[論文] 風(fēng)電變流器的開路故障診斷研究

1、. 風(fēng)電變流器的開路故障診斷研究榮先亮1，姚鵬1，段其昌2 （1. 上海電器科學(xué)研究所（集團）有限公司，上海，200063；2. 重慶大學(xué)自動化學(xué)院,重慶 400044)摘要：首先分析了功率開關(guān)開路故障對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電流和其他變量的影響，提出了一種基于電流信號平均值的開路故障診斷方法，這種方法適用于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變流器中單個或兩個功率開關(guān)的開路故障診斷，針對診斷系統(tǒng)容易在同步速或同步速附近發(fā)生誤報的情況，提出了一種新的誤報抑制策略，即分別在亞同步和超同步速下，通過改變采樣數(shù)據(jù)在存儲器中的存儲方向來消除因為電流波形在同步速附近的對稱關(guān)系引起的誤報，仿真結(jié)果表明，該方法不僅能完全消除

2、誤報，而且能快速準(zhǔn)確診斷出開路故障的位置和類型。關(guān)鍵詞：風(fēng)能；雙饋風(fēng)力發(fā)電機；雙PWM變流器；開路故障診斷中圖分類號：TM 315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： AOpen Circuit Fault Diagnosis of the Converter for Wind Power Generation SystemDUAN Qi-chang1, RONG Xian-liang1, Zhang Li2, Duan Pan3(1. The School of Automation，Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. The School of E

3、lectrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)ABSTRACT: Open circuit fault of power switches and its effect on current and other variables of doubly-fed induction generator (DFIG) are analyzed in the beginning. An open fault diagnosis method，which is capable of detecting one o

4、r two open circuit fault of power switches in the back-to-back converter of a DFIG wind power generation system ，is proposed through investigating the mean value of current signals. A new false alarm suppressing strategy is introduced aiming at the false alarms happened around synchronous speed. The

5、 false alarms due to the approximately symmetrical current waveforms can be eliminated though changing the storage directions of sampling value at sub-synchronous and super-synchronous speed respectively. Simulation results show that this method can not only suppress false alarms but also detect the

6、 locations and styles of open-circuit faults precisely. KEY WORDS：wind energy; doubly-fed induction generator; double-PWM converter; open circuit fault diagnosis*; 1 引言風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性研究是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的熱門課題，在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙PWM變流器是最容易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)之一1，功率開關(guān)的短路故障和開路故障是其中比較典型的兩種，針對短路故障診斷的研究，目前已非常深入，并且已經(jīng)有一些標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能，對于開路故障診斷的研究，

7、目前也取得了一些基礎(chǔ)性成果2-7，其中，文獻(xiàn)2利用電機電流PARK向量的平均值來診斷開路故障，在文獻(xiàn)3中控制偏差法被用于診斷系統(tǒng)的開路故障，文獻(xiàn)4提出利用線電流的直流分量來分析開路故障，此外，文章4還通過DFT計算出線電流的一階諧波系數(shù)，以獲得不依賴實際負(fù)載的診斷變量，文獻(xiàn)56對上述方法進(jìn)行了分析和對比，產(chǎn)生誤報是這些方法的共同缺點，文獻(xiàn)7根據(jù)上述方法，提出了針對風(fēng)電系統(tǒng)的兩種開路故障診斷方法。這兩種方法的開路故障診斷速度較快，但是也同樣存在在外部影響或轉(zhuǎn)子電流頻率為零附近時發(fā)生誤報，并且轉(zhuǎn)子在同步速時運行的時間越長，誤報的時間就越長，針對這種問題，上述診斷方法一般通過加入死區(qū)時間或采用相應(yīng)的

