基于直接功率控制的开绕组无刷双馈发电机系统容错控制的制作方法

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：针对双机侧变流器的单管和双管开路故障，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，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(8)，得到两相静止坐标系下的功率绕组(2)电压信号(upαβ)和电流信号(ipαβ)，以及控制绕组(3)的电压信号(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(9)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)的电压信号(ucαβ)和电流信号(icαβ)经过控制绕组磁链扇区判断模块(10)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(11)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(12)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)，再结合故障诊断模块(13)的故障信息和磁链角(θ)，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(14)，得到第一机侧变流器(6)的控制信号(uabc1)和第二机侧变流器(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。

当第一机侧变流器(6)的第一开关(sa1)发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成；此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，此时的电压矢量选择方法有两种，相应的空间电压矢量选择表如表1(a)和表1(b)所示：

表1(a)sa1开路故障后的空间电压矢量选择表

表1(b)sa1开路故障后的空间电压矢量选择表

当第一机侧变流器(6)的第二开关(sa2)发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成；此时通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，此时的电压矢量选择方法有两种，相应的空间电压矢量选择表如表2(a)和表2(b)所示：

表2(a)sa2开路故障后的空间电压矢量选择表

表2(b)sa2开路故障后的空间电压矢量选择表

当第一机侧变流器(6)的第一开关(sa1)和第二机侧变流器(7)的第一开关(sd1)均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成；此时，通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，相应的空间电压矢量选择表如表3所示：

表3sa1和sd1均开路故障后的空间电压矢量选择表

当第一机侧变流器(6)的第二开关(sa2)和第二机侧变流器(7)的第二开关(sd2)均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成；此时，可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，相应的空间电压矢量选择表如表4所示：

表4sa2和sd2均开路故障后的空间电压矢量选择表

当第一机侧变流器(6)的第一开关(sa1)和第二机侧变流器(7)的第四开关(se2)均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成；此时，可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，此时的电压矢量选择方法有两种，相应的空间电压矢量选择表如表5(a)和表5(b)所示：

表5(a)sa1和se2均开路故障后的空间电压矢量选择表

表5(b)sa1和se2均开路故障后的空间电压矢量选择表

当第一机侧变流器(6)的第二开关(sa2)和第二机侧变流器(7)的第三开关(se1)均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成；此时，可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，此时的电压矢量选择方法有两种，相应的空间电压矢量选择表如表6(a)和表6(b)所示：

表6(a)sa2和se1均开路故障后的空间电压矢量选择表

表6(b)sa2和se1均开路故障后的空间电压矢量选择表

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的单管和双管开路故障，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开路故障后的容错运行。

附图说明

图1为本发明开绕组无刷双馈风力发电机系统结构示意图；

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为本发明双两电平变流器输出的空间电压矢量图；

图4为本发明机侧变流器6的sa1开路故障后双两电平变流器输出的空间电压矢量合成图；

图5为本发明机侧变流器7的sa2开路故障后双两电平变流器输出的空间电压矢量合成图；

图6为本发明机侧变流器6的sa1和机侧变流器7的sd1均开路故障后双两电平变流器输出的空间电压矢量合成图；

图7为本发明机侧变流器6的sa2和机侧变流器7的sd2均开路故障后双两电平变流器输出的空间电压矢量合成图；

图8为本发明机侧变流器6的sa1和机侧变流器7的sd2均开路故障后双两电平变流器输出的空间电压矢量合成图；

图9为本发明机侧变流器6的sa2和机侧变流器7的sd1均开路故障后双两电平变流器输出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.机侧变流器；7.机侧变流器；8.坐标变换模块；9.瞬时功率计算模块；10.控制绕组磁链扇区判断模块；11.有功功率滞环比较器；12.无功功率滞环比较器；13.故障诊断模块；14.空间电压矢量选择模块。

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，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个端子分别从两端全部引出，两端分别与第一机侧变流器6和第一机侧变流器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，针对双机侧变流器的单管和双管开路故障，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，进而实现最大功率跟踪控制。

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8，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9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10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11和无功功率滞环比较器12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13的故障信息以及磁链角θ，经过空间电压矢量选择模块14，得到第一机侧变流器6和第二机侧变流器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为本发明双两电平变流器输出的合成空间电压矢量图。uab表示由第一机侧变流器6产生的空间电压矢量ua与第一机侧变流器7产生的空间电压矢量ub所合成的空间电压矢量。将双两电平变流器输出的合成空间电压矢量按照幅值不同分为长矢量、中矢量和短矢量，具体如表1所示。长矢量有6种，中矢量有12种，每个长矢量有1种合成方法，每个中矢量有2种合成方法，短矢量有36种，每个短矢量有6种合成方法。

表1双两电平变流器输出的合成空间电压矢量类型

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的第一开关sa1发生开路故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的第一开关sa1发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成，如图4所示，其中无法合成的电压矢量为电压矢量u21、u25、u26、u27、u16、u20、u15、u24、u11、u22、u66、u23、u65、u10、u17、u14、u61、u60、u12、u67、u13、u64、u62、u63。此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，电压矢量选择方法有两种，分别如图4(a)和图4(b)所示，应用于容错控制的电压矢量为图4(a)中的电压矢量u36、u41、u52、u05、u34、u75、u04、u74、u03、u54、u73和图4(b)中的电压矢量u06、u30、u37、u45、u76、u05、u34、u75、u04、u74、u03、u54、u73、u02、u43、u50、u57、u72、u01、u32、u40、u47、u56、u71，相应的空间电压矢量选择表如表2(a)和表2(b)所示。

