，其中k＝a,b,c；j＝1,2…n；a、b、c分别表示三相交流电的三相；
当桥臂单元处于正常状态时，Hkj＝1；
当桥臂单元处于故障状态时，Hkj＝0。
优选地，所述步骤3包括：通过电压外环调节器得到并联型变流器的总电流给定指令记为其中k＝a,b,c；各子变流器的各相桥臂电流指令的计算公式如下：
k＝a,b,c；j＝1,2…n。
优选地，所述步骤4中的PR调节器能够在指定的频率处提供无穷大的增益，从而实现特定频率的无静差控制，通过PR调节器得到各相桥臂的电压调制指令记为：umkj，umkj表示变流器单元j的k相的初始电压调制指令，u'mkj表示变流器单元j的k相的重构控制下的电压调制指令，其中k＝a,b,c；j＝1,2…n，um整体表示调制电压；
当桥臂单元处于正常状态时，u'mkj＝umkj；
当桥臂单元处于故障状态时，且k＝a,b,c；j＝1,2…n。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明针对并联型风电变流器，采用基于虚拟桥臂的重构控制技术，在多变流器单元故障的时候，通过各相桥臂电流独立控制的方法实现相功率分配，实现并联变流器的重构运行，通过变流器本身的控制技术实现重构控制，不需要增加任何辅助设备，无需对变流器及机组进行改造。
2、本发明提供的并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法能够实现多故障模式下的容错运行，故障容错范围宽，特别是多变流其单元的多重故障，只要每相都有正常的桥臂，就能够进行重构控制；并且响应速度快。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为变流器多单元并联系统结构示意图；
图2为虚拟桥臂控制的原理示意图；
图3为基于虚拟桥臂的重构控制原理框图；
图4为相桥臂单元状态函数示意图；
图5为第一子变流器的三相电流示意图；
图6为第二子变流器的三相电流示意图；
图7为并联变流器组的三相总电流示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法，即通过各相桥臂电流独立控制的方法实现并联变流器组的重构控制，该方法仅需对并联型变流器的控制策略进行修改，无需增加其他设备，并且动态响应快，故障容错范围宽。
由于随着风电技术，尤其是海上风电的发展，风电机组的装机容量越来越大，风电变流器的容量也越来越大，兆瓦级的风电变流器成为主流。并联增流是提高变流器容量的一种重要方式。系统级并联是指几个独立的三相电压源子变流器(VSC)共用交流母线，具有独立滤波器以及保护器件，如图1所示，并且每个子变流器可以自行进行有功、无功电流解耦控制。
对于多变流单元并联的变流器，单侧变流器具有多相桥臂，增加了控制的自由度。如果能对变流器的各变流单元进行灵活配置，使得变流器能够降功率继续运行直至维护替换，将大大降低重构控制的复杂度，相桥臂单元将取代变流单元成为控制的基本单元，只要每相都有正常的桥臂单元，就能够进行重构控制，重构控制的功率等级将取决于相容量最小的桥臂。
以n个子变流器系统级并联为例，定义其各相桥臂的状态函数为Hkj(k＝a,b,c；j＝1,2…n)，a、b、c分别表示三相交流电的三相；当桥臂单元正常时，Hkj＝1；桥臂单元故障时，Hkj＝0。当三相变流器单元的某相桥臂发生故障后，需要对剩余两相桥臂的电流进行独立控制。变流器各相的总电流指令为则各子变流器的相桥臂电流指令为
由于PI调节器无法达到无静差跟踪正弦信号给定，因此电流调节器采用比例谐振(proportional resonant，PR)调节器，PR控制能够在指定的频率处提供无穷大的增益，从而实现特定频率的无静差控制。
如图2所示，各相桥臂的电压调制指令如下：
umkj(k＝a,b,c；j＝1,2…n)；
正常工作时，u'mkj＝umkj；
故障重构时，
虚拟桥臂控制是基于不同子变流器的同相桥臂状态函数，利用正常桥臂的状态来虚拟故障桥臂的状态，从而实现虚拟桥臂的控制。
基于虚拟桥臂的故障重构技术就是根据相桥臂状态函数，设定各相桥臂单元的电流给定，实现相桥臂电流独立控制，同时利用正常桥臂的调制指令来虚拟故障桥臂的调制指令，从而实现虚拟桥臂的控制。两个子变流器并联的基于虚拟桥臂控制的故障重构控制框图如图3所示。