8、故障抑制算法來抑制掉一些誤報時間比較短的誤報7，但是都沒有從根本上解決由診斷算法引起的誤報現(xiàn)象。針對上述問題，本文首先討論了開路故障對系統(tǒng)其他狀態(tài)變量的影響，在總結(jié)已有方法基礎(chǔ)上，提出一種適用于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的開路故障診斷方法，這種方法可以完全消除由于系統(tǒng)外部環(huán)境影響以及在同步速附近時發(fā)生地誤報現(xiàn)象，并通過仿真對所提算法進(jìn)行了驗證。圖1 雙PWM變流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of double-PWM converter2 開路故障對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的影響雙PWM變流器是由兩個電壓源逆變器背靠背連接在一起的，也叫背靠背變流器，在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中，功率可在雙PWM

9、變流器中雙向流動。亞同步速下，來自電網(wǎng)的功率經(jīng)變流器流向DFIG的轉(zhuǎn)子，超同步速下，來自風(fēng)力機的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)變流器流向電網(wǎng)，在變流器傳輸功率較低時，變流器功率開關(guān)的開路故障是一種短時間內(nèi)不會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的故障，但是如果長時間帶這種故障運行，將會造成系統(tǒng)部件產(chǎn)生不可逆的損壞，圖2顯示了功率開關(guān)T1發(fā)生開路故障時一些系統(tǒng)變量的變化。 圖2 開關(guān)T1開路故障對系統(tǒng)變量的影響Fig.2 Effects on the variables of DFIG with an open fault occurred at the power switch T1總的來說，開路故障對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾

10、個方面：（1） 造成DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大脈動，進(jìn)而導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)子的波動，如果長時間帶故障運行，則有可能導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)子和與其同軸的齒輪箱在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞損壞； （2）輸往電網(wǎng)的有、無功功率發(fā)生波動，且造成電網(wǎng)諧波污染；（3）降低電容的使用壽命；（4）輸出功率較大時，容易導(dǎo)致變流器其他正常工作的功率開關(guān)過流。在雙PWM變流器中，網(wǎng)側(cè)變流器的主要功能是保證直流側(cè)電壓幅值恒定，同時還具有調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)無功功率的作用，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要作用是調(diào)節(jié)和解耦輸出的有、無功功率，并保證系統(tǒng)在不同風(fēng)速下，執(zhí)行不同的工作模式，它具有的功能更多，相對于網(wǎng)側(cè)變流器，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的開路故障對電機、電網(wǎng)和風(fēng)力機的影響更

11、大，本文著重討論轉(zhuǎn)子側(cè)的開路故障。3 開路故障的診斷分析功率開關(guān)的開路故障會導(dǎo)致相應(yīng)的變流器橋臂無法導(dǎo)流，各輸入、輸出相電流也會因此發(fā)生形變4，如果故障發(fā)生在一相橋臂的上端（如T1,T1,T3,T3,T5,T5）,則相應(yīng)的相電流無法為正，如果發(fā)生在橋臂的下端（如T2,T2,T4,T4, T6, T6），則相應(yīng)的相電流不能為負(fù),因此故障橋臂上的相電流在一個周期內(nèi)有半個周期的幅值為零，如果這個橋臂都開路，則相電流幅值均為零。為便于診斷，對變流器的各輸入、輸出電流信號進(jìn)行非均勻采樣，采樣周期為=T/N,其中T為電流信號的周期,N為每周期的采樣點數(shù)（本文取N=64），通過式(1)、(2)、(3)可以判

12、斷變流器功率開關(guān)發(fā)生的開路故障7，m(k)表示m相電流信號在一個周期內(nèi)的平均值，m(k)表示m相電流信號的絕對值在一個周期內(nèi)的平均值，m(k)表示兩個平均值的比值， （1） （2） （3）其中當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，m(k)接近為0，m(k)是一個非零正值，所以m(k)接近為0，當(dāng)一個功率開關(guān)發(fā)生開路故障時, m(k)接近為1（T2,T2,T4,T4,T6,T6之一發(fā)生開路故障）或-1（功率開關(guān)T1,T1,T3,T3,T5,T5之一發(fā)生開路故障），當(dāng)同一個橋臂中的兩個功率開關(guān)同時開路時，電流信號im(k)基本等于零，從而導(dǎo)致m(k) 和m(k)都接近為零，因此，比值m(k)的值無法確定，所以無法根據(jù)

