永磁直驅(qū)式風(fēng)電變流器故障的容錯(cuò)控制

【摘要】：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為最成熟、最具開發(fā)潛力的可再生能源利用技術(shù)，已經(jīng)受到了全球的矚目，而現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組控制策略僅局限于正常情況下的運(yùn)行，但環(huán)境多變、故障率高才是實(shí)際機(jī)組的現(xiàn)實(shí)狀況。隨著并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的快速增加，如何提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。 目前永磁直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為風(fēng)力發(fā)電中最有前途的機(jī)型，它省去了傳統(tǒng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中故障率較高的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)采用背靠背式的全功率變流器，機(jī)組發(fā)出的電能全部通過變流器傳送到電網(wǎng)，變流器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件和脆弱環(huán)節(jié)，也是故障率最高的器件。為了使系統(tǒng)在變流器電力電子器件出現(xiàn)故障的情況下能夠不間斷運(yùn)行，亟需研究變流器的故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)。 本文首先介紹永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)、PWM變流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上，介紹一種常用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略，為后續(xù)章節(jié)奠定理論基礎(chǔ)。 其次，從變流器故障后的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，對(duì)變流器開路故障狀態(tài)下的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行理論分析，并結(jié)合Simulink仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出變流器故障后系統(tǒng)運(yùn)行特性的變化特征。為了克服傳統(tǒng)故障診斷方法計(jì)算復(fù)雜、易受干擾影響的缺點(diǎn)，對(duì)比正常運(yùn)行、故障運(yùn)行及發(fā)生干擾三種情況下系統(tǒng)的運(yùn)行特性，總結(jié)出系統(tǒng)特性參數(shù)故障后特有的變化規(guī)律。據(jù)此，選擇系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流作為診斷故障的參數(shù)，由電流Park矢量相位角斜率的變化檢測故障的發(fā)生，并依據(jù)故障后機(jī)側(cè)平均電流的Park矢量相位角所在區(qū)間和網(wǎng)側(cè)各相電流值的正負(fù)確定故障器件所在位置。此外，構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)的仿真模型，并搭建了故障診斷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該故障診斷方法的可靠性和快速性。 最后，深入分析了三相四開關(guān)SVPWM的原理及算法，并詳細(xì)推導(dǎo)了直流母線電容電壓不平衡時(shí)的SVPWM計(jì)算公式。設(shè)計(jì)了無冗余的容錯(cuò)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，變流器發(fā)生故障后及時(shí)切除故障器件，通過容錯(cuò)重構(gòu)將變流器切換為三相四開關(guān)模式。然后搭建了容錯(cuò)變流器的Simulink仿真模型，并將該容錯(cuò)模型嵌入到故障診斷系統(tǒng)中，構(gòu)成完整的風(fēng)力發(fā)電容錯(cuò)控制系統(tǒng)，以期達(dá)到系統(tǒng)在故障情況下可持續(xù)運(yùn)行的目標(biāo)。 【關(guān)鍵詞】：直驅(qū)式風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 故障診斷 容錯(cuò)控制 三相四開關(guān)SVPWM
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM46;TM614
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 課題背景及意義10-11
• 1.2 故障診斷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 變流器常見故障類型12-13
• 1.2.2 故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 容錯(cuò)控制的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排16-18
• 第2章 永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)組成及其建模18-25
• 2.1 永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18
• 2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型18-20
• 2.2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型18-19
• 2.2.2 PWM 變流器的數(shù)學(xué)模型19-20
• 2.3 系統(tǒng)總體控制策略20-24
• 2.3.1 PMSG 控制策略21-22
• 2.3.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略22-23
• 2.3.3 總體控制框圖23-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第3章 變流器開路故障系統(tǒng)運(yùn)行特性分析25-36
• 3.1 變流器開路故障的理論分析25-28
• 3.1.1 a 相電流is a25-26
• 3.1.2 a 相電流 is a=026-28
• 3.2 變流器開路故障仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證28-35
• 3.2.1 機(jī)側(cè)變流器開路故障時(shí)的運(yùn)行分析29-30
• 3.2.2 網(wǎng)側(cè)變流器開路故障時(shí)的運(yùn)行分析30-31
• 3.2.3 機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器均發(fā)生開路故障時(shí)的運(yùn)行分析31-33
• 3.2.4 機(jī)組外部干擾時(shí)的運(yùn)行分析33-35
• 3.3 本章小結(jié)35-36
• 第4章 變流器的開路故障診斷方法36-47
• 4.1 故障診斷參數(shù)的選擇36-37
• 4.2 變流器的開路故障檢測37-38
• 4.3 變流器的開路故障定位38-41
• 4.3.1 網(wǎng)側(cè)變流器故障的定位39-40
• 4.3.2 機(jī)側(cè)變流器故障的定位40-41
• 4.4 故障診斷的仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證41-46
• 4.4.1 機(jī)側(cè)變流器 R3開路故障時(shí)的故障診斷結(jié)果42-43
• 4.4.2 網(wǎng)側(cè)變流器 I3開路故障時(shí)的故障診斷結(jié)果43-44
• 4.4.3 魯棒性驗(yàn)證44-46
• 4.5 本章小結(jié)46-47
• 第5章 基于三相四開關(guān)的變流器容錯(cuò)控制47-64
• 5.1 容錯(cuò)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理47-49
• 5.2 容錯(cuò)變流器的控制方法49-55
• 5.2.1 三相四開關(guān) SVPWM 原理51-52
• 5.2.2 三相四開關(guān) SVPWM 算法52-55
• 5.3 四開關(guān)變流器的電容電壓不平衡問題55-58
• 5.4 變流器的容錯(cuò)控制仿真分析58-63
• 5.4.1 機(jī)側(cè)變流器故障的容錯(cuò)控制仿真60-61
• 5.4.2 網(wǎng)側(cè)變流器故障的容錯(cuò)控制仿真61-63
• 5.5 本章小結(jié)63-64
• 結(jié)論與展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-71
• 致謝71-72
• 附錄 A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄72-73
• 附錄 B 攻讀學(xué)位期間所申請的專利73-74
• 附錄 C 攻讀學(xué)位期間所參與的科研項(xiàng)目74

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