CN113629760A - 一种风电变流器硬件容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电变流器硬件容错控制方法，属于变流器技术领域。该方法包含如下步骤：S1：实现RSC开路时由三相六开关向三相四开关工作模式的转换，并推导出三相四开关拓扑下的转子电压空间矢量；S2：实现正常运行时三相四开关空间矢量调制SVM算法到容错拓扑时三相四开关SVM算法的控制模型转换；S3：通过对比比脉冲宽度调制PWM采样时刻与电压矢量已作用时间累积和的大小来判断是否输出下一个矢量状态；S4：通过补偿转子参考电压矢量的电压偏移建立电容电压非平衡情况下的三相四开关容错控制SVM算法。本发明弥补了RSC故障扇区无法软件容错补偿的局限性，容错后的系统稳定运行，降低了系统机械损伤与脱网运行的几率。

Description

一种风电变流器硬件容错控制方法

技术领域

本发明属于变流器技术领域，涉及一种风电变流器硬件容错控制方法。

背景技术

变流器作为双馈风电机组(Doubly-fed Wind Turbine，DFWT)的重要组成部分，其功率器件开路故障导致的DFWT输出电压电流及功率波动，严重威胁着DFWT的稳定运行。而容错控制可在设备发生故障后，根据故障诊断结果，重新配置变流器拓扑结构或切换控制策略，实现故障的自我隔离，使其在设备不停机的状况下得以继续运行，从而提高了DFWT并网运行的稳定性。

现有风电变流器容错控制研究主要有软件容错与硬件容错两种。软件容错因其控制简单且成本较低的优势而备受青睐，然而其对故障矢量扇区的补偿作用仅对整流器有效，对逆变器则不再适用，存在较大的应用局限性。考虑到DFWT背靠背变流器具有同时存在整流与逆变两种工作状态的特殊性，有必要进一步研究风电变流器基于拓扑重构的硬件容错控制策略。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风电变流器硬件容错控制方法。通过使用双向晶闸管将RSC三相各桥臂分别和直流母线电压中点相连的方法实现RSC开路时由三相六开关向三相四开关工作模式的转换，并推导出三相四开关拓扑下的转子电压空间矢量，进而建立起三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系。通过对比PWM采样时刻与电压矢量已作用时间累积和的大小来判断是否输出下一个矢量状态，建立了当RSC上下桥臂两串电容电压均衡时的三相四开关SVM算法。考虑到上下桥臂两电容电压失衡对变流器空间矢量控制效果的影响，详细推导了直流母线电容间电压不平衡时的SVM计算公式，并提出了一种有效补偿不平衡电压的方法，从而建立电容电压非平衡情况下的三相四开关容错控制算法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风电变流器硬件容错控制方法，该方法包括如下步骤：

S1：通过使用双向晶闸管将RSC三相各桥臂分别和直流母线电压中点相连的方法实现 RSC开路时由三相六开关向三相四开关工作模式的转换，并推导出三相四开关拓扑下的转子电压空间矢量；

S2：通过建立三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系，构建RSC三相四开关电压矢量图，并通过矢量合成获取零电压矢量，实现正常运行时三相六开关SVM算法到容错拓扑时三相四开关SVM算法的控制模型转换；

S3：通过对比PWM采样时刻与电压矢量已作用时间累积和的大小来判断是否输出下一个矢量状态，建立了当RSC上下桥臂两串电容电压均衡时的三相四开关SVM算法；

S4：考虑到上下桥臂两电容电压失衡对变流器空间矢量控制效果的影响，通过补偿转子参考电压矢量的电压偏移建立电容电压非平衡情况下的三相四开关容错控制SVM算法。

可选的，所述S1具体包含如下步骤：

S11：RSC三相各桥臂分别通过双向晶闸管与直流母线电压中点相连构建三相四开关容错拓扑，RSC正常运行时，晶闸管处于关闭状态，当RSC功率器件开路时，对应故障相的晶闸管则被触发导通，由原来的三相六开关切换至三相四开关工作模式；

S12：当RSC处于三相四开关容错拓扑工作模式时，推导得到转子电压的空间矢量为：

若不考虑定子绕组，则有：

式中，Z为转子绕组各相阻抗，u_AO、u_BO、u_CO分别为转子绕组各相相电压。

可选的，所述S2具体包含如下步骤：

S21：根据导通模态下的各相相电压，结合基尔霍夫电压定律，得到用开关函数s_rb、s_rc表示的各相电压：

通过恒幅值变换和3s/2s坐标变换，得到三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系：

式中，s_rb、s_rc表示b、c两相桥臂功率器件开关函数；

S22：继而构建RSC三相四开关电压矢量图，分别标为I、II、III、VI扇区，其中扇区I有0≤θ<π/2，扇区II有π/2≤θ<π，扇区III有－π≤θ<－π/2，扇区IV有－π/2≤θ<0，通过矢量合成的方法获取缺需的零电压矢量；

