基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，结合系统运行情况调整d轴给定电流；选择扇区划分方式进行扇区划分；确定故障开关管对各扇区的影响及故障前后基本电压矢量的变化；确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；确定三相开关管的导通时间；将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成d轴电流注入容错控制。本发明专利技术通过改变发电机d轴注入电流来改变故障相电流零电流箍位区间的大小和相位，从而减小故障开关管对系统带来的影响，改善故障后机侧变流器的性能。

【技术实现步骤摘要】
基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法
本专利技术涉及一种基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，属于功率变换与控制领域。
技术介绍
作为风力发电系统的关键与核心，变流器系统的故障或功能丧失会严重威胁重大装备整体运行性能，甚至带来致命性影响，导致灾难性事故。因此，建立高可靠度、强容错性能的风力发电系统系统，避免因变流器故障造成的系统二次故障，具有重要的理论和现实意义，对于国民经济建设和国防安全具有战略性影响。现有的机侧PWM变流器容错方式分为硬件容错控制和软件容错控制两大类，其中软件容错的方式能够在开关管发生故障时，通过改变系统运行策略和控制参数，对故障进行容错处理，不需要改变系统现有硬件布局和添加冗余部件，利用未故障器件将系统最大程度恢复到故障前的运行状态。中国专利201510277790.2提出了三相桥式PWM整流器的容错控制方法，通过修正开关模式，对参考压矢量实现修正，实现整流器的容错运行。上述方法并未针对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，在不受开关管故障的扇区也进行了补偿，属于过补偿。论文《基于NCAV和电路等效替换的PWM整流器容错控制系统》提出了基于等效电路的PWM整流器的容错控制方法，该方法也没有针对故障开关管对每个扇区的影响进行精准的补偿，并且在多个故障矢量共同影响的扇区，并未进行补偿，属于欠补偿。论文《一种基于空间矢量控制的整流器容错控制方法》提出了一种基于空间矢量的整流器容错控制方法，该方法没有建立统一的扇区划分函数，无法实现对多个桥臂开关管故障进行容错控制，虽然可以实现单个开关管精确补偿，但未考虑故障开关管对系统的负面影响，容错控制的效果不是最佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，减小了故障开关管对系统带来的影响，改善了故障后机侧变流器的性能。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，包括如下步骤：步骤1、根据系统运行状态，调整d轴电流给定值；步骤2、选择扇区划分方式，进行扇区划分；步骤3、根据故障开关管的位置，确定故障开关管对各扇区的影响及故障前后基本电压矢量的变化；步骤4、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；步骤5、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；步骤6、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况，确定三相开关管的导通时间；步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成d轴电流注入容错控制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术通过改变基准值来改变定子电流矢量Is与参考电压矢量V*ref之间的夹角，改善了故障开关管所造成的零电流箍位现象，提升了故障开关管的容错控制效果；2)本专利技术只需修改主控制器中的软件算法，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成本。附图说明图1是本专利技术直驱式风力发电机机侧变流器系统的d轴电流注入容错控制框图。图2是本专利技术三相两电平PWM整流器主电路的拓扑示意图。图3是本专利技术基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法的流程图。图4是本专利技术α、β两相静止坐标系中的八扇区基本空间电压矢量图。图5是本专利技术α、β两相静止坐标系中的十二扇区基本空间电压矢量图。