CN107332454A - 并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法及系统 - Google Patents
并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法及系统，包括：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；计算并联型三电平变流器的功率因数角；根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。本发明通过变流器本身的控制技术实现外管开路故障的容错控制，不需要增加任何辅助设备；不改变并联变流器系统的输出外特性；响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及并联变流器控制技术领域，尤其涉及并联三电平变流器开路故障容错控制技术及实现及系统。
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，海上风电机组大容量化是发展趋势。高可靠性是对海上风电变流器最基本的要求，多变换器并联运行的方式可以大幅提高风电变流器的可靠性，所以海上风电变流器一般采用多变换器并联的方式实现。
从单个变换器的拓扑结构上看，相比较两电平拓扑，三电平拓扑具有更多优点，随着控制技术的成熟，三电平拓扑不仅在中压领域，在低压领域也普遍应用。对于三电平拓扑，内外管的工作频率差异较大，外管处于高频切换状态，內管则处于常开通或常关断状态。外管开关状态的频繁切换使得外管更易发生开路故障。传统容错控制策略一般直接切除故障变换器，并联变流器进入降功率运行模式，这种容错控制简单却降低了并联系统的可用度。因此需要提出新的开路故障容错控制策略，提高并联变流器的可用度。
目前，国内外针对三电平变流器的外管开路故障容错控制方法主要有通过利用冗余开关状态、优化开关序列实现开路故障容错控制，但降低了直流母线的电压利用率；通过d轴电流注入消除外管开路导致的电流畸变和转矩波动，但注入d轴电流会改变系统的功率因数。
公开号为CN104578865A的发明专利公开了一种三电平四桥臂T型容错变流器及其控制方法，该发明基于冗余桥臂实现变流器故障后的容错控制。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。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。但是，冗余桥臂、双向开关增加系统成本和复杂度，并不适用于大功率风电应用场合。
公开号为104578863A的发明专利公开了一种高容错性的三电平电路，该发明在常规三电平拓扑中增加四个辅助开关管，使得任何主开关管出现故障(短路或开路)的时候可以保证正常三电平输出，同时增加两个保险丝来保护短路故障下的正常输出。但是，该方法使得电路中的功率器件数量增加了一倍，大大增加了系统的成本与复杂度，不适合大功率应用场合，由于功率器件数量较多，一定程度上降低了系统的可靠性。
论文Lee J,Lee K.Open-Switch Fault Tolerance Control for a Three-LevelNPC/T-Type Rectifier in Wind Turbine Systems[J].IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2015,62(2):1012-1021.针对风力发电系统的机侧变换器的工作特点，提出一种d轴电流注入的三电平整流器开路故障容错控制方法。通过注入d轴电流，避免电流流经发生开路故障的器件，从而消除外管开路导致的电流畸变和转矩波动，但注入d轴电流会改变系统的功率因数，影响了变流器的输出外特性。
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三电平变流器的外管开路故障容错控制方法及系统。
根据本发明提供的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，包括：
步骤1：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；
步骤2：计算并联型三电平变流器的功率因数角；
步骤3：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；
步骤4：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。
优选的，通过电压外环调节器获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令。
优选的，计算并联型三电平变流器的功率因数角包括：
发电机反电动势es，定子电流is相位角为零，幅值分别为Es、Is，发电机端电压us的相位角为θ，幅值为Us，Ls、Rs分别为发电机定子电感和电阻，ωs为转子电气角频率，Z为发电机复阻抗，j为复阻抗虚部单位；
由上式可得相位角θ，即功率因数角
优选的，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小包括：
变换器1的无功电流
变换器2的无功电流
此时，并联型三电平变流器的总无功电流isq为并联型三电平变流器的总有功电流。
优选的，需注入的无功环流还包括并联型三电平变流器的系统容量约束条件：
irated为并联型三电平变流器的额定电流，id,max为并联型三电平变流器无功电流最大值，isq1为变换器1的有功电流。
根据本发明提供的一种并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，包括：
有功功率指令获取模块：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；
功率因数角计算模块：计算并联型三电平变流器的功率因数角；
无功环流计算模块：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；