式中，T₁、T₂分别表示基本电压矢量u_r1(00)、u_r2(10)作用时间，T₀表示合成零矢量u_r0作用时间，T_s表示载波周期；

通过电压空间矢量线性调制的约束条件：

T₁+T₂≤T_s

得到三相四开关SVM调制下的输出相电压的最大峰值：

可选的，所述S3具体包含如下步骤：

S31：通过参考电压矢量u_ref与α轴夹角θ确定u_ref所在扇区；

S32：计算各基本矢量作用顺序以及时间分配；

S33：计算矢量状态切换时间点并进行比较。

可选的，所述S4中，RSC转子侧各相电压与开关函数的表达式为：

电容电压不平衡时有：

当RSC切除故障相连接至直流母线电压中点时，此时电压波动量ΔU为：

通过补偿消除u_ra分量上的电容电压波动量，补偿后的转子电压参考矢量为：

可选的，所述S32中，根据正弦定理，计算扇区I中电压矢量状态作用时间为：

因为|u_r1|＝U_dc/3、|u_r2|＝U_dc/√3，由此得各矢量状态作用时间：

其中m_r定义为SVM调制系数，且有m_r＝√3|u_ref|/U_dc；

则零电压矢量作用的时间为：

T₀＝T_s-(T₁+T₂)。

可选的，所述S33中，扇区I的状态矢量切换时刻为：

式中，T_hb和T_hc分别为b相和c相桥臂开关状态切换时刻。

本发明的有益效果在于：本发明相比三相六开关拓扑，不仅弥补了RSC故障扇区无法软件容错补偿的局限性，而且容错后的系统可稳定运行，降低了系统机械损伤与脱网运行的几率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所提出的基于风电变流器IGBT器件开路故障的三相四开关硬件容错控制策略实现流程框图；

图2为本发明RSC当R1发生开路故障且a相故障容错后的拓补图；

图3为本发明RSC当a相故障容错后的四种导通模态等效电路图；(a)为S_rbS_rc＝00；(b)为S_rbS_rc＝10；(c)为S_rbS_rc＝11；(d)为S_rbS_rc＝01；

图4为本发明RSC三相四开关的电压矢量图；

图5为本发明RSC考虑电容电压非平衡的等效电路图；

图6为本发明当RSC的R1开路故障时半容错DFWT输出波形图；

图7为本发明当RSC的R1开路故障时容错前后DFWT输出波形图；

图8为本发明当RSC的R1和R2开路故障时容错前后DFWT输出波形图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例选用某单台容量为1.5MW的DFWT进行容错控制仿真分析，在以本发明技术方案为前提下进行实验，给出了详细的实施方案和具体的操作过程。

图1所示为本发明所述方法的具体计算模型，本发明的目的在于提供一种三相四开关硬件容错控制方法，该策略通过使用双向晶闸管将RSC三相各桥臂分别和直流母线电压中点相连的方法实现RSC开路时三相四开关硬件重构拓扑。通过对比PWM采样时刻与电压矢量已作用时间累积和的大小来判断是否输出下一个矢量状态，建立了当RSC上下桥臂两串电容电压均衡时的三相四开关SVM算法。通过补偿不平衡电压建立了电容电压非平衡情况下的三相四开关容错控制算法。具体包括以下步骤：

S1：通过使用双向晶闸管将RSC三相各桥臂分别和直流母线电压中点相连的方法实现 RSC开路时由三相六开关向三相四开关工作模式的转换，并推导出三相四开关拓扑下的转子电压空间矢量；

S2：通过建立三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系，构建RSC三相四开关电压矢量图，并通过矢量合成获取零电压矢量，实现正常运行时三相六开关SVM算法到容错拓扑时三相四开关SVM算法的控制模型转换；

S3：通过对比PWM采样时刻与电压矢量已作用时间累积和的大小来判断是否输出下一个矢量状态，建立了当RSC上下桥臂两串电容电压均衡时的三相四开关SVM算法；

S4：考虑到上下桥臂两电容电压失衡对变流器空间矢量控制效果的影响，通过补偿转子参考电压矢量的电压偏移建立电容电压非平衡情况下的三相四开关容错控制SVM算法。

进一步，步骤S1实现RSC开路时三相四开关硬件重构拓扑具体为：

S11：RSC三相各桥臂分别通过双向晶闸管与直流母线电压中点相连构建三相四开关容错拓扑，RSC正常运行时，晶闸管处于关闭状态。如图2所示，当RSC功率器件R1发生开路故障，此时a相故障桥臂被切除接至直流母线电压中点处，RSC仅剩下b、c两相桥臂可控，RSC功率器件由原来的三相六开关切换至三相四开关工作模式。