13、m(k)判斷一個橋臂上的兩個開關(guān)同時開路，但是m(k)在兩種情況下則出現(xiàn)了兩種不同值，即在系統(tǒng)正常運行時，m(k)為遠(yuǎn)大于零的值，而一個橋臂上的兩個開關(guān)同時開路故障時，m(k)接近為0，所以通過m(k)可以對這種情況加以判別，基于上述分析可知，可以通過變量m(k) 和m(k)得出以下故障特征： （4） （5） （6）其中Fm1表示m相橋臂的上端開關(guān)是否發(fā)生開路故障，F(xiàn)m0表示m相橋臂的下端開關(guān)是否發(fā)生開路故障，F(xiàn)m2表示m相橋臂上下兩個開關(guān)是否同時開路。各故障特征中的故障特征值1表示發(fā)生了相應(yīng)的開路故障，0則表示沒有發(fā)生，參數(shù)k0、k1是判斷故障是否發(fā)生的閾值，它們的取值需要根據(jù)實際實驗來進(jìn)行

14、確定，由于m(k)是一個比值，所以單個開關(guān)開路故障的診斷結(jié)果不受電機輸出功率大小的影響，具有很好的通用性，所以k0非常容易選取，k1的取值與電機的輸出功率大小有關(guān)，一般來說，在DFIG正常運行時，m(k) 的值遠(yuǎn)大于零，對于兆瓦級的DFIG更是如此，而發(fā)生故障Fm2時，m(k)基本接近于0，因此，k1值的選取也是非常容易的。將式(4)、(5)、(6)中的故障特征組合在一起，可以用來判斷變流器某一時刻是否發(fā)生故障，以及故障的數(shù)目和位置，表1中給出了對應(yīng)的單個或兩個開關(guān)開路故障的故障特征信號。如果將表1中T1T6和Fa1Fc2分別替換成T1T6和Fa1Fc2，則可以用該表診斷網(wǎng)側(cè)變流器功率開關(guān)的開

15、路故障。如果將上述故障診斷方法應(yīng)用于診斷雙PWM變流器的開路故障，則還有以下兩個問題需要解決：（1）在外界干擾或電流信號瞬變時診斷模塊容易產(chǎn)生誤報；（2）在同步速或同步速附近時診斷模塊容易產(chǎn)生誤報。導(dǎo)致這些誤報的原因主要是：上述診斷算法是根據(jù)電流平均值得出的，而上述兩種情況均會導(dǎo)致平均值發(fā)生突變，進(jìn)而導(dǎo)致誤報。在網(wǎng)側(cè)變流器中,連接電網(wǎng)的三相電流頻率恒定，即不存在電流頻率的變化問題，因此，網(wǎng)側(cè)診斷系統(tǒng)容易產(chǎn)生第（1）種誤報，而在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中，連接DFIG的三相電流頻率經(jīng)常在零到工頻的±33%范圍內(nèi)波動，所以以上兩種誤報都可能產(chǎn)生，為避免診斷系統(tǒng)對誤報過于敏感，一般可以通過在故障發(fā)生時

16、執(zhí)行一段死區(qū)時間屏蔽掉一些短暫的閃變誤報，使其不在最終的故障標(biāo)志中出現(xiàn)，死區(qū)時間的長短要根據(jù)實際系統(tǒng)中各種誤報時間的長短來確定，但是這種方法并不能屏蔽所有的誤報，例如，當(dāng)DFIG長時間運行于同步速時，這種診斷方法仍會出現(xiàn)誤報現(xiàn)象，由表1 開路故障診斷表Tab.1 Open fault diagnosis table故障開關(guān)故障特征信號Fa1Fa0Fa2Fb1Fb0Fb2Fc1Fc0Fc2T1100000000T2010000000T3000100000T4000010000T5000000100T6000000010T1,T2xx1000000T1,T3100100000T1,T4100010