图6是本专利技术机侧变流器S1管故障在八扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图7是本专利技术机侧变流器S1、S4双管故障在八扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图8是本专利技术机侧变流器S1管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图9是本专利技术机侧变流器S1、S3双管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图10是本专利技术机侧变流器S1、S4双管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图11是本专利技术机侧变流器S1、S6双管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图12是本专利技术机侧变流器S1、S3、S5三管故障在十二扇区划分模式下受故障开关管影响的扇区分布示意图。图13是本专利技术机侧变流器S1管故障在十二扇区划分模式下扇区Ⅶ的电压矢量合成图。图14是本专利技术机侧变流器S1管正常时扇区单周期PWM生成图。图15是本专利技术机侧变流器S1管故障在八扇区划分模式时容错控制、d轴电流注入容错控制两种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。图16是本专利技术机侧变流器S1管故障在十二扇区划分模式时容错控制、d轴电流注入容错控制两种状态下α、β两相静止坐标系的电流矢量轨迹图。图17是本专利技术机侧变流器S1管正常运行、故障运行、十二扇区容错运行、d轴电流注入容错控制四种状态下发电机转速波形图。图中标号说明：S1～S6机侧变流器中6个功率开关管，D1～D6机侧变流器6个续流二极管，F1～F6机侧变流器6个快速熔断器，La,Lb,Lc为发电机定子绕组等效电感，ua,ub,uc为发电机等效电压源。C为直流侧稳压电容。三相电流ia,ib,ic为永磁同步发电机产生的三相电流，vw为自然风速大小，ωm为永磁同步发电机角速度，θ为三相电流电角度，id,iq为dq两相旋转坐标系下的电流反馈值，为dq两相旋转坐标系下的电流给定值，为电机转矩反馈值，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量。tf为开关管发生故障的时刻，tcom为对故障进行容错控制的时刻，tcom1为对故障进行d轴电流容错控制的时刻。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步说明本专利技术方案。图1是永磁直驱式风力发电机机侧变流器系统的d轴电流注入容错控制框图，图2给出了三相两电平PWM整流器主电路拓扑示意图，将发电机侧等效为三相电压源ua,ub,uc和定子电感La,Lb,Lc。在实际应用当中，功率开关管和与其反并联的二极管同时发生故障的概率极小，所以本专利技术只考虑功率开关管发生故障，默认与其反并联的二极管仍正常工作。当图2中的功率开关管(S1～S6)发生故障，主要包括开路故障和短路故障，短路故障可由串联的快速熔断器(F1～F6)转化为开路故障，其他故障可通过封闭故障开关管驱动脉冲信号转化为开路故障。综上所述，本专利技术针对功率开关管开路故障，提出d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，如图3所示，具体步骤如下：步骤1、根据系统运行状态，调整d轴电流给定值；由上式可知，由于转子磁链ψf仅与永磁体材料以及结构有关，定子等效电感值L也仅与发电机结构有关，电机运行稳定时几乎不变。当变流器系统运行稳定时，可以通过改变d轴电流给定值id*来控制定子电流矢量Is与参考电压矢量V*ref之间的夹角从而改变故障相电流零电流箍位区间的大小和相位，改善变流器系统的性能。同时，不同的变流器系统所需要注入的d轴电流值是不同的，根据上式来调整注入d轴电流值，以达到变流器系统需求。步骤2、选择扇区划分方式进行扇区划分，扇区划分方式包括八扇区和十二扇区两种，两种扇区划分的具体过程为：(1)如果采用八扇区划分方法，定义六个变量：式中，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量，由调整的d轴电流给定值决定。定义符号函数：式中，i＝A，B，C，D，E，F；由于a、b、c三个桥臂故障对应着不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据系统运行状态，调整d轴电流给定值；步骤2、选择扇区划分方式，进行扇区划分；步骤3、根据故障开关管的位置，确定故障开关管对各扇区的影响及故障前后基本电压矢量的变化；步骤4、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；步骤5、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；步骤6、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况，确定三相开关管的导通时间；步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成d轴电流注入容错控制。

【技术特征摘要】
