本发明属于风力发电领域，具体涉及一种开绕组无刷双馈风力发电机系统及容错控制方法。
背景技术：
无刷双馈发电机因其无刷化结构，低维修成本，所需变流器容量小，以及高可靠性等优势在风力发电领域得到广泛关注。在大型风力发电领域如海上风力发电系统中，由于所处环境较为恶劣，因此系统的高可靠性成为可持续运行的前提。风力发电机组通常由电机，控制器，变流器与一系列传感器构成，其中任何环节出现故障都会对系统产生影响：轻则影响风力发电系统性能，重则使全部系统瘫痪。因此任何环节的可靠性都应得到足够的重视。
变流器中的功率开关器件受系统控制策略影响频繁开通或关断，且其受自身工作环境和系统能量流动的影响颇大，因而变流器尤其是机侧逆变部分常常成为系统中易发生故障的薄弱环节。许多具有检测和保护功能的电路包括过电压、过电流保护电路，驱动保护电路以及缓冲电路等已经集成在现代智能功率模块中，这在一定程度上保障了变流器的安全稳定运行。但海上风力发电环境复杂，诸多扰动都可造成功率开关器件保护电路的失效。因此，采用合适的容错控制策略使系统在功率开关器件故障后仍能满足所需指标持续稳定运行显得尤为重要。
此外，直接功率控制为新兴的无刷双馈发电机控制方法，可直接对无刷双馈电机的有功和无功功率进行反馈控制，该方法着重加快有功功率和无功功率的动态响应速度，更加适合应用在风力发电领域。将开绕组结构应用于无刷双馈发电机可有效降低系统的变流器容量，提高系统的容错能力。
技术实现要素：
发明目的：
本发明提供一种开绕组无刷双馈风力发电机系统及容错控制方法，其目的是解决开绕组无刷双馈风力发电机系统在机侧变流器的功率开关器件故障后无法持续稳定运行的问题，进一步提高系统的可靠性。
技术方案：
开绕组无刷双馈风力发电机系统，其特征在于：该系统包括开绕组无刷双馈发电机(1)，该开绕组无刷双馈发电机(1)具有两套极数不同的三相对称定子绕组，分别为功率绕组(2)和控制绕组(3)，功率绕组(2)与电网(5)相连，功率绕组(2)的极对数为pp，控制绕组(3)为开绕组结构，即将控制绕组(3)的6个端子分别从两端全部引出，两端分别与第一机侧变流器(6)和第二机侧变流器(7)相连，控制绕组(3)的极对数为pc，功率绕组(2)和控制绕组(3)之间的耦合关系是通过转子(4)来实现的，转子(4)的极对数为pr＝pp+pc。
如上所述的开绕组无刷双馈风力发电机系统的容错控制方法，其特征在于：在普通共母线双两电平变流器拓扑结构中加入一些可双向导通继电器(8)和快速熔断丝(9)，基于直接功率控制方法通过选择合适的空间电压矢量对功率绕组的有功功率和无功功率进行独立控制，使系统在功率开关器件故障后能容错运行；它是根据功率绕组(2)有功功率和无功功率的误差信号、控制绕组(3)磁链所在扇区的信息以及故障诊断模块(15)的故障信息来重新制定开关电压矢量选择表，根据故障诊断模块(15)的故障信息开通相应的可双向导通继电器(8)来重构变流器拓扑结构，通过选择合适的空间电压矢量来独立控制开绕组无刷双馈发电机功率绕组(2)的有功功率和无功功率，进而实现系统在功率开关器件故障后的容错运行；
采集功率绕组(2)的电压信号(up)和电流信号(ip)以及控制绕组(3)的电压信号(uc)和电流信号(ic)，经过坐标变换模块(10)，得到两相静止坐标系下的功率绕组(2)的电压信号(upαβ)和电流信号(ipαβ)，以及控制绕组(3)电压信号(ucαβ)和电流信号(icαβ)，功率绕组(2)的电压信号(upαβ)和电流信号(ipαβ)经过瞬时功率计算模块(11)得到功率绕组(2)输出的瞬时有功功率(pp)和无功功率(qp)，控制绕组(3)电压信号(ucαβ)和电流信号(icαβ)经过控制绕组磁链扇区判断模块(12)得到磁链角(θ)，功率绕组(2)的有功功率给定值(pref)与功率绕组(2)的有功功率实际值(pp)通过有功功率滞环