一种基于SVPWM的永磁同步风机并网变流器容错方法与流程

本发明属于变流器，具体涉及一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法。

背景技术：

1、近年来，得益于电力电子变换技术的日趋成熟，新能源发电技术得到了突飞猛进的发展，实现了大规模的装机并网，能够为电力系统提供高效、可靠的电能，同时在电力系统出现紧急故障或用电高峰期时也具有一定的灵活性。

2、然而，随着新能源发电机组在电力系统中的增加和单机容量的快速提高，设备的自动化程度大幅提高，功率变流器的拓扑结构日益复杂，系统故障率愈来愈高，对电网的影响也越来越大。此外，大型并网新能源发电机组多位于草原、海洋、戈壁滩等偏远地区，运行环境恶劣，经常会导致故障停机，且维修困难、维修成本高。新能源发电机组的故障停运不仅维护费用高、维修时间长、降低了新能源场站的有效利用小时数，增加了新能源发电投资的回收时间，而且机组忽然脱网会对电网造成冲击，给电网的稳定运行造成严重的负面影响。

3、为了适应越来越高的可靠性要求，必须考虑运行中可能出现的故障，从变流器及发电机本体保护与控制角度深化研究，形成某些故障的情况下具有相应容错能力保持机组持续运行的关键技术。发电机组变流器的故障诊断与容错控制技术是解决以上安全、可靠性问题的有效手段，该技术旨在新能源发电系统运行中及时诊断出变流器发生的故障，进而通过硬件冗余、软件冗余、结构重构等容错方法维持变流器的原有功能，使系统继续安全运行，因此在已有对新能源发电系统变流器故障诊断的基础上，开展容错方法研究具有极其重要的现实意义。

技术实现思路

1、现有永磁同步风机并网变流器容错控制方法大多需要额外的硬件结构以及更为复杂的数学计算公式，使得系统成本和计算时间复杂度大幅增加，为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于空间矢量脉宽调制(svpwm)的永磁同步风机并网变流器容错方法，该方法不需要额外的硬件配置和复杂的计算公式推导。首先，对直驱风机机侧和网侧变流器的开路故障进行检测与定位；其次，制定开路故障下并网变流器的容错方法；最后，通过仿真实验验证所提方法的有效性，即通过总谐波失真率(thd)、直流输出电压、功率因数三个指标对所提方法有效性进行验证。

2、本发明采用的技术方案为：一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，总共包括两个部分，分别为：

3、s1：永磁同步风机并网变流器的开路故障检测；

4、s2：开路故障下的并网变流器容错方法。

5、具体的，所述s1：永磁同步风机并网变流器的开路故障检测。通过对变流器机侧和网侧的电流误差值的计算来检测故障发生相位，判断机侧或网侧发生故障的因子rn、rk计算公式为：

6、

7、

8、式中，in表示变流器机侧每一相的电流值；ik表示变流器网侧每一相的电流值；表示变流器机侧每一相的参考电流值；表示变流器网侧每一相的参考电流值。

9、正常工况下，rn近似为0，当故障发生时，相应相位的rn值会发生变化，并超过阈值。如果阈值过大，则故障灵敏度降低，如果阈值过低，则误报率会增加，因此定义自适应阈值，在故障条件下，具有突变的自适应阈值远远大于零。自适应阈值计算公式为：

10、

11、

12、式中，fx＝max{ra,rb,rc}，fy＝min{ra,rb,rc}，fx＝max{ra,rb,rc}，fy＝min{ra,rb,rc}。

13、进一步地，可以通过平均电流inn和ikn来识别是机侧还是网侧发生开路故障，另外还可以根据电流值大于或小于0时判断出是上桥臂开关管还是下桥臂开关管发生开路故障，机侧和网侧平均电流具体计算公式为：

14、

15、

16、式中，ia、ib、ic分别表示机侧的三相电流，ia、ib、ic分别表示机侧的三相电流。

17、具体的，所述步骤s2：开路故障下的并网变流器容错方法。当变流器发生开路故障时，不会立刻导致整个系统发生奔溃，发生故障后，系统仍然会保持弱性能运行。正常工况下的电压矢量vref为：