表2(a)sa1开路故障后的空间电压矢量选择表

表2(b)sa1开路故障后的空间电压矢量选择表

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的第二开关sa2发生开路故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的第二开关sa2发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成，如图5所示，其中无法合成的电压矢量为电压矢量u35、u36、u31、u46、u30、u37、u45、u34、u41、u32、u40、u47、u56、u33、u44、u55、u42、u51、u43、u50、u57、u54、u52、u53。此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，电压矢量选择方法有两种，分别如图5(a)和图5(b)所示，应用于容错控制的电压矢量为图5(a)中的电压矢量u25、u14、u63、u06、u21、u76、u01、u71、u02、u61、u72和图5(b)中的电压矢量u06、u21、u76、u01、u71、u02、u61、u72、u03、u12、u60、u67、u73、u04、u10、u17、u23、u65、u74、u05、u16、u20、u27、u75，相应的空间电压矢量选择表如表3(a)和表3(b)所示。

表3(a)sa2开路故障后的空间电压矢量选择表

表3(b)sa2开路故障后的空间电压矢量选择表

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的第一开关sa1和第二机侧变流器7的第一开关sd1均发生开路故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的第一开关sa1和第二机侧变流器7的第一开关sd1均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成，如图6所示，其中无法合成的电压矢量为电压矢量u36、u26、u25、u31、u46、u06、u21、u76、u16、u20、u27、u15、u24、u41、u01、u32、u56、u71、u11、u22、u66、u10、u17、u23、u65、u14、u42、u51、u02、u61、u72、u12、u60、u67、u13、u64、u52、u62、u63。此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，电压矢量选择方法如图6所示，应用于容错控制的电压矢量为图6中的电压矢量u30、u45、u37、u05、u34、u75、u40、u47、u04、u74、u50、u57、u43、u03、u54、u73，相应的空间电压矢量选择表如表4所示。

表4sa1和sd1均开路故障后的空间电压矢量选择表

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的第二开关sa2和第二机侧变流器7的第二开关sd2均发生开路故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的第二开关sa2和第二机侧变流器7的第二开关sd2均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成，如图7所示，其中无法合成的电压矢量为电压矢量u36、u35、u25、u31、u46、u30、u37、u45、u05、u34、u75、u15、u24、u41、u32、u40、u47、u56、u33、u44、u55、u04、u23、u65、u74、u14、u42、u51、u43、u50、u57、u03、u54、u73、u13、u64、u52、u53、u63。此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，电压矢量选择方法如图7所示，应用于容错控制的电压矢量为图7中的电压矢量u06、u21、u76、u16、u20、u27、u01、u71、u10、u17、u02、u61、u72、u12、u60、u67，相应的空间电压矢量选择表如表5所示。

表5sa2和sd2均开路故障后的空间电压矢量选择表

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的第一开关sa1和第二机侧变流器7的第四开关se2均发生开路故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的第一开关sa1和第二机侧变流器7的第四开关se2均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成，如图8所示，其中无法合成的电压矢量为电压矢量u36、u26、u35、u25、u31、u46、u06、u21、u45、u76、u05、u16、u20、u27、u75、u15、u24、u41、u01、u56、u71、u11、u22、u55、u66、u10、u17、u23、u65、u14、u51、u61、u12、u60、u67、u13、u64、u62、u63。此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，电压矢量选择方法有两种，分别如图8(a)和图8(b)所示，应用于容错控制的电压矢量为图8(a)中的电压矢量u30、u37、u34、u32、u40、u47、u04、u74、u02、u43、u50、u57、u72、u03、u54、u73和图8(b)中的电压矢量u30、u37、u34、u32、u40、u47、u04、u74、u52、u03、u54、u73，相应的空间电压矢量选择表如表6(a)和表6(b)所示。

表6(a)sa1和se2均开路故障后的空间电压矢量选择表

表6(b)sa1和se2均开路故障后的空间电压矢量选择表

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的第二开关sa2和第二机侧变流器7的第三开关se1均发生开路故障后容错控制方法的基本思想是：当第一机侧变流器6的第二开关sa2和第二机侧变流器7的第三开关se1均发生开路故障后，双两电平变流器输出的某些电压矢量无法合成，如图9所示，其中无法合成的电压矢量为电压矢量u36、u35、u31、u46、u30、u37、u45、u34、u24、u41、u32、u40、u47、u56、u22、u33、u44、u55、u04、u23、u74、u14、u42、u51、u02、u43、u50、u57、u72、u03、u12、u54、u73、u13、u64、u52、u53、u62、u63。此时可通过合理选择余下的空间电压矢量使系统在直接功率控制方法下容错运行，电压矢量选择方法有两种，分别如图9(a)和图9(b)所示，应用于容错控制的电压矢量为图9(a)中的电压矢量u06、u21、u76、u05、u16、u20、u27、u75、u01、u71、u10、u17、u65、u61、u60、u67和图9(b)中的电压矢量u06、u21、u76、u25、u01、u71、u10、u17、u65、u61、u60、u67，相应的空间电压矢量选择表如表7(a)和表7(b)所示。

表7(a)sa2和se1均开路故障后的空间电压矢量选择表

表7(b)sa2和se1均开路故障后的空间电压矢量选择表