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计及二次侧开关开路故障的半有源桥变换器多模式容错运行策略

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电工技术学报 2024年第6期39卷 1843-1858页

作者：管硕马建军朱淼张德桢上海电力大学电气工程学院上海200090 上海交通大学国家电投智慧能源创新学院上海200240 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 国网上海市电力公司特高压换流站分公司上海201413

半有源桥(S-DAB)变换器广泛适用于电动汽车充电、光伏发电等仅需单向功率流的多种场景。针对二次侧开关开路故障,为了提高S-DAB的可靠性,需要采取容错运行策略抑制故障电流保证高可靠性运行。该文分析S-DAB正常运行模式的工作原理。在... 详细信息

半有源桥(S-DAB)变换器广泛适用于电动汽车充电、光伏发电等仅需单向功率流的多种场景。针对二次侧开关开路故障,为了提高S-DAB的可靠性,需要采取容错运行策略抑制故障电流保证高可靠性运行。该文分析S-DAB正常运行模式的工作原理。在此基础上,提出S-DAB变换器二次侧开关发生开路故障时故障诊断与容错单有源桥(SAB)运行方法。所提出的故障诊断策略只需要一个额外的电压传感器能够识别二次侧故障开关位置。在实现故障定位后,基于所提容错SAB方法,能够保证开路故障后,变换器仍具备一定的功率传输能力。所提方法能够以较低的成本提高变换器容错运行的可靠性。实验结果验证了所提出的故障诊断策略与容错SAB模式的有效性。

关键词：半有源桥(S-DAB)变换器开路故障故障诊断容错运行可靠性

远海岛屿海上风电经柔性直流并网系统单极接地故障下的容错运行策略

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南方电网技术 2024年

作者：李韬赵海宇周泓宇姚伟文劲宇强电磁技术全国重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)

针对以远海岛屿特殊地理环境为背景的海上风电经柔性直流输电并网系统的直流单极接地故障问题，提出了一种故障期间实现一半额定功率传输的容错运行策略，以减少停运损失，并提高受端电网安全稳定性。首先采用岛上风电侧半桥型模块化多... 详细信息

针对以远海岛屿特殊地理环境为背景的海上风电经柔性直流输电并网系统的直流单极接地故障问题，提出了一种故障期间实现一半额定功率传输的容错运行策略，以减少停运损失，并提高受端电网安全稳定性。首先采用岛上风电侧半桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)和岸上并网侧混合型MMC的输电拓扑，并分析了其直流线路故障特性；通过利用风电侧换流站可串联备用变压器组网方案，避免了风电场因低压脱网，实现了故障期间的直流持续降压运行；进而在岛上配置了风电侧直流耗能装置，解决了风电场长时间减载下风电侧换流站的能量盈余问题，使系统进入一半额定功率传输的容错运行模式。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提远海岛屿海上风电经柔直并网系统直流单极接地故障下容错运行策略的有效性。

关键词：远海岛屿海上风电柔性直流输电容错运行单极接地模块化多电平

最大转矩范围内九相永磁同步电机缺相容错运行铜耗优化策略

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电工技术学报 2022年第17期37卷 4355-4363页

作者：李修东郑晓钦王海峰吴新振青岛大学电气工程学院青岛266071 青岛大学自动化学院青岛266071

输出转矩最大(MT)与定子铜耗最小(ML)是多相电机缺相容错运行时常见的两种优化目标,而现有容错控制方案多在两者之间选择,难以同时兼顾。该文针对九相永磁同步电机缺一相、两相故障,提出一种最大转矩范围内可同时兼顾两种目标的优化控... 详细信息

输出转矩最大(MT)与定子铜耗最小(ML)是多相电机缺相容错运行时常见的两种优化目标,而现有容错控制方案多在两者之间选择,难以同时兼顾。该文针对九相永磁同步电机缺一相、两相故障,提出一种最大转矩范围内可同时兼顾两种目标的优化控制策略。该策略首先以MT为目标,计算出故障电机的最大输出转矩;然后在最大转矩范围内以ML为目标对不同负载工况下的定子铜耗进行优化,实现了故障电机最大转矩范围内的最优铜耗控制;最后,通过一台9kW九相永磁同步电机不同缺相容错控制实验,验证所提策略的有效性。

关键词：最大转矩范围铜耗优化缺相故障容错运行

海上风电直流单极接地故障下容错运行的组网方案与控制

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中国电机工程学报 2022年第13期42卷 4835-4847页

作者：周泓宇姚伟左文平方家琨周猛朱鑫要文劲宇强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院) 湖北省武汉市430074 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院江苏省南京市211103

随着远海大容量海上风电的发展,基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的高压柔性直流输电技术成为实现远海风电输送的重要方案。然而,由于高压直流外送电缆距离长,敷设环境恶劣,外送电缆易遭受各类意外事件。该文... 详细信息