无功功率指令更新模块：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。
优选的，所述有功功率指令获取模块包括电压外环调节器。
优选的，计算并联型三电平变流器的功率因数角包括：
发电机反电动势es，定子电流is相位角为零，幅值分别为Es、Is，发电机端电压us的相位角为θ，幅值为Us，Ls、Rs分别为发电机定子电感和电阻，ωs为转子电气角频率，Z为发电机复阻抗，j为复阻抗虚部单位；
由上式可得相位角θ，即功率因数角
优选的，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小包括：
变换器1的无功电流
变换器2的无功电流
此时，并联型三电平变流器的总无功电流isq为并联型三电平变流器的总有功电流。
优选的，需注入的无功环流还包括并联型三电平变流器的系统容量约束条件：
irated为并联型三电平变流器的额定电流，id,max为并联型三电平变流器无功电流最大值，isq1为变换器1的有功电流。
本发明是针对并联型三电平变流器，基于无功环流注入使得故障变流器工作在单位功率因数状态，实现三电平变换器外管开路故障的容错控制。与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1、通过变流器本身的控制技术实现外管开路故障的容错控制，不需要增加任何辅助设备；
2、不改变并联变流器系统的输出外特性；
3、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为并联型三电平变流器的系统结构示意图；
图2为外管开路故障对电流路径的影响示意图；
图3为无功环流注入容错控制下的电压电流示意图；
图4为永磁同步发电机单相电路模型；
图5为本发明的流程图；
图6至图8为Sa1开路故障下的三相电流波形；
图9为Sa1开路故障下A1相的电压电流波形；
图10至图12为采用本发明基于无功环流的容错控制下Sa1开路故障时三相电流波形。
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。
本发明是针对并联型三电平变流器提出一种基于无功环流注入的三电平变换器外管开路故障容错控制方法，在并联变流器内部精确注入无功环流，使得故障变流器工作在单位功率因数状态，消除外管开路故障引起的电流畸变和转矩脉动，提升系统的容错性能。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，控制灵活度高。
并联型变流器是指几个独立的三相电压源变换器(VSC)共用交流母线组成的系统，如图1所示，每个变换器可独立地进行有功、无功电流解耦控制。
三电平拓扑的外管为Sx1、Sx4，其开路故障会导致开路故障下会造成区域I、III内的电流路径的缺失从而导致输出电流畸变，如图2所示。因此，只要避免故障变流器运行在区域I、III内，就可以实现外管开路故障的容错控制。
对于并联型三电平NPC变流器，其电流is1＝is2，假设变流器1的Sx1或Sx4开路故障，在变流器内部注入无功环流isd1＝-isd2，则故障变流器1、正常变流器2的电流分别变为isf、ish，基于无功环流的容错控制下的电压电流示意图如图3所示。通过在并联变流器内部注入无功环流，故障变流器1的运行区域I、III消除了，正常变流器2的运行区域I、III扩展了。
由图3可知，为了消除故障变流器1的运行区域I、III，需要精准注入无功环流，过多或过少的无功环流都会使得运行区域I、III的继续存在，这样就不能消除外管开路故障导致的电流畸变。
永磁同步发电机、机侧变流器的单相电路模型如图4所示，假设永磁发电机反电动势es，定子电流is相位角为零，幅值分别为Es、Is，发电机端电压us的相位角为θ，幅值为Us，Ls、Rs分别为发电机定子电感和电阻，ωs为转子电气角频率，Z为发电机复阻抗，j为复阻抗虚部单位，则
由上式可得相位角θ，即功率因数角
因此，并联变流器内部注入的无功环流为：
变换器1的无功电流
变换器2的无功电流
此时，并联型三电平变流器的总无功电流isq为并联型三电平变流器的总有功电流。无功环流的注入并不改变系统功率因数。
在该容错控制策略中，注入的无功环流还需要考虑变流器的系统容量约束条件：
irated为并联型三电平变流器的额定电流，id,max为并联型三电平变流器无功电流最大值，isq1为变换器1的有功电流。
通过在并联变流器内部精确注入无功环流，使得故障变流器工作在单位功率因数状态，消除外管开路故障引起的电流畸变和转矩脉动，提升系统的容错性能。
如图5所示，本方法具体实现的步骤如下：
步骤1：电压外环调节器获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；
步骤2：计算并联型三电平变流器的功率因数角；
步骤3：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；
步骤4：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。
由图6可知，0.8s时以变流器1的外管Sa1发生开路故障，由于此时A1相电流为负，并未流过开路器件，因此不会立即影响三相电流，但在下一个电流由正到负的过零点后，变流器进入图2所示的运行区域III，电流路径因Sa1开路故障而缺失，部分负向电流变为零，使得A1相电流发生畸变，同时影响其余两相、变换器2的三相电流，分别如图7、图8所示。
从图9可以看出，外管Sa1开路故障下，故障变换器的电流超前电压，只要注入适当的无功电流，就可以使得故障变流器工作在单位功率因数状态，从而消除外管开路造成的电流畸变。
由图10可知，0.85s时开始容错控制，故障变流器1中注入无功环流，注入的无功电流幅值180A,消除了A1相电流由正到负过零点后的电流畸变，如图11、图12所示,由于无功环流的注入，使得变流器1、2的电流幅值都有一定的增加，由于注入的无功电流只在并联变流器内部流动，并不影响系统的d轴电流大小，此时永磁同步发电机仍然处于零d轴电流控制。