1.基于d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据系统运行状态，调整d轴电流给定值；步骤2、选择扇区划分方式，进行扇区划分；步骤3、根据故障开关管的位置，确定故障开关管对各扇区的影响及故障前后基本电压矢量的变化；步骤4、确定各扇区的基本电压矢量，以及故障前基本电压矢量的作用时间；步骤5、根据受故障开关管影响的扇区、故障基本电压矢量的变化及故障前基本电压矢量的作用时间，调整受故障开关管影响扇区的基本电压矢量作用时间；步骤6、根据基本电压矢量的作用时间和扇区受故障开关管影响的情况，确定三相开关管的导通时间；步骤7、将开关管导通时间与三角载波进行调制，确定开关管PWM脉冲，确定开关管通断，完成d轴电流注入容错控制。2.根据权利要求1所述的d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，步骤1中，调整d轴电流给定值的具体方法为：式中，ψf为转子磁链，仅与永磁体材料以及结构有关；L为定子等效电感值，也仅与发电机结构有关；iq为q轴的电流反馈值，为定子电流矢量Is与参考电压矢量V*ref之间的夹角。3.根据权利要求1所述的d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，步骤2中，扇区划分方式包括八扇区和十二扇区两种，两种扇区划分的具体过程为：(1)采用八扇区划分方式定义六个变量：式中，Uα、Uβ为α、β两相静止坐标系下的电压分量；定义符号函数：式中，i＝A，B，C，D，E，F；由于a、b、c三个桥臂故障对应着不同划分扇区坐标系，为了能够精准的对故障扇区进行容错控制，这里定义三个扇区划分坐标系函数Na,Nb,Nc。令Na＝H(A)+H(B)+4H(C)+3H(D)令Nb＝4G(B)+3G(C)+G(D)+H(E)令Nc＝3H(B)+H(C)+4H(D)+H(F)通过表1确定计算值Na,Nb,Nc与实际扇区编号之间存在的对应关系表1计算值Na,Nb,Nc与扇区对应关系扇区编号ⅠⅡⅢⅣⅤⅣⅦⅧ计算值Na62437518计算值Nb24375618计算值Nc43756218根据α、β两相静止坐标系下的参考电压分量确定旋转参考矢量Vref*，，当旋转参考矢量Vref*旋转一周，得到计算值Na的变化顺序为：6→2→1→4→3→7→8；计算值Nb的变化顺序为2→1→4→3→7→8→5→6；计算值Nc的变化顺序为4→3→7→8→5→6→2→1；根据故障开关管的位置选择不同的扇区划分函数，当a相桥臂开关管故障选择扇区划分函数Na，通过Na的变化顺序确定实际扇区编号的变化顺序，即得八扇区的划分；当b相桥臂开关管故障选择扇区划分函数Nb，通过Nb的变化顺序确定实际扇区编号的变化顺序，即得八扇区的划分；当c相桥臂开关管故障选择扇区划分函数Nc，通过Nc的变化顺序确定实际扇区编号的变化顺序，即得八扇区的划分；(2)采用十二扇区划分方式定义六个变量：式中，Uα、Uβ为α、β两相静止坐标系下的电压分量；定义符号函数：式中，i＝A，B，C，D，E，F。令N＝sign(A)+sign(B)+2sign(C)+2sign(D)+4sign(E)+3sign(F)通过表2确定计算值N与实际扇区编号之间存在的对应关系；表2计算值N与扇区对应关系计算值N123456789101112扇区编号ⅧⅡⅢⅦⅣⅨⅫⅠⅩⅥⅤⅪ根据α、β两相静止坐标系下的参考电压分量确定旋转参考矢量Vref*，当旋转参考矢量Vref*旋转一周，计算值N的变化顺序为：8→4→2→1→3→6→5→9→11→12→10→7→8，即实际扇区编号的变化顺序，即得十二扇区的划分。4.根据权利要求1所述的d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，步骤3中，如果采用八扇区划分方式，则按照表3～5确定八个扇区中受故障开关管影响的扇区，即故障扇区；如果采用十二扇区划分方式，则按照表6确定十二个扇区中受故障开关管影响的扇区；表3八扇区a相桥臂开关管故障对应的受影响扇区表4八扇区b相桥臂开关管故障对应的受影响扇区表5八扇区c相桥臂开关管故障对应的受影响扇区表6十二扇区单个开关管故障对应的受影响扇区表中，灰色部分表示扇区受故障开关管影响，即故障扇区，白色部分表示扇区不受故障开关管影响，即正常扇区。5.根据权利要求1所述的d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，步骤3中，根据表7确定开关管故障前后基本电压矢量即故障零矢量和有效矢量的变化情况；表7单个开关管故障前后电压矢量变化表表中，将同一桥臂的上下开关状态设为互补的，即同一桥臂上桥臂导通则下桥臂必须关断，将这个状态记为1，同理，将同一桥臂上桥臂关闭，下桥臂导通的状态记为0，三个桥臂在同桥臂互补的前提下，有8种开关状态组合，“000”、“100”、“110”、“010”、“011”、“001”、“101”、“111”对应八个基本电压矢量，其中包括六个有效矢量和两个零矢量。6.根据权利要求1所述的d轴电流注入的机侧变流器容错控制方法，其特征在于，步骤4中，确定故障前各扇区基本电压矢量作用时间的具体方法为：首先，定义中间变量为：式中，为α、β两相静止坐标系下的参考电压分量，Udc为直流侧输出电压，Ts为采样周期；然后，确定各扇区基本电压矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯延晖，秦伟，孙超，邱颖宁，黄凯，任铭，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32