变流器开路故障下永磁直驱风电系统运行分析

DOI:１０．７５００/AEPS２０１３０８０３００４变流器开路故障下永磁直驱风电系统运行分析黄科元,刘静佳,黄守道,廖　武,易韵岚(湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市４１００８２)摘要:变流器是永磁直驱风电系统中故障率最高的器件,文中针对变流器故障后系统运行特性的变化,在变流器数学模型的基础上,深入分析变流器中一个开关管发生开路故障后的工作情况.研究表明:一个开关管发生开路故障后系统可持续运行,但会影响该变流器的正常工作,引起对应侧电流波形畸变.在MATLAB/Simulink环境下建立永磁直驱风电系统模型,并搭建永磁直驱风力发电实验平台,分别在３种不同的开路故障下进行仿真和实验,围绕机侧和网侧电流、直流母线电压、有功输出比例、总谐波畸变率,评估故障对系统运行特性的影响.根据仿真和实验结果得出变流器开路故障特征:一个变流器的开路故障对另一侧的正常运行影响较小,但故障器件对应侧的相电流出现波形畸变.关键词:风力发电;永磁直驱式同步发电机;变流器;开路故障;故障分析收稿日期:２０１３Ｇ０８Ｇ０３;修回日期:２０１４Ｇ０３Ｇ１５.国家国际科技合作专项资助项目(２０１１DFA６２２４０);湖南大学青年教师成长计划资助项目.０　引言随着并网风电机组装机容量的快速增加,如何保障风电机组的可靠运行已经成为国内外研究的热点.而国内现有的风电机组控制策略仅局限于正常情况下的运行,但环境多变、故障率高才是实际机组的全部和现实[１].风电机组的稳定运行对于含风电场电网的稳定性具有直接影响,进而会影响到风电装机容量可信度、风电穿透能力以及含风电场电网的网架和电源规划、风电接入后电网的调度与运行等多方面问题[２],这就要求机组不能随意停机、脱网,在某些非致命故障下能够持续运行[３Ｇ７].目前,永磁直驱式同步发电机(DＧPMSG)以其独特的优势成为风力发电中最有前途的机型,它省去了传统双馈式风电系统中故障率较高的齿轮传动机构,同时采用背靠背式全功率变流器,机组发出的电能全部通过变流器传送到电网[８].实践证明变流器是永磁直驱风电系统的核心部件和脆弱环节,也是故障率最高的器件[９Ｇ１０].变流器的故障可以分为两类:开路故障和短路故障.变流器开关管发生短路故障时,电流急剧增大,威胁系统安全,为保证其他部件的安全,系统只能紧急停机;发生开路故障时,通常情况下不会引发严重的过电流或过电压现象,不会威胁系统其他器件的安全,系统能够在相对较差的运行特性下持续运行.实际情况中,同一个变流器中两个开关管同时出现故障的概率较低,所以本文主要探讨变流器单个开关管的开路故障.为了提高整个风电机组的可靠性,解决系统故障情况下风电机组的容错运行能力,评估变流器故障对风电系统的影响成为首要解决的问题.目前,国内外对电网故障下机组运行特性的研究较为深入,而较少考虑机组变流器自身故障的情况,更少涉及变流器故障对风电系统运行性能的影响[１１Ｇ１２].基于上述原因,本文的研究围绕变流器在器件开路故障状态下的工作情况展开.本文建立了一个完整的DＧPMSG系统的数学模型,在此基础上,深入分析了变流器开路故障状态下的工作机理.通过仿真和实验,评估系统在变流器开路故障下,各个动态运行特性指标,为进一步研究直驱式风力发电系统的容错控制奠定基础.１　永磁直驱风电系统各部分数学模型目前常用的永磁直驱风电系统的拓扑结构见图１,两个变流器背靠背连接.每个变流器均是一个典型的三相电压源逆变桥结构,其中包括６个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT).１．１　电机数学模型在转子磁链定向的dq轴坐标下,永磁同步发电机(PMSG)的电压方程如下:usd＝Lsdi􀅰sd＋Raisd－ωLsqisqusq＝Lsqi􀅰sq＋Raisq＋ωLsdisd＋ωψf{(１)式中:usd和usq分别为同步发电机定子电压的dq轴—３２—第３８卷　第１４期２０１４年７月２５日Vol．