随着能源危机和温室效应的加剧,可再生能源变得越来越重要且引人关注。在不同形式的可再生能源中,潮流能由于其高度可预测性、储量巨大以及受天气影响较小等优势,近年来越来越受到学术界和工业界的关注。受恶劣的海洋环境影响,基于潮流能源的涡轮机系统的电力转换链中很容易出现故障,尤其是发电机和功率变流器的部分。因此,为了提高涡轮机系统的可靠性和可用性,本论文采用了五相非正弦波反电动势永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG）。与传统的三相PMSG相比,五相PMSG的主要优点在于它可以在一相或两相损失的情况下继续运行。因此,本论文集中讨论了五相PMSG的相开路故障和其直接连接的机侧转换器的开开关故障。尽管五相PMSG能够提供比传统三相机器更高的容错能力,但在故障条件下,转矩纹波和功率扰动仍然很高,这会降低了潮流能源利用的效率。为了解决这些问题,开发高效的故障诊断（故障检测和定位）和容错控制技术成为两个关键因素。本论文的主要工作由以下5个方面总结:在第一章中,首先根据潮流能源的优势说明了研究背景和意义。然后整理了国内外基于潮流的涡轮机项目,用以观察存在的差距和不足。此外,介绍了不同潮流涡轮机系统的结构,以选择直驱式PMSG和背靠背变流器器的拓扑结构。潮流涡轮机发电系统极易受到恶劣海况的影响,且存在较高的故障率（主要在发电机和变换器中）。为提高系统的可用性,本文选择了 5相非正弦波反电动势的PMSG,与5相和3相正弦波反电动势的PMSG相比,且对其优点进行了比较分析。之后,选择机侧相开路和开关开路故障作为本文的研究故障类型,以强调由于五相的结构冗余而增加的故障容限。接着,概述了现有的故障诊断和容错技术的主要类别以及围绕五相PMSG应用的相关学术工作。最后,介绍了本论文的主要目标、工作内容和结构。在第二章中,首先对所研究的潮流涡轮机系统的整个电力转换链的每个部分进行了建模。PMSG的动态模型的主机和次级子电机是在Park变换的基础上建立的。之后,在所建模型的基础上,设计了机侧和网侧的双闭环控制策略,旨在实现健康状态的受控运行。此外,还设计了转矩/电流控制器的最佳参考值,目的是使铜损最小化。之后,在MATLAB/SIMULINK中建立了兆瓦级的背对背仿真装置。其中,对比了不同的仿真建模方法的性能,最终选择等效电路的方法构建五相非正弦波反电动势PMSG。该仿真设置验证了系统在恒定和可变速度下的性能。在第三章中,重点讨论了故障检测和定位问题。为了克服基于移动平均计算的传统检测方法时延的缺陷,这里考虑了一种基于定子电流波形奇异性检测的新方法。此外,这种方法不需要系统模型,可以适用于其他相关应用。所提出的基于突变检测的方法使用了一种新的滤波导数算法,其由一个具有快速跟踪能力的二阶广义积分器进行实现。所提出的滤波导数算法的参数调整过程,在拉普拉斯频域和时域中进行了分析。考虑到所提算法对噪声的敏感性,提出了一种故障检测和定位策略。该策略包括一个指标增强机制、一个自适应检测律和一个稳定的故障定位方法。指标增强依赖于开路故障瞬间的相电流波形的瞬时响应特性,基于权重分配实现,以突出原始故障指标中的有用成分。此外,还设计了一个依赖于五相电流均方根值的自适应检测阈值,以提高该策略在不同工作条件下的适用性。通过仿真验证,可以发现所提出的故障检测和定位策略便于实时操作,不依赖系统模型,并能有效降低故障检测和定位的误报和漏报率。在第四章中,为了保持五相PMSG潮流涡轮机系统在故障运行模式下的可用性,主动容错控制策略是必要的。现存文献中大多基于不同故障情况切换对应的容错控制参考信号。然而,这需要在不同的故障模式下进行精确的系统建模,从而会导致大量的计算负担。为了克服这一局限性,本工作中研究了一种基于扰动观测器的无先验知识的主动容错控制策略。提出主动容错控制策略是基于广义比例积分观测器（generalized proportional integral observer,GPIO）进行实现的。GPIO 被用来同时实现故障检测和容错控制。然后根据观测器的带宽和补偿的性能分析讨论了 GPIO和容错补偿的参数调整,以实现在故障情况下的转矩纹波最小化。依据使用不同补偿参数的仿真测试,所提出的主动容错控制策略的可行性得到了验证。该策略还与其他基于不同容错参考信号切换的方法（如等效电流振幅和最小铜损容错控制）进行了比较。从仿真结果中发现,所提出的方法在无需预先知道系统的故障模型的情况下,即可实现等效降低转矩纹波。在第五章中,首先建立了一个基于dSPACE和3.3千瓦五相PMSG的小功率规模实验平台。在这个平台上,通过使用可调速的直流电机来模拟潮流涡轮机。在IREENA实验室实现的这个实验平台,被用来验证所提出的故障检测和定位以及主动容错控制策略。根据所获得的实验结果,可以验证所提出的故障检测和定位策略（在第三章中开发）对转矩和速度变化具有高度的鲁棒性。与两个经典的策略,即基于移动平均的策略和基于Luenberger观测器的策略相比,所提出的策略能够更快、更准确地检测和定位单个和多个开路故障。此外,通过不同的故障案例对其性能进行了评估,所提出的主动容错控制策略（在第四章中开发）的性能得到了验证。实验结果证实,这种方法能够在不事先了解故障模式和故障模型的情况下减少转矩纹波。最后,对已经完成的研究工作进行了总结,对于一些仍未解决的问题和仍然存在的挑战将作为未来需要完成的任务。