17、000T1,T5100000100T1,T6100000010T2,T3010100000T2,T4010010000T2,T5010000100T2,T6010000010T3,T4000xx1000T3,T5000100100T3,T6000100010T4,T5000010100T4,T6000010010T5,T6000000xx1表中x表示0或1圖5可以看出，即使電機轉(zhuǎn)速短暫穿越同步速，也會引起誤報，為了防止這種長時間誤報的發(fā)生，可改變不同速度下的診斷策略得到解決，即當(dāng)電機運行在同步速下超過一定時間時，可以通過對轉(zhuǎn)子側(cè)診斷系統(tǒng)的每個故障標(biāo)志持續(xù)清零以防止誤報，這也相當(dāng)于執(zhí)行一個無限長

18、的死區(qū)時間，在DFIG偏離同步速時再使診斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，由圖2中的電磁轉(zhuǎn)矩波形圖可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩Te在發(fā)生開路故障時會發(fā)生波動，這也相應(yīng)的導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速的波動，所以DFIG在同步速下發(fā)生開路故障時，波動的電磁轉(zhuǎn)矩將會使DFIG偏離同步速，從而可以使診斷系統(tǒng)繼續(xù)工作并最終診斷出相應(yīng)位置發(fā)生地開路故障。此外，在實際當(dāng)中，風(fēng)速是不斷變化的隨機量，所以電機長時間運行于同步速下是非常困難的。從圖5中的電流波形圖可以看出：在電機轉(zhuǎn)速穿越同步速時，電流的相位發(fā)生了變化，電流波形大致沿同步速處的縱軸對稱，導(dǎo)致這種情況的誤報也就是這種對稱特征造成的，因為此時一個周期中的64個采樣點的大部分都分布在時間軸的一邊，

19、從而引起m(k)超過了設(shè)定的閾值，針對這種情況，可以通過改變64個采樣點的存儲方向得到解決，具體做法是：控制器用隊列存儲采樣點，在亞同步速時采樣點從低地址向高地址更新，在超同步速時采樣點改從高地址向低地址更新，如下圖所示，這樣以來，靠近同步速縱軸附近的兩個對稱的半個周期電流信號會因變換存儲方向而抵消掉半個周期的對稱電流信號，從而避免了電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在穿越同步速時產(chǎn)生的誤報。im(k)im(k-1)im(k-2)im(k-64)addr1addr2addr64a亞同步速im(k-1)im(k-2) im(k)im(k-64)addr1addr2addr64b超同步速圖3 采樣點在亞同步速和超同步速

20、下的存儲方向Fig.3 Storage directions of sampling points at sub-synchronous and super-synchronous speeds4 仿真結(jié)果 利用MATLAB/Simulink仿真工具構(gòu)建了基于圖1的雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，雙饋電機的主要參數(shù)如表2所示，功表2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機參數(shù)表Tab.2 Parameter table of DFIG參數(shù) (單位)參數(shù)值額定功率 PN (VA)7e+3額定電壓VN (Vrms) 415定子電阻 Rs ()1.09定子電感 Ls (H)0.1966轉(zhuǎn)子電阻 Rr () (折算到定子側(cè))0.8

21、0轉(zhuǎn)子電感 Lr (H) (折算到定子側(cè))0.1966互感 Lm (H) (折算到定子側(cè))0.1900極對數(shù)Np2率開關(guān)IGBT的開關(guān)頻率為5kHz，根據(jù)仿真情況，閾值k0和k1分別取0.75和0.5A較為合適，仿真系統(tǒng)通過不驅(qū)動相應(yīng)的功率控制開關(guān)來模擬開路故障，故障發(fā)生時間取在t=2s處，并且模擬DFIG在7.5m/s的風(fēng)速下運行，圖3顯示了單個功率開關(guān)T1發(fā)生開路故障前后DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)三相電流波形及診斷結(jié)果，從中可以看出，故障發(fā)生后三相電流中均有直流分量，故障相電流ira的診斷輸出值接近-1，小于故障閾值-0.75，而其他兩相電流的診斷輸出值均在閾值-0.75-0.75范圍內(nèi)，診斷系統(tǒng)可借

