三个并联电压源换流器的故障诊断MATLAB仿真资料

三个并联电压源换流器的故障诊断MATLAB 仿真

(本文只是初步尝试性验证仿真，仅供参考

)

这个系统是用于风力发电中三并联变流器开关器件故障检测的。通过对变流器的三相电流检测分析来推测出放生故障的开关器件。

先介绍一下三并联变流器风力发电系统的电路拓扑结构，如下图所示：

最左侧是一个连接风轮叶片的永磁同步发电机，风机发出的电能通过三个并联的三相整流桥整流，整流后的直流电经过三个并联的三相逆变桥变换成交流电，再经过LCL 滤波接入三相电网。

整个系统中处于重要位置的是变流器环节，因此对其故障检测显得尤为重要。一般变流器故障分为三类：1，直流侧电容故障。2，传感器故障。3，开关器件故障。而在这些故障中开关器件的故障是最主要的。开关器件的故障分为两类：短路故障和开路故障。发生短路故障的原因可能是系统的外部因素造成的，也可能是开关器件的损毁造成的。如果发生短路故障，其他的开关器件，直流侧电容和发电机可能

会被异常的过电流毁坏。开路故障的原因可能是门极驱动故障或者IGBT 门极损坏。这时电流将失去平衡，产生涟漪波纹。如果系统继续运行，则发电机或者负载会因为噪声和震动出现问题。因此监测开关器件的故障和识别出故障的器件将变得至关重要。

传统的故障检测方法：1，基于模型的方法（需要精确的系统模型）。2，基于信号的方法（需要附加传感器来检测电流或电压信号）。 本文提出的能够通过检测三相电流来识别开关器件的开路故障。而且这些电流是已经被检测出来的，用于控制变流器。换言之，不必安装额外的电压和电流传感器。检测到三相电流后对其进行abc to dq0的坐标系变换，公式如下所示：

i =i -i -i s

d s

3a s

3b s

3c

i =s

q 3(i -i ) s b s c

在d-q 坐标系中基于开关器件不同的状态电流矢量在坐标平面上呈现出特殊的形状。

电流矢量如果呈圆形则表明所有的开关器件都没有出现开路故障。 相反，如果一个开关器件发生故障，电流矢量就会呈现出不同于原来状态的特殊形式。

而且，图形的形状取决于发生故障的开关器件，即特定的故障组合对应特定的图形形状。

如果电流矢量呈半圆形，则六个开关器件中有一个正处于开路故障。此外，电流矢量会有一个不同的矢量角根据不同的开关器件发生故

障。

如果有两个开关发生开路故障，则电流矢量呈扇形或者线性，同时也会有不同的矢量角和分布角。继而得出结论：图形形状，电流矢量角和分布角是检测故障开关器件的可靠指标。这种方法可以应用于三并联变流器系统中。

检测参数的定义和计算

1，面积

S =∑S i =∑i =0i =0n n πr i 2ρ360

ρ=ρi +1-ρi

r i =(i di ) 2+(i qi ) 2

2，矢量角：水平坐标轴和质心的角度。

φ=tan （s -1i q (cm )

s i d (cm ) ）

s s s i =0. 5(i +i 其中：d (cm ) d (max)d (min))

s s s i q =0. 5(i +i (cm ) q (max)q (min))

3，分布角：

θ=θmax -θmin

因此，应用以上原理对图形的分析可以确定是哪个开关器件发生了故障。当所有开关器件无故障运行时，电流矢量呈现出一个圆形。如果电流矢量呈现出一个半圆，则六个开关器件中有一个发生了故障。如果，电流矢量是一个扇形或者线性，则六个开关器件中有两个发生了故障。

2详细解释机侧和网侧的控制方案，包括必要的数学表达式； 答：机侧控制：机侧变流器的控制用的是全电流控制，也就是三个支路电流之和。因此，只需要一个电流控制器，这三个并联的支路可以共享相同的pwm 信号。控制器通过执行最大功率跟踪运算，可以从发电机侧获得尽可能大的功率。

网测控制：网测变流器的控制器同样也是用的全电流控制。网侧变流器不仅控制直流侧电压，也控制功率因数，使发出的电能更加有效的传输到电网。当执行并网操作的时候需要知道电网的同步相位角，这个可以通过一个锁相环（PLL ）模块实现。

3 对系统进行仿真：

1）正常情况

2）T1-T6 单个管子发生故障；

3）T1-T6 中通识有2个管子故障故障；

要求给出管子的详细参数，并分别画出每种情况下的和的波形。

答：本系统的仿真分为一下几个步骤：

一，把系统拆分成两个部分，从中间直流侧把系统一分为二，左侧是三并联三相整流部分，右侧是三并联三相逆变部分。

二，分别对整流部分电路和逆变部分电路建模，并进行故障检测仿真。 三，再把整流电路和逆变电路串联起来得到本系统三并联大功率变流器系统。然后，对其进行故障检测仿真。

建模和仿真环境：MATLAB2014a i q s i d s

a, 整流电路仿真

电路模型如上图所示：风力发电机组部分用三相电源模块代替。 各模块参数：

三相电源模块：

Phase-to-phase rms voltage (V):380

Phase angle of phase A (degrees):0

Frequency (Hz):50

pwm 发生器：

交流侧电感：3.4e-3

直流侧电感：8e-2，电容：8e-3，电阻：1 仿真算法ode23tb

仿真直流侧输出波形如下图：

整流输出波形

b, 逆变电路仿真

各模块参数如下：

Pwm 发生器：

各桥臂逆变输出侧电感L21，L15，L3：1e-3 交流侧电感L6，L18：5e-3

LC 滤波电路L ：5e-2,C:5e-3

仿真算法：ode45

仿真结果

当无故障时XYGraph 输出波形如下：

逆变电路无故障仿真波形

T6开路时XYGraph 输出波形如下：

逆变电路T6故障仿真波形

C, 变流器整体仿真

模块参数参考以上两个仿真模型。

无故障时XYGraph 输出波形如下：

变流器无故障仿真波形

T1断开时的波形

T1和T3断开时的波形