根据上述并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，本实施例另提供一种并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，包括：
有功功率指令获取模块：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；
功率因数角计算模块：计算并联型三电平变流器的功率因数角；
无功环流计算模块：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；
无功功率指令更新模块：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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 (10)
1.一种并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；
步骤2：计算并联型三电平变流器的功率因数角；
步骤3：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；
步骤4：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。
2.根据权利要求1所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，其特征在于，通过电压外环调节器获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令。
3.根据权利要求1所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，其特征在于，计算并联型三电平变流器的功率因数角包括：
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发电机反电动势es，定子电流is相位角为零，幅值分别为Es、Is，发电机端电压us的相位角为θ，幅值为Us，Ls、Rs分别为发电机定子电感和电阻，ωs为转子电气角频率，Z为发电机复阻抗，j为复阻抗虚部单位；
由上式可得相位角θ，即功率因数角
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4.根据权利要求3所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，其特征在于，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小包括：
变换器1的无功电流
变换器2的无功电流
此时，并联型三电平变流器的总无功电流isq为并联型三电平变流器的总有功电流。
5.根据权利要求4所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，其特征在于，需注入的无功环流还包括并联型三电平变流器的系统容量约束条件：
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irated为并联型三电平变流器的额定电流，id,max为并联型三电平变流器无功电流最大值，isq1为变换器1的有功电流。
6.一种并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，其特征在于，包括：
有功功率指令获取模块：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；
功率因数角计算模块：计算并联型三电平变流器的功率因数角；
无功环流计算模块：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；
无功功率指令更新模块：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。
7.根据权利要求6所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，其特征在于，所述有功功率指令获取模块包括电压外环调节器。
8.根据权利要求6所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，其特征在于，计算并联型三电平变流器的功率因数角包括：
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发电机反电动势es，定子电流is相位角为零，幅值分别为Es、Is，发电机端电压us的相位角为θ，幅值为Us，Ls、Rs分别为发电机定子电感和电阻，ωs为转子电气角频率，Z为发电机复阻抗，j为复阻抗虚部单位；
由上式可得相位角θ，即功率因数角
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9.根据权利要求8所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，其特征在于，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小包括：
变换器1的无功电流
变换器2的无功电流
此时，并联型三电平变流器的总无功电流isq为并联型三电平变流器的总有功电流。
10.根据权利要求9所述的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制系统，其特征在于，需注入的无功环流还包括并联型三电平变流器的系统容量约束条件：
<mrow>
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<mn>1</mn>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
irated为并联型三电平变流器的额定电流，id,max为并联型三电平变流器无功电流最大值，isq1为变换器1的有功电流。
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