[发明专利]并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及并联变流器控制技术领域，尤其涉及并联三电平变流器开路故障容错控制技术及实现及系统。

背景技术

目前，可再生能源发展迅速，尤其是风电和光伏。随着风电技术的日益成熟，风电在世界范围内大规模发展。随着陆上风电资源的不断开发，风电开始从陆上向海上发展，海上风电机组大容量化是发展趋势。高可靠性是对海上风电变流器最基本的要求，多变换器并联运行的方式可以大幅提高风电变流器的可靠性，所以海上风电变流器一般采用多变换器并联的方式实现。

从单个变换器的拓扑结构上看，相比较两电平拓扑，三电平拓扑具有更多优点，随着控制技术的成熟，三电平拓扑不仅在中压领域，在低压领域也普遍应用。对于三电平拓扑，内外管的工作频率差异较大，外管处于高频切换状态，內管则处于常开通或常关断状态。外管开关状态的频繁切换使得外管更易发生开路故障。传统容错控制策略一般直接切除故障变换器，并联变流器进入降功率运行模式，这种容错控制简单却降低了并联系统的可用度。因此需要提出新的开路故障容错控制策略，提高并联变流器的可用度。

目前，国内外针对三电平变流器的外管开路故障容错控制方法主要有通过利用冗余开关状态、优化开关序列实现开路故障容错控制，但降低了直流母线的电压利用率；通过d轴电流注入消除外管开路导致的电流畸变和转矩波动，但注入d轴电流会改变系统的功率因数。

公开号为CN104578865A的发明专利公开了一种三电平四桥臂T型容错变流器及其控制方法，该发明基于冗余桥臂实现变流器故障后的容错控制。故障状态下，控制容错桥相应的双向可控晶闸管导通，使冗余桥臂代替故障桥臂投入容错运行。当直流母线中点电压发生大幅波动时，控制冗余桥臂相应的功率开关管导通，通过注入电感电流来快速调节中点电压的平衡，防止因中点电压的大幅波动引起功率开关管的过压击穿。但是，冗余桥臂、双向开关增加系统成本和复杂度，并不适用于大功率风电应用场合。

公开号为104578863A的发明专利公开了一种高容错性的三电平电路，该发明在常规三电平拓扑中增加四个辅助开关管，使得任何主开关管出现故障(短路或开路)的时候可以保证正常三电平输出，同时增加两个保险丝来保护短路故障下的正常输出。但是，该方法使得电路中的功率器件数量增加了一倍，大大增加了系统的成本与复杂度，不适合大功率应用场合，由于功率器件数量较多，一定程度上降低了系统的可靠性。

论文Lee J,Lee K.Open-Switch Fault Tolerance Control for a Three-Level NPC/T-Type Rectifier in Wind Turbine Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(2):1012-1021.针对风力发电系统的机侧变换器的工作特点，提出一种d轴电流注入的三电平整流器开路故障容错控制方法。通过注入d轴电流，避免电流流经发生开路故障的器件，从而消除外管开路导致的电流畸变和转矩波动，但注入d轴电流会改变系统的功率因数，影响了变流器的输出外特性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法及系统。

根据本发明提供的并联型三电平变流器的外管开路故障容错控制方法，包括：

步骤1：获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令，采用功率均分策略，得到并联型三电平变流器中的每个变换器的有功功率指令；

步骤2：计算并联型三电平变流器的功率因数角；

步骤3：根据并联型三电平变流器的功率因数角，计算并联型三电平变流器内部需注入的无功环流大小；

步骤4：根据计算得到的无功环流，在线更新并联型三电平变流器的无功功率指令。

优选的，通过电压外环调节器获取并联型三电平变流器的总有功电流给定指令。

优选的，计算并联型三电平变流器的功率因数角包括：

发电机反电动势e_s，定子电流i_s相位角为零，幅值分别为E_s、I_s，发电机端电压u_s的相位角为θ，幅值为U_s，L_s、R_s分别为发电机定子电感和电阻，ω_s为转子电气角频率，Z为发电机复阻抗，j为复阻抗虚部单位；

由上式可得相位角θ，即功率因数角