具体实现的步骤如下：
步骤S1：通过电压外环调节器得到变流器的总电流给定指令，通过坐标变换得到其三相静止坐标系下的各相电流指令。
步骤S2：通过变流器相桥臂单元的状态控制单元，得到各变流器单元各相桥臂的电流指令。
步骤S3：通过PR调节器，得到各相桥臂的电压调制指令；
步骤S4：虚拟桥臂控制器，根据各相桥臂的状态函数对初始电压调制指令进行修正，利用正常桥臂的状态来虚拟故障桥臂的状态，通过虚拟桥臂的控制，使得故障变流器单元能够实现矢量控制。
下面结合附图及具体实施例对本发明方案进行进一步的详细说明。
如图1所示，采用3MW全功率风电变流器为例，接口电网电压为690V/50Hz，直流母线电容器组为38.8mF，直流母线电压给定值为1100V，开关频率为3kHz，LCL滤波器参数为：变流器侧电感为100μH、中间滤波电容为668.4μF、电网等效电感为170μH，功率模块采用Semikron公司的SKiiP 1814GB17E4-3DUW。
根据上述全功率变流器的参数，建立的Matlab/Simulink 3MW鼠笼式发电机组仿真平台上。为了能够体现基于虚拟桥臂控制的重构控制的过程，仿真中变流器共分为三种工况，如图4所示(图中的A1、B1、C1表示第一子变流器的三个相，A2、B2、C2表示第二子变流器的三个相，阶段1、阶段2、阶段3表示不同的工况，分别对应工况一、工况二、工况三，“X”表示子变流器的该相桥臂发生故障)：
(1)工况一：0.7s以前，所有变流器单元均正常工作；
(2)工况二：0.7s，第一子变流器的A相故障；
(3)工况三：0.75s，第二子变流器的B相故障。
依照图4的变流器各相桥臂的状态曲线，变流器重构控制的各电流波形如图5所示：
(1)当第一子变流器的A相故障后，第二子变流器的A相电流变为原来的两倍，其余各相桥臂的电流保持不变。
(2)当第二子变流器的B相故障后，第一子变流器的B相电流变为原来的两倍，其余各相桥臂的电流保持不变。
(3)该控制策略下，电流响应速度快，仅为1个工频电流周期。
基于虚拟桥臂控制的故障重构控制技术，可以在多个相桥臂单元发生故障时，使得变流器可以继续运行，提高了变流器的可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建由n个子变流器系统级并联构成的并联型变流器的各相桥臂的状态函数，并将状态函数的值与桥臂单元状态进行关联；其中，n为大于1的正整数；
步骤2：通过电压外环调节器得到并联型变流器的总电流给定指令，并通过坐标变换得到并联型变流器在三相静止坐标系下的各相电流指令；
步骤3：通过状态函数和三相静止坐标系下的各相电流指令计算得到各子变流器的各相桥臂电流指令；
步骤4：通过PR调节器，得到各相桥臂的初始电压调制指令；
步骤5：根据各相桥臂的状态函数对初始电压调制指令进行修正，利用正常桥臂的状态来虚拟故障桥臂的状态，实现虚拟桥臂的控制；
其中，所述步骤3包括：通过电压外环调节器得到并联型变流器的总电流给定指令记为其中k＝a,b,c；各子变流器的各相桥臂电流指令的计算公式如下：
k＝a,b,c；j＝1,2…n；Hkj表示第j个子变流器的k相桥臂的状态，其中k＝a,b,c；j＝1,2…n；a、b、c分别表示三相交流电的三相；
所述步骤4中的PR调节器能够在指定的频率处提供无穷大的增益，从而实现特定频率的无静差控制，通过PR调节器得到各相桥臂的电压调制指令记为：umkj，umkj表示变流器单元j的k相的初始电压调制指令，u'mkj表示变流器单元j的k相的重构控制下的电压调制指令，其中k＝a,b,c；j＝1,2…n，um整体表示调制电压；
当桥臂单元处于正常状态时，u'mkj＝umkj；
当桥臂单元处于故障状态时，且k＝a,b,c；j＝1,2…n。
2.根据权利要求1所述的并联型变流器基于虚拟桥臂控制的故障重构方法，其特征在于，所述步骤1中的各相桥臂的状态函数记为Hkj，Hkj表示第j个子变流器的k相桥臂的状态，其中k＝a,b,c；j＝1,2…n；a、b、c分别表示三相交流电的三相；
当桥臂单元处于正常状态时，Hkj＝1；
当桥臂单元处于故障状态时，Hkj＝0。
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