【摘 要】
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为实现世界能源结构转型和人类的可持续发展,全球“降碳”进程持续提速,风能因为丰富的资源储量和成熟的研究开发技术,已经成为目前最具有一定规模化综合利用潜力的可再生能源,为实现“碳中和”目标注入强大的绿色动力。伴随着“十四五”规划的发布,风电产业前景向好,风电发展实现加速提质已经是必然的趋势,然而变流器作为直驱永磁风电系统能量转换的关键设备和极易出现故障的脆弱环节,提升其可靠性和可用度也变得更加重要。
【基金项目】
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湖南省重点研发项目“服役风电机组故障辨识与预测技术研究”（No.2018GK2073）; 湖南省自然科学基金“基于SCADA数据挖掘的风电机组监控系统传感器状态智能提取与预测”（No.2019JJ50154）
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为实现世界能源结构转型和人类的可持续发展,全球“降碳”进程持续提速,风能因为丰富的资源储量和成熟的研究开发技术,已经成为目前最具有一定规模化综合利用潜力的可再生能源,为实现“碳中和”目标注入强大的绿色动力。伴随着“十四五”规划的发布,风电产业前景向好,风电发展实现加速提质已经是必然的趋势,然而变流器作为直驱永磁风电系统能量转换的关键设备和极易出现故障的脆弱环节,提升其可靠性和可用度也变得更加重要。本文以2MW直驱永磁风电系统变流器的IGBT开路故障作为研究对象,围绕变流器开路故障诊断和故障后的容错控制策略展开研究,主要进行以下几方面的研究工作:1.直驱永磁风电系统数值模型的构建及其修正。基于MATLAB/Simulink平台搭建了直驱永磁风电系统的数值模型,并利用风电场SCADA数据对模型进行参数修正,使模型具有与接近实际的工作性能,为后续变流器故障诊断和容错控制策略的设计和仿真奠定了基础。2.风电变流器开路故障特征理论分析。将开路故障归纳为五种故障类型,考虑故障时变流器回路方程中电压的变化特征,分析开路故障对系统运行特性的影响。结合Simulink仿真得到了开路故障后相电流的波形畸变情况、THD结果以及其他多个变流系统运行参数的变化情况,验证了理论分析的正确性,为进一步研究变流器开路故障诊断和容错控制策略提供了理论依据。3.风电变流器开路故障诊断策略设计。选择相电流信号作为诊断依据,按照故障检测和故障定位的思路提出基于指数变换和幅值重构的故障诊断方法。检测方法基于经过指数变换和幅值重构的相对电流残差和自适应阈值来检测故障,定位方法基于故障相电流的平均值。为验证所提方法的有效性,在2MW直驱永磁风电系统模型中进行了鲁棒性分析和多IGBT开路故障诊断分析,并和现有的多种故障诊断方法对比,验证了该方法的可靠性和有效性,为后续容错控制策略的研究奠定了研究基础。4.风电变流器开路故障后的容错控制策略研究。考虑SVPWM空间电压矢量在变流器不同类型的开路故障下的变化,提出基于SVPWM参考电压矢量重构的容错控制策略,重新选择可用的基本空间矢量,并重新分配各矢量的作用时间以重构故障参考电压矢量;在原有系统的基础上与故障诊断系统相结合,在MATLAB/Simulink环境下的构建了完整的风电变流器开路故障诊断及容错控制模型,仿真结果验证了该方法的有效性,能有效降低电流畸变程度,减小直流母线电压的波动。
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