比较器(13)进行比较，得到功率绕组(2)有功功率实际值与给定值的误差值(△pp)，功率绕组(2)的无功功率给定值(qref)与功率绕组(2)的无功功率实际值(qp)通过无功功率滞环比较器(14)进行比较，得到功率绕组(2)无功功率实际值与给定值的误差值(△qp)，在功率开关器件发生故障后，利用故障诊断模块(15)的故障信息开通与故障相桥臂相连的可双向导通继电器(8)来重构变流器拓扑结构，再将故障诊断模块(15)的故障信息、有功功率实际值与给定值的误差值(△pp)、无功功率实际值与给定值的误差值(△qp)以及磁链角(θ)相结合，制定相应的开关电压矢量选择表，经过开关电压矢量选择模块(16)，得到机侧变流器(6)的控制信号(uabc1)和机侧变流器(7)的控制信号(uabc2)，进而驱动开绕组无刷双馈发电机(1)，实现容错控制。
当机侧变流器(6)的a1相桥臂故障后，故障诊断模块(15)控制第一机侧变流器(6)中的第一固态继电器(ssr1)开通，此时共母线双两电平变流器拓扑结构发生改变。利用改变后的共母线双两电平变流器拓扑结构产生的合成空间电压矢量可使系统在直接功率控制方法下容错运行。
第一固态继电器(ssr1)开通后，第一机侧变流器(6)与第二机侧变流器(7)共有32种不同的开关状态，产生14种分布在不同位置的空间电压矢量，其中不存在零矢量。ua-b表示由第一机侧变流器(6)产生的电压矢量ua与机侧变流器(7)产生的电压矢量ub所合成的空间电压矢量；用于容错运行的电压矢量其选取原则基于直接功率控制方法，即当控制绕组磁链所在位置不同时，通过选取合适的控制绕组电压矢量独立控制功率绕组的有功功率或无功功率。此时有两种不同的电压矢量选取方案，这两种方案根据所选的电压矢量分别将整个平面划分为10个扇区和8个扇区，以达到精确控制的目的，相应的开关电压矢量选择表分别下所示：
表1(a)a1相故障后的开关电压矢量选择表
表1(b)a1相故障后的开关电压矢量选择表
当机侧变流器(6)的a1相桥臂与机侧变流器(7)的a2相桥臂均故障后，故障诊断模块(15)控制第一机侧变流器(6)中的第一固态继电器(ssr1)和第二机侧变流器(7)中的第四固态继电器(ssr4)开通，此时共母线双两电平变流器拓扑结构发生改变；利用改变后的共母线双两电平变流器拓扑结构产生的合成空间电压矢量可使系统在直接功率控制方法下容错运行，相应的开关电压矢量选择表如表2所示；
表2a1相桥臂与a2相桥臂均故障后的开关电压矢量选择表
当机侧变流器(6)的a1相与机侧变流器(7)的b2相均故障后，故障诊断模块(15)控制第一机侧变流器(6)中的第一固态继电器(ssr1)和第二机侧变流器(7)中的第五固态继电器(ssr5)开通，此时共母线双两电平变流器拓扑结构发生改变；利用改变后的共母线双两电平变流器拓扑结构产生的合成空间电压矢量可使系统在直接功率控制方法下容错运行，相应的开关电压矢量选择表如表3所示：
表3a1相与b2相均故障后的开关电压矢量选择表
本发明的有益效果是：
针对开绕组无刷双馈风力发电机系统中机侧变流器功率开关器件的开路和短路故障，为方便故障诊断及后续的容错控制，将普通共母线双两电平变流器拓扑结构进行了改进，并基于直接功率控制方法提出了不同故障发生后应采取的容错控制方法。根据功率绕组有功功率和无功功率的误差信号、控制绕组磁链所在扇区以及故障信息来重新制定开关电压矢量选择表，通过选择合适的空间电压矢量来独立控制开绕组无刷双馈发电机的有功功率和无功功率，进而实现系统在机侧变流器的功率开关器件故障后的容错运行。
附图说明
图1为本发明改进共母线双两电平变流器拓扑结构图；
图2为本发明开绕组无刷双馈发电机直接功率控制原理示意图；
图3为本发明机侧变流器6的三相四开关结构空间电压矢量图；
图4为本发明机侧变流器6的a1相故障后双两电平变流器产生的空间电压矢量合成图；