S12：当RSC处于三相四开关容错拓扑工作模式时，推导得到转子电压的空间矢量为：

若不考虑定子绕组，则有：

式中，Z为转子绕组各相阻抗，u_AO、u_BO、u_CO分别为转子绕组各相相电压。

因此，三相四开关拓扑下的空间转子电压与转子气隙磁链均是幅值为(ZI_r+E)，且以绕组中性点O为参考点的圆形旋转矢量。

进一步，步骤S2推导三相四开关拓扑下的转子电压空间矢量具体为：

RSC功率器件容错后只有b、c两相的四个可控功率器件，与正常的三相六开关拓扑相比，其有效开关状态由8个减少至4个。b、c两相桥臂功率器件开关函数分别以s_rb、s_rc表示，开关函数为1表示上桥臂导通，0则表示下桥臂导通。则三相四开关对应的导通模式分别为(0 0)、(10)、(11)和(01)，对应的等效电路分别如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

S21：根据图3(a)、(b)、(c)、(d)下的各相相电压，结合基尔霍夫电压定律，得到用开关函数s_rb、s_rc表示的各相电压：

通过恒幅值变换和3s/2s坐标变换，得到三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系：

式中，s_rb、s_rc表示b、c两相桥臂功率器件开关函数。

S22：继而构建RSC三相四开关电压矢量图，如图4所示，三相四开关因仅有四个有效电压矢量，故其矢量图为一个菱形，将四个象限标为I、II、III、VI扇区，通过矢量合成的方法获取缺需的零电压矢量。

式中，T₁、T₂分别表示基本电压矢量u_r1(00)、u_r2(10)作用时间，T₀表示合成零矢量u_r0作用时间，T_s表示载波周期。

通过电压空间矢量线性调制的约束条件：

T₁+T₂≤T_s

得到三相四开关SVM调制下的输出相电压的最大峰值：

因此，与三相六开关相比，直流母线电压利用率减半，输出电压幅值也相应减半。

进一步，步骤S3实现RSC上下桥臂两串电容电压均衡时三相四开关SVM算法的具体步骤如下：

S31：通过参考电压矢量u_ref与α轴夹角θ确定u_ref所在扇区。

S32：计算各基本矢量作用顺序以及时间分配。

根据正弦定理，计算扇区I中电压矢量状态作用时间为：

因为|u_r1|＝U_dc/3、|u_r2|＝U_dc/√3，由此得各矢量状态作用时间：

其中m_r定义为SVM调制系数(调制比)，且有m_r＝√3|u_ref|/U_dc。

则零电压矢量作用的时间为：

T₀＝T_s-(T₁+T₂)

S33：计算矢量状态切换时间点并进行比较。

扇区I的状态矢量切换时刻为：

式中，T_hb和T_hc分别为b相和c相桥臂开关状态切换时刻。

进一步，步骤S4实现考虑电容电压非平衡的三相四开关SVM算法具体步骤如下：

实际情形中，RSC功率器件故障后，其故障相被隔离切换至直流母线电压中点，上下两串联电容的充放电状态相反，这必然将导致两电容电压失衡，此时假设中间两电容电压偏差为ΔU，电容C_d1、C_d2两端电压分别为U_dc/2+ΔU、U_dc/2+ΔU，以开关状态s_rbs_rc＝00为例进行分析，此时的等效电路如图5所示。

因此，步骤S4中所述的RSC转子侧各相电压与开关函数的表达式为：

电容电压不平衡时有：

当RSC切除故障相连接至直流母线电压中点时，此时电压波动量ΔU为：

通过补偿消除u_ra分量上的电容电压波动量，补偿后的转子电压参考矢量为：

为了验证所提三相四开关容错控制策略的有效性，依据RSC功率器件开路故障诊断结果，对单台容量为1.5MW的DFWT，以RSC的a相单管与双管开路故障为例进行仿真分析。RSC 功率器件R1正常、故障、容错三种状态下的电流矢量及DFWT输出变量的波形如图6-8所示。

由图6所知，当把a相故障桥臂隔离切换至直流母线电压中点时，使RSC处于开路故障后拓扑重构但SVM调制策略未改变的“半容错”模式下此时转子三相电流虽未出现半波缺失现象，但出现了电流缺相，此时系统输出变量也均不稳定。可知三相四开关容错不仅需要改变拓扑结构，对控制算法也需做出相应的调整。

由图7所知，当RSC由原来的三相六开关结构切换至三相四开关模式，同时将三相六开关调制策略更改至三相四开关调制后，虽在容错控制切换时刻，直流母线电压会产生瞬时的跌落，但最终系统可降性能地稳定运行，同时转子电流波形恢复成三相对称正弦波，其电流矢量轨迹也由故障时的半圆恢复至完整的圆形。