３８　No．１４July２５,２０１４#5# NED@θdq#id0L+BudcoNicusausbuscisaisbaiscIGBT1IGBT3IGBT5RQgridudcPMSG+5dq5#ω*D1D3D5bcIGBT4IGBT6IGBT2D4D6D2图１　永磁直驱风电系统结构图Fig．１　StructureofDＧPMSGbasedwindpowergenerationsystem分量;isd和isq分别为定子电流的dq轴分量;Ra为发电机每相绕组的电阻;Lsd和Lsq分别为同步发电机定子电感的dq轴分量;ω为转子旋转电角速度;ψf为定子磁场磁链;稳态运行时,定子电阻忽略不计.目前直驱式风电系统主要使用面贴式PMSG,因此可以认为在运行过程中磁链ψf恒定,定子电感Lsd＝Lsq,且一般采用isd＝０的控制方法,记电机极对数为np,则PMSG电磁转矩为:Te＝３２npψfisq(２)１．２　变流器的数学模型由于发电机的三相绕组可以等效成电流源、电阻和电感的串联,因此,两个变流器具有相同的拓扑结构,如图１中虚线框内所示.该变流器的数学模型是根据三相电压型变流器的拓扑结构,在三相静止坐标系中利用电路基本定律(基尔霍夫电压、电流定律)对变流器建立的一般数学描述[１３Ｇ１４].在此假设:电动势为三相平衡的纯正弦波电动势;电感L是线性的,且不考虑饱和;主电路的开关视为理想元件,通断可以用开关函数描述;变流器的直流侧由电阻RL和直流电势eL串联表示.定义单极性二值逻辑开关函数Si为:Si＝１　　上桥臂导通,下桥臂关断０　　上桥臂关断,下桥臂导通{(３)式中:i取a,b,c.根据基尔霍夫电压定律,得abc三相回路的电压方程为:usa＝Ldisadt＋Risa＋(Saudc＋uNo)usb＝Ldisbdt＋Risb＋(Sbudc＋uNo)usc＝Ldiscdt＋Risc＋(Scudc＋uNo)ìîíïïïïïïïï(４)由前面的假设可得,系统三相对称,故usa＋usb＋usc＝０isa＋isb＋isc＝０{(５)交流侧相电压为:uiN＝Siudc(６)联立式(４)—式(６)得:uNo＝－udc(Sa＋Sb＋Sc)３＝－uaN＋ubN＋ucN３(７)１．３　系统控制策略图１给出了目前普遍采用的背靠背式变流器的控制策略,该控制策略中,直流母线电压udc的稳定由网侧变流器控制,同时网侧变流器还承担着调节电网功率因数的任务,使系统运行在单位功率因数下.采用外环控制直流母线电压和无功功率、内环控制电流的双闭环控制,控制母线电压的同时,通过调节dq轴电流分量可分别控制有功和无功功率的大小[１５].机侧变流器采用转速外环、电流内环的双闭环控制方式.外环控制电机转速跟踪给定值,电流环给定参考电流isd＝０,通过转子磁场定向控制策略,实现PMSG的有功功率和无功功率的解耦控制.２　故障分析实际应用中,IGBT与其反并联的二极管同时故障的概率较低,故本文涉及的开路故障只针对IGBT的开路.下面以变流器a相上桥臂开路故障为例进行故障分析,当a相上桥臂IGBT驱动电路故障或驱动信号丢失时,该IGBT不工作,处于断开状态,而与其反并联的二极管D１仍正常工作,变流器简化电路图见图２.isaCD1D4+BudcNIGBT4IGBT1图２　a相上桥臂开路故障时的变流器简化电路图Fig．２　SimplifiedcircuitdiagramfortheconverterwithanopenＧcircuitfaultintheupperarmofphasea—４２—２０１４,３８(１４)　　　如图２所示,故障时a相上桥臂只通过一个二极管D１连接到直流母线的正极,该二极管的通断只与二极管两端的电压差有关.此时电压uaN由电流isa的极性和a相下桥臂IGBT的开关状态决定[１６].２．１　a相电流isa≠０的情况１)当isa＞０(与图２中isa方向相同)并且Sa＝０时,无论IGBT１是否故障,均为下桥臂IGBT４导通,a相其余器件均关闭,此时uaN＝０,Saudc＋uNo＝uNo＝uNa＋uao＝uao.