图5为本发明机侧变流器6的a1相与机侧变流器7的a2相均故障后双两电平变流器产生的空间电压矢量合成图；
图6为本发明机侧变流器6的a1相与机侧变流器7的b2相均故障后双两电平变流器产生的空间电压矢量合成图；
附图标记说明：
1.开绕组无刷双馈发电机；2.功率绕组；3.控制绕组；4.转子；5.电网；6.第一机侧变流器；7.第二机侧变流器；8.固态继电器(ssr)；9.快速熔断丝；10.坐标变换模块；11.瞬时功率计算模块；12.控制绕组磁链扇区判断模块；13.有功功率滞环比较器；14.无功功率滞环比较器；15.故障诊断模块；16.开关电压矢量选择模块。
具体实施方式
本发明提出了一种开绕组无刷双馈风力发电机系统，如图1所示，其特征在于：该系统包括开绕组无刷双馈发电机1，开绕组无刷双馈发电机1具有两套极数不同的三相对称定子绕组，分别为功率绕组2和控制绕组3。功率绕组2与电网5相连，用于发出电能，极对数为pp；控制绕组3为开绕组结构，即将控制绕组3的6个端子全部引出，两端分别与机侧变流器6和7相连，用于转差频率励磁，极对数为pc。功率绕组2和控制绕组3之间的耦合关系是通过转子4来实现的，转子4的极对数为pr＝pp+pc。
一种如上所述开绕组无刷双馈风力发电机系统的容错控制方法，其特征在于：为方便故障诊断并使系统在机侧变流器功率开关器件开路或短路故障后可容错运行，将普通双两电平变流器拓扑结构进行改进，基于直接功率控制方法通过选择合适的空间电压矢量对功率绕组的有功功率和无功功率进行独立控制，使系统在功率开关器件故障后可容错运行。
图1为本发明改进共母线双两电平变流器拓扑结构，在传统双两电平变流器拓扑结构中加入了一些可双向导通继电器8和快速熔断丝9，当功率开关器件发生短路故障时，快速熔断丝9可迅速断开，从而将短路故障转化为开路故障，因此故障诊断模块15仅需检测开路故障即可，简化了故障诊断模块15的设计。利用故障诊断模块15得出的故障信息开通与故障相桥臂相连的可双向导通继电器8，隔离故障相功率开关器件的同时重构了双两电平变流器拓扑结构，为后续的容错控制做好铺垫。
图2为本发明开绕组无刷双馈发电机直接功率控制原理示意图，其中pref和qref分别表示功率绕组2有功功率和无功功率的给定值，pp和qp分别表示功率绕组2有功功率和无功功率的实际值，△pp和△qp分别表示功率绕组2有功功率和无功功率实际值与给定值的误差，u表示电压，i表示电流，角标p表示有功功率2，角标c表示控制绕组3，角标abc表示三相静止坐标系，角标αβ表示两相静止坐标系。
直接功率控制方法的控制思想源于直接转矩控制，并结合了瞬时功率理论。它是根据功率绕组2有功功率和无功功率的误差信号以及控制绕组3磁链所在扇区的信息来重新制定开关电压矢量选择表，通过适当选择开关电压矢量来直接独立控制开绕组无刷双馈发电机的有功功率和无功功率。
采集功率绕组2的电压和电流信号up和ip以及控制绕组3的电压和电流信号uc和ic，经过坐标变换模块10，得到两相静止坐标系下的功率绕组2电压和电流信号upαβ和ipαβ以及控制绕组3电压和电流信号ucαβ和icαβ，upαβ和ipαβ经过瞬时功率计算模块11得到功率绕组2输出的瞬时有功功率pp和无功功率qp，ucαβ和icαβ经过控制绕组磁链扇区判断模块12得到磁链角θ，功率绕组2的有功功率和无功功率给定值pref和qref与功率绕组2的有功功率和无功功率实际值pp和qp通过有功功率滞环比较器13和无功功率滞环比较器14进行比较，得到功率绕组2有功功率和无功功率实际值与给定值的误差值△pp和△qp，再结合故障诊断模块15的故障信息以及磁链角θ，经过开关电压矢量选择模块16，得到机侧变流器6和7的控制信号uabc1和uabc2，进而驱动开绕组无刷双馈发电机1，实现基于直接功率控制的容错运行。