为比较单管与单相故障容错效果相同与否，对RSC功率器件R1和R2同时开路进行了仿真分析，如图8所示。当R1和R2同时开路时，转子电流矢量轨迹由正常时的圆缺失至一条线，而当其运行至三相四开关容错模式下，此时电流矢量轨迹又恢复至圆形，同时系统也能稳定运行，与单管故障容错不同之处在于，单相故障容错控制切换时直流母线电压不会短暂跌落，对系统造成的冲击更平缓，但转子电流在切换瞬间出现了短暂的冲击。

综上可知，虽然三相四开关容错模式下DFWT输出容量减小，牺牲了DFWT部分电气性能，但DFWT最终可稳定运行，与故障时相比，容错后可降低DFWT机械损伤与脱网运行的几率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1：通过使用双向晶闸管将RSC三相各桥臂分别和直流母线电压中点相连的方法实现RSC开路时由三相六开关向三相四开关工作模式的转换，并推导出三相四开关拓扑下的转子电压空间矢量；

S2：通过建立三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系，构建RSC三相四开关电压矢量图，并通过矢量合成获取零电压矢量，实现正常运行时三相六开关SVM算法到容错拓扑时三相四开关SVM算法的控制模型转换；

S3：通过对比PWM采样时刻与电压矢量已作用时间累积和的大小来判断是否输出下一个矢量状态，建立了当RSC上下桥臂两串电容电压均衡时的三相四开关SVM算法；

S4：考虑到上下桥臂两电容电压失衡对变流器空间矢量控制效果的影响，通过补偿转子参考电压矢量的电压偏移建立电容电压非平衡情况下的三相四开关容错控制SVM算法。

2.根据权利要求1所述的一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：所述S1具体包含如下步骤：

S11：RSC三相各桥臂分别通过双向晶闸管与直流母线电压中点相连构建三相四开关容错拓扑，RSC正常运行时，晶闸管处于关闭状态，当RSC功率器件开路时，对应故障相的晶闸管则被触发导通，由原来的三相六开关切换至三相四开关工作模式；

S12：当RSC处于三相四开关容错拓扑工作模式时，推导得到转子电压的空间矢量为：

若不考虑定子绕组，则有：

式中，Z为转子绕组各相阻抗，u_AO、u_BO、u_CO分别为转子绕组各相相电压。

3.根据权利要求2所述的一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：所述S2具体包含如下步骤：

S21：根据导通模态下的各相相电压，结合基尔霍夫电压定律，得到用开关函数s_rb、s_rc表示的各相电压：

通过恒幅值变换和3s/2s坐标变换，得到三相四开关结构下的电压空间矢量与其开关函数的关系：

式中，s_rb、s_rc表示b、c两相桥臂功率器件开关函数；

S22：继而构建RSC三相四开关电压矢量图，分别标为I、II、III、VI扇区，其中扇区I有0≤θ<π/2，扇区II有π/2≤θ<π，扇区III有－π≤θ<－π/2，扇区IV有－π/2≤θ<0，通过矢量合成的方法获取缺需的零电压矢量；

式中，T₁、T₂分别表示基本电压矢量u_r1(00)、u_r2(10)作用时间，T₀表示合成零矢量u_r0作用时间，T_s表示载波周期；

通过电压空间矢量线性调制的约束条件：

T₁+T₂≤T_s

得到三相四开关SVM调制下的输出相电压的最大峰值：

4.根据权利要求3所述的一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：所述S3具体包含如下步骤：

S31：通过参考电压矢量u_ref与α轴夹角θ确定u_ref所在扇区；

S32：计算各基本矢量作用顺序以及时间分配；

S33：计算矢量状态切换时间点并进行比较。

5.根据权利要求4所述的一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：所述S4中，RSC转子侧各相电压与开关函数的表达式为：

电容电压不平衡时有：

当RSC切除故障相连接至直流母线电压中点时，此时电压波动量ΔU为：

通过补偿消除u_ra分量上的电容电压波动量，补偿后的转子电压参考矢量为：

6.根据权利要求4所述的一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：所述S32中，根据正弦定理，计算扇区I中电压矢量状态作用时间为：

因为|u_r1|＝U_dc/3、|u_r2|＝U_dc/√3，由此得各矢量状态作用时间：

其中m_r定义为SVM调制系数，且有m_r＝√3|u_ref|/U_dc；

则零电压矢量作用的时间为：

T₀＝T_s-(T₁+T₂)。

7.根据权利要求4所述的一种风电变流器硬件容错控制方法，其特征在于：所述S33中，扇区I的状态矢量切换时刻为：

式中，T_hb和T_hc分别为b相和c相桥臂开关状态切换时刻。

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