18、

19、式中，vk、vk+1分别表示正常工况下svpwm中tk、tk+1时刻的电压，为非零矢量；v0表示t0时刻的电压，为零矢量，ts表示采样时间，k表示扇区数。

20、开路故障会导致输出电压失真，通常有两种失真情况，第一种情况为零矢量失真，即v0和v7失真，另外一种情况为所有电压矢量失真。下面以例子的形式阐述第一种情况下开关管发生开路故障时的容错方法。根据svpwm原理，可以求出8个合成矢量v0～v7，其中v0和v7为零矢量，v1～v6为非零矢量，且非零矢量的幅值相等，角度分别相差60°，将6个非零矢量的顶点相连，得到一个正六边形，v0和v7位于正六边形中心位置，将正六边形顶点和中心相连得到6个等边三角形，称为扇区，分别记为ⅰ～ⅵ。又根据变流器工作时开关管的开关状态，每相桥臂开关管均有0和1两种状态，排列组合后一共8种方式，可以表示为{(000),(001),(010),…,(111)}，8种组合方式分别对应着v0～v7。当机侧开关管s3发生开路故障时，会导致b相电流在负半周发生失真，此时，电压矢量变化发生在扇区ⅴ处，故障发生前后电压矢量可以表示为：

21、

22、

23、s3开关管故障发生后，由于零矢量失真使得原来的v7变为了v6。第一种失真情况下发生单个开关管故障，故障发生后计算的电压矢量通式可以表示为：

24、

25、式中，vzero表示零矢量电压，表示失真后零矢量电压。

26、随后对电压矢量进行补偿，补偿公式为：

27、

28、进一步地，对于任意开关管发生开路故障，其容错补偿公式为：

29、

30、第二种情况下，同样当s3发生故障时，电压矢量变化发生在扇区ⅳ处，故障发生前、后电压矢量分别表示为：

31、

32、

33、第二种失真情况下发生单个开关管故障，故障发生后计算的电压矢量通式可以表示为：

34、

35、随后对故障发生在开关管s3处的电压矢量进行补偿，补偿公式为：

36、

37、对于任意开关管发生开路故障，其容错补偿公式为：

38、

39、本发明的有益效果：考虑到现有永磁同步风机并网变流器容错方法大多需要额外的硬件结构以及更为复杂的数学计算公式，使得系统成本和计算时间复杂度大幅增加，为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，该方法不需要额外的硬件配置和复杂的计算公式推导，且使用该方法对开路故障进行容错处理，可改善电流谐波，减小因开路故障导致的直流输出电压波动以及提高功率因数。

技术特征：

1.一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，其特征在于，步骤s1中，通过对变流器机侧和网侧的电流误差值的计算来检测故障发生相位，判断机侧或网侧发生故障的因子rn、rk计算公式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，其特征在于，所述步骤s1中，进一步地，正常工况下，rn近似为0，当故障发生时，相应相位的rn值会发生变化，并超过阈值；如果阈值过大，则故障灵敏度降低，如果阈值过低，则误报率会增加，因此定义自适应阈值，在故障条件下，具有突变的自适应阈值远远大于零；自适应阈值计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，其特征在于，所述步骤s1中，进一步地，通过平均电流inn和ikn来识别是机侧还是网侧发生开路故障，另外还可以根据电流值大于或小于0时判断出是上桥臂开关管还是下桥臂开关管发生开路故障，机侧和网侧平均电流具体计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，其特征在于，所述步骤s2中，当变流器发生开路故障时，不会立刻导致整个系统发生奔溃，发生故障后，系统仍然会保持弱性能运行；正常工况下的电压矢量vref为：

6.根据权利要求1和5所述的一种基于svpwm的永磁同步风机并网变流器容错方法，其特征在于，所述步骤s2中，进一步地，第二种情况下，同样当s3发生故障时，电压矢量变化发生在扇区ⅳ处，故障发生前、后电压矢量分别表示为：

技术总结
本发明涉及一种基于SVPWM的永磁同步风机并网变流器容错方法，包括如下步骤：首先，对直驱风机机侧和网侧变流器的开路故障进行检测与定位；其次，制定开路故障下并网变流器的容错方法；最后，通过仿真实验验证所提方法的有效性，即通过总谐波失真率（THD）、直流输出电压、功率因数三个指标对所提方法有效性进行验证。本发明所提方法不需要额外的硬件配置和复杂的计算公式推导，使用该方法对开路故障进行容错处理，可改善电流谐波，减小因开路故障导致的直流输出电压波动以及提高功率因数。

技术研发人员：张伟,吕绪康,韩明奇,邵鑫,赵慧磊,赵敬龙,李鹏,李洋,刘淑军,吴昊,陈福民,李哲
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司濮阳供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13