随着远海大容量海上风电的发展,基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的高压柔性直流输电技术成为实现远海风电输送的重要方案。然而,由于高压直流外送电缆距离长,敷设环境恶劣,外送电缆易遭受各类意外事件。该文针对海底电缆最为常见的单极永久性接地故障,结合海上半桥型MMC—岸上混合型MMC的输电拓扑,分别提出利用海上换流站一主一备变压器和接入低电压等级变压器2种组网方案,进而提出实现容错运行的换流站、风电场容错控制策略。最后仿真验证了在所提组网方案下,该文所提控制策略可实现海底电缆单极接地故障下海上风电经柔直并网系统容错运行,并分析对比了所提方案的技术难度、作用效果、经济性及适用场景。

关键词：海上风电柔性直流输电容错运行模块化多电平变换器单极接地

三相三电平飞跨电容逆变器的故障检测和容错运行研究

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三相三电平飞跨电容逆变器的故障检测和容错运行研究

作者：徐媛媛湖南大学

学位级别：硕士

近年来,三电平变换器凭借其在输出波形谐波、器件电压应力和损耗等方面的优越性被广泛应用于一些中高压大功率领域。但在性能提升的同时,开关数量的增加也意味着逆变器的控制复杂程度和故障发生概率显著提升,而系统的安全性也随之遭受... 详细信息

近年来,三电平变换器凭借其在输出波形谐波、器件电压应力和损耗等方面的优越性被广泛应用于一些中高压大功率领域。但在性能提升的同时,开关数量的增加也意味着逆变器的控制复杂程度和故障发生概率显著提升,而系统的安全性也随之遭受威胁。因此,为避免故障可能导致的严重后果,针对多电平变换器的可靠性展开研究至关重要。本文选用常见的三相三电平飞跨电容(FC)逆变器为研究对象,主体研究就其调制算法、故障检测和容错控制策略等方面展开。首先,针对传统空间矢量调制(SVPWM)算法存在的计算量大的缺点,提出了改进型SVPWM算法。在对三相三电平飞跨电容逆变器的拓扑结构、工作原理和传统SVPWM算法的实现过程进行简单介绍后,将空间矢量从直角坐标系对应到120°坐标系,大大简化了实现流程,并通过在算法流程中加入了移相载波调制和等效占空比计算模块实现了飞跨电容电压的自动平衡,同时逆变器获得了更好的输出性能。在仿真软件中搭建逆变器模型,并通过分别将两种坐标系下的SVPWM算法作用于逆变器进行对比分析,验证了改进型算法的优势。其次,提出了一种三相三电平飞跨电容逆变器的故障检测方法,为后续的容错控制提供了必要条件。对逆变器开关器件的故障进行分类研究,重点对比了逆变器工作在无故障、外管开路故障、内管开路故障、外管短路故障和内管短路故障这几种状态下的负载电流流通路径,得出不同故障下的飞跨电容电压与负载电流变化特征。据此提取了飞跨电容电压和负载电流作为故障检测的特征信息。通过仿真验证该方法可以实现故障的准确定位,且实现算法较为简单、计算量小。接着,提出了一种通用的容错控制策略。为了在故障情况下提供冗余的通流路径,需要在每个开关器件两端并联晶闸管。对逆变器发生的故障开关器件进行定位后,通过控制晶闸管导通实现故障器件的旁路,将单管故障统一转化为短路故障进行后续处理。根据故障器件被旁路后逆变器的空间矢量分布,在矢量图中分化出故障区。在非故障区利用冗余空间矢量实现容错控制,而在故障区则选取边界矢量对参考矢量进行合成,确保逆变器出现故障后能够继续运行,显著提升了逆变器的可靠性。通过仿真验证了该方法的可操作性和有效性。最后,介绍RT-LAB半实物仿真平台及其涉及的硬、软件设计,并基于该平台搭建了三相三电平飞跨电容型逆变器的容错控制模型,验证了本文提出的新型调制算法、故障检测和容错控制策略的可行性和有效性。

关键词：三电平逆变器飞跨电容 SVPWM 故障检测容错运行

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共母线开绕组电机容错运行控制策略研究

共母线开绕组电机容错运行控制策略研究

作者：鹿文蓬中国矿业大学

学位级别：硕士

随着石油危机以及气候环境的恶化,电动汽车凭借低排放、高效率的特点得到了人们的重视,并迅速推广开来。与传统燃油汽车不同,电机及其驱动系统是电动汽车最重要的部件,并决定着电动汽车性能的好坏。传统永磁同步电机以及异步电机已经在... 详细信息