22、此診斷出開關(guān)T1發(fā)生開路故障，圖4和圖5分別顯示了兩個功率開關(guān)T1、T2和T1、T4同時發(fā)生開路故障時DFIG轉(zhuǎn)子的三相電流波形圖和相應(yīng)的診斷輸出結(jié)果，值得注意的是：T1、T2同時開路故障的診斷是通過m(k)實現(xiàn)的，因為這種情況下m(k)的無法確定，通過表1也可以看出，只要電流絕對值平均值m(k)低于閾值0.5，則無論m(k)是否在-0.75-0.75范圍內(nèi)都可以判斷同一橋臂的兩個功率開關(guān)都發(fā)生了開路故障，圖6模擬的是2s內(nèi)風(fēng)速從9.5m/s上升到10.5m/s的過程中DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電流的波形，從第二幅圖中可以看出，DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在穿越同步速時會引發(fā)診斷系統(tǒng)的誤報，誤報時間超過55ms，如

23、果DFIG長時間運行于同步速下，則診斷系統(tǒng)的誤報時間正比于同步速下的運行時間，最后一幅圖顯示了通過在同步速時改變電流信號采樣數(shù)據(jù)的存儲方向可以有效防止誤報。t/s圖4 T1開路時的故障診斷曲線Fig. 4 Diagnosis curves of an open fault of switch T1t/s圖5 T1、T2同時開路時的故障診斷曲線Fig. 5 Diagnosis curves of two open faults occurred at switches T1 and T2t/s圖6 T1、T4同時開路時的故障診斷曲線Fig. 6 Diagnosis curves of two o

24、pen faults occurred at switches T1 and T4t/s圖7 DFIG運行于同步速附近時診斷系統(tǒng)的誤報結(jié)果圖Fig. 7 False alarms curves derived from the diagnosis system when DFIG operates around synchronous speed5 結(jié)論針對變流器的開路故障，本文提出了一種基于電流信號平均值的開路故障診斷方法，該方法可用于診斷單個功率開關(guān)及兩個功率開關(guān)同時開路的情況，但是這種方法同其他開路故障診斷方法一樣存在誤報問題，在DFIG運行于同步速附近時尤為嚴(yán)重，通過仿真可以看出，電流

25、信號在同步速附近時表現(xiàn)出一定的特征，即電流信號在同步速時沿縱軸對稱，診斷系統(tǒng)的誤報也就是由于這種對稱特征引起的，結(jié)果分析看可以出，這種誤報可通過在同步速時改變電流信號采樣數(shù)據(jù)的存儲方向得到解決，而如果電機長時間運行于同步速時，則應(yīng)該禁止診斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，在電機轉(zhuǎn)速偏離同步速時再使能診斷系統(tǒng)，由于功率開關(guān)開路時會使電機偏離同步速，且風(fēng)速是不斷變化的隨機量，所以這種方法不會導(dǎo)致漏診斷，仿真結(jié)果表明這種方法是簡單有效的，為開路故障后如何使風(fēng)電系統(tǒng)繼續(xù)向電網(wǎng)供電奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1Wikstron P W, Terens L A, Kobi H. Reliability, availability， and maintainability of high-power variable-speed drive systems J. IEEE Trans. Ind. Appli, 2000, 36(1):231241.2A. M. S. Mendes, A. J. Marques Cardoso. Fault diagnosis in a rectifier-inverter system used in variable speed AC drive, by Park's Vector approach C EPE1999, Lausanne Swi