２)当isa＞０且Sa＝１时,下桥臂IGBT４关断,上桥臂IGBT１因故障而失去作用,只能由上桥臂D１导通;但无论IGBT１是否故障,均有uaN＝udc,此时Saudc＋uNo＝udc＋uNo＝udc＋uNa＋uao＝uao.３)当isa＜０(与图２中isa方向相反)且Sa＝０时,无论IGBT１故障与否,只有下桥臂D４导通,故uaN＝０.Saudc＋uNo＝uNa＋uao＝uao.４)当isa＜０且Sa＝１时,正常工作时IGBT１导通,IGBT４关断,uaN＝udc,Saudc＋uNo＝uao.而IGBT１故障时,由D４代替IGBT１构成电流通路,uaN＝０,Saudc＋uNo＝udc＋uNa＋uao＝udc＋uao.正常运行和IGBT１开路故障时,a相工作情况及uaN与Saudc＋uNo值的比较如表１所示.表１　a相上桥臂开路故障下isa≠０时的a相运行情况Table１　Operatingconditionofphaseaforisa≠０underanopenＧcircuitfaultintheupperarmofphaseaisa取值Sa运行状态导通器件uaNSaudc＋uNoisa＞００正常IGBT４０uaoIGBT１故障IGBT４０uaoisa＞０１正常IGBT１udcuaoIGBT１故障D１udcuaoisa＜００正常D４０uaoIGBT１故障D４０uaoisa＜０１正常IGBT１udcuaoIGBT１故障D４０uao＋udc２．２　a相电流isa＝０的情况a相电流isa＝０时,对图１中节点o列写KCL方程得:isb＋isc＝０(８)由于isa＝０是瞬时的,当a相故障时,该相所有开关器件上均无电流流过,但这些开关器件却可以暂时维持导通状态,其中IGBT的通断受空间矢量脉宽调制(SVPWM)脉冲信号控制,二极管在其两端电压差达到其门槛电压(理想状态下门槛电压为零)时导通.例如,当开关模式为(Sb,Sc)＝(０,０)时,bc两相都是下桥臂IGBT导通,上桥臂关断,再加上电流又必须满足式(８)的约束,因此,bc两相中,只有IGBT６和D２或IGBT２和D６导通两种情况,但无论是哪种工作情况,都有ubN＝ucN＝０ubo＝uco＝－uao２ìîíïïïï(９)uaN＝uao＋uob＋ubN＝３uao２(１０)根据图１可得:uNo＝uNa＋uao＝uNa－usa－Risa－LisauNb＋ubo＝uNb－usb－Risb－LisbuNc＋uco＝uNc－usc－Risc－Liscìîíïïïï(１１)将式(１１)中的３个等式相加,再结合下式:isb＋isc＝０usa＋usb＋usc＝０{(１２)可知,式(７)此时依然成立,联立式(９)—式(１２)可得:uNo＝－uaN＋ubN＋ucN３＝－uaN３(１３)uao＝２uaN３(１４)再结合图２显然可知,当且仅当uaN≤０即uao≤０时,下桥臂二极管D４导通;当uaN≥udc时,上桥臂D１导通.据上述分析可知,电压uaN由bc两相的开关模式和电压uao和udc确定.当uao≥２udc/３时,上桥臂D１导通,uaN＝udc,Saudc＋uNo＝Saudc－udc/３;当uao≤０时,下桥臂D４导通,uaN＝０,Saudc＋uNo＝Saudc;当０＜uao＜２udc/３时,所有器件均不满足导通条件,根据式(１０),有uaN＝３uao/２,Saudc＋uNo＝Saudc－uao/２.同理可得,变流器在其他开关模式下的工作情况,如表２所示.正常工作时,uaN＝Saudc,uNo＝－udc(Sa＋Sb＋Sc)/３,表２中不再赘述.根据表１和表２可以看出:变流器a相上桥臂IGBT１的开路故障会影响变流器的正常运行,使得电压uaN和Saudc＋uNo异于正常值.系统运行中usa恒定,结合式(４),Saudc＋uNo的改变即会引起电流isa的变化.由此,易知变流器a相上桥臂的开路故障会影响电流isa,使其发