图3为本发明第一机侧变流器6的三相四开关结构空间电压矢量图。若第一机侧变流器6的a1相桥臂出现故障，此时根据诊断出的故障信号开通第一固态继电器ssr1，该相控制绕组的一侧连接到直流母线中点，机侧变流器6成为三相四开关结构。此时通过控制该变流器剩下的功率开关器件可形成图3(a)所示的空间电压矢量。若机侧变流器6的b1相或c1相发生故障，则通过控制余下的功率开关器件可分别形成图3(b)或3(c)所示的空间电压矢量。
所述开绕组无刷双馈风力发电机系统的容错控制方法，当机侧变流器6的a1相桥臂发生故障后容错控制方法的基本思想是：当机侧变流器6的a1相桥臂故障后，故障诊断模块15控制机侧变流器6中的第一固态继电器ssr1开通，此时第一机侧变流器6和第二机侧变流器7的合成空间电压矢量如图4所示。此时第一机侧变流器6与第二机侧变流器7共有32种不同的开关状态，可产生14种分布在不同位置的空间电压矢量，其中不存在零矢量。ua-b表示由第一机侧变流器6产生的电压矢量ua与第二机侧变流器7产生的电压矢量ub所合成的空间电压矢量。用于容错运行的电压矢量为图4(a)中的电压矢量u2-1、u3-6、u2-6、u2-5、u1-5、u2-4、u1-4、u1-3、u4-4、u4-3、u4-2、u3-2、u4-1、u3-1和图4(b)中的电压矢量u2-1、u3-6、u1-6、u2-0、u2-7、u3-5、u1-5、u2-4、u1-4、u1-3、u4-4、u1-2、u3-3、u4-0、u4-7、u3-2、u4-1、u3-1，其选取原则基于直接功率控制方法，即当控制绕组磁链所在位置不同时，通过选取合适的控制绕组电压矢量独立控制功率绕组的有功功率或无功功率。此时有两种不同的电压矢量选取方案，分别如图4(a)和图4(b)所示，这两种方案根据所选的电压矢量分别将整个平面划分为10个扇区和8个扇区，以达到精确控制的目的，相应的开关电压矢量选择表分别如表1(a)和表1(b)所示。
表1(a)a1相故障后的开关电压矢量选择表
表1(b)a1相故障后的开关电压矢量选择表
所述开绕组无刷双馈风力发电机系统的容错控制方法，当第一机侧变流器6的a1相桥臂与第二机侧变流器7的a2相桥臂均故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的a1相桥臂与第二机侧变流器7的a2相桥臂均故障后，故障诊断模块15控制第一机侧变流器6中的第一固态继电器ssr1和机侧变流器7中的第四固态继电器ssr4开通，此时机侧变流器6与机侧变流器7产生的合成空间电压矢量如图5所示，包括12个有效电压矢量和4个零矢量，用于容错控制的电压矢量为图5中的电压矢量u2-1、u3-4、u1-4、u2-3、u1-3、u1-2、u4-3、u3-2、u4-1、u3-1。所选6个有效电压矢量具有相同长度，为了防止出现功率波动较大，u2-4,u4-2并没有应用在基于直接功率控制的容错运行策略中，相应的开关电压矢量选择表如表2所示。
表2a1相桥臂与a2相桥臂均故障后的开关电压矢量选择表
所述开绕组无刷双馈风力发电机系统的容错控制方法，当第一机侧变流器6的a1相与第二机侧变流器7的b2相均故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的a1相与第二机侧变流器7的b2相均故障后，故障诊断模块15控制第一机侧变流器6中的第一固态继电器ssr1和第二机侧变流器7中的第五固态继电器ssr5开通，此时第一机侧变流器6和第二机侧变流器7产生的合成空间电压矢量如图6所示，包括16个不同的有效电压矢量，无零矢量，其中用于容错控制的电压矢量为图6中的电压矢量u2-3、u2-2、u1-2、u1-1、u4-2、u4-1、u4-4、u3-4、u2-4、u3-3，相应的开关电压矢量选择表如表3所示：
表3a1相与b2相均故障后的开关电压矢量选择表