随着石油危机以及气候环境的恶化,电动汽车凭借低排放、高效率的特点得到了人们的重视,并迅速推广开来。与传统燃油汽车不同,电机及其驱动系统是电动汽车最重要的部件,并决定着电动汽车性能的好坏。传统永磁同步电机以及异步电机已经在大量电动汽车上得到了应用,但是随着人们对汽车安全性以及稳定性出的要求越来越高,传统三相电机的应用前景在一定程度上受到限制。将传统三相永磁电机定子绕组的中性点打开得到的开绕组永磁同步电机（简称开绕组电机）,不仅具有高效率、体积小的特点,采用双逆变器驱动的拓扑结构还具有一定的容错能力,因此研究开绕组电机的控制策略以及故障下的容错运行具有重要的现实意义。首先,本文介绍了开绕组永磁同步电机驱动系统常采用的几种拓扑结构,并根据电动汽车实际情况,选择单电源结构供电的拓扑系统为本文研究对象。为更好理解开绕组电机的工作特点,基于传统永磁同步电机的数学模型,研究了开绕组电机在不同坐标系的数学模型,同时确定以SVPWM作为开绕组电机控制方式。其次,通过对传统三相SVPWM控制策略进行分析,将矢量控制应用在双逆变器拓扑结构下。由于单电源供电的拓扑结构易受到共模电压以及零序电流的影响,本文分析了不同开关组合输出共模电压的大小,通过基于旋转坐标系下的矢量调制区间对共模电压进行了有效抑制。然后,针对逆变器最常出现的功率器件损坏这一故障,研究了开绕组电机在故障下的容错运行。出了基于磁动势等效的两相SPWM容错运行,实现了基于双逆变器开关矢量冗余的SVPWM容错运行;为了解决容错运行下共模电压过大的问题,根据旋转坐标系下各功率器件的开关状态,出异相桥臂互联的三相SVPWM容错控制,仿真实验表明本文出的容错方案能够维持电机在功率器件故障下的稳定运行。最后,本文基于单片机STM32搭建了开绕组电机驱动系统的硬件平台,并对驱动系统中的关键部分进行了介绍;通过对实验结果分析证明了本文出控制方案的正确性。

关键词：开绕组永磁同步电机共模电压容错运行双逆变器控制

矩阵式变换器-异步电机系统的故障保护及容错运行方式

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电工技术学报 2006年第12期21卷 66-70,78页

作者：王莉娜黄立培北京航空航天大学自动化学院北京100083 清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京100084

矩阵式变换器(MC)没有自由续流回路,这使得其安全保护成为一个难点。本文提出了一种新的矩阵式变换器-异步电机系统(MCIMS)故障保护方式,当出现故障时,通过控制变换器开关或进行结构重组为电机提供一个可控的续流回路,使电机迅速释放储... 详细信息

矩阵式变换器(MC)没有自由续流回路,这使得其安全保护成为一个难点。本文提出了一种新的矩阵式变换器-异步电机系统(MCIMS)故障保护方式,当出现故障时,通过控制变换器开关或进行结构重组为电机提供一个可控的续流回路,使电机迅速释放储存能量安全停车或容错运行,并针对电机过载、电力开关断路和短路三种情况分析了所提出保护策略的可行性。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：矩阵式变换器故障保护容错运行

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BLDCM两相短路的四步换相容错运行方法

电工技术学报 2019年第7期34卷 1413-1422页

作者：周奇勋王坤刘娜张玉峰西安科技大学电气与控制工程学院西安710054 同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室上海200092

无刷直流电机运行过程中发生相短路,易引起二次故障,造成电机控制系统的功能丧失。针对无刷直流电机绕组两相短路故障情况,提出一种四步换相容错控制策略,确保电机故障后系统继续运行。通过在电机绕组设置电流检测元件,对三相电流进行检... 详细信息

无刷直流电机运行过程中发生相短路,易引起二次故障,造成电机控制系统的功能丧失。针对无刷直流电机绕组两相短路故障情况,提出一种四步换相容错控制策略,确保电机故障后系统继续运行。通过在电机绕组设置电流检测元件,对三相电流进行检测,将连续两次检测值的差值作为特征量进行故障定位;根据定位结果,改变逆变桥功率管导通次序、导通时间,实现对电机两相短路情况下的容错控制,同时实现故障隔离。针对电机容错运行时转矩脉动较大的问题,采用H_PWM-L_ON调制方式并在换相时刻优化占空比,进行转矩脉动抑制。详细阐述电机两相短路容错控制策略的工作机理与换相过程,并对提出的四步换相容错控制策略进行仿真和实验,结果表明,电机容错运行时非故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.5倍,故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.25倍,转矩脉动增加20%,转速波动在5%以内。

关键词：无刷直流电机两相短路故障定位四步换相容错运行

基于简化SVM的模块化多电平变换器多子模块故障容错运行策略

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中国电机工程学报 2021年第20期41卷 7104-7116页

作者：白志红李奕飞马皓浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027

针对模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)子模块数量多,故障率高的问题,文中研究单个或多个子模块发生故障后MMC的容错运行策略。文中首先将每6个子模块组合为一个子单元,提出一种简化的空间矢量调制(space vector mod... 详细信息

针对模块化多电平变换器(modularmultilevel converter,MMC)子模块数量多,故障率高的问题,文中研究单个或多个子模块发生故障后MMC的容错运行策略。文中首先将每6个子模块组合为一个子单元,提出一种简化的空间矢量调制(space vector modulation,SVM)方法。在此基础上,对单个或多个子模块发生故障后的MMC的运行进行分析,根据不同故障子模块数量以及所在相的不同,将所有可能故障情况分为3类,针对每种故障情况分别提出相应的容错运行方法。仿真和实验表明,采用所提出的方法,即使MMC中有子模块发生故障,其输出线电压的幅值和谐波畸变率与正常运行情况相比基本不变,其运行可靠性得以提高。

关键词：模块化多电平变换器子模块故障容错运行空间矢量调制