[论文]风电变流器的开路故障诊断研究.doc

第25卷增刊 电 网 技 术 3 风电变流器的开路故障诊断研究荣先亮1，姚鹏1，段其昌2 （1. 上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海，200063；2. 重庆大学自动化学院,重庆 400044)摘要：首先分析了功率开关开路故障对双馈风力发电机的电流和其他变量的影响，提出了一种基于电流信号平均值的开路故障诊断方法，这种方法适用于双馈风力发电系统双PWM变流器中单个或两个功率开关的开路故障诊断，针对诊断系统容易在同步速或同步速附近发生误报的情况，提出了一种新的误报抑制策略，即分别在亚同步和超同步速下，通过改变采样数据在存储器中的存储方向来消除因为电流波形在同步速附近的对称关系引起的误报，仿真结果表明，该方法不仅能完全消除误报，而且能快速准确诊断出开路故障的位置和类型。关键词：风能；双馈风力发电机；双PWM变流器；开路故障诊断中图分类号：TM 315 文献标志码： 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 Electrical 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 or 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 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 locations and styles of open-circuit faults precisely. KEY WORDS：wind energy; doubly-fed induction generator; double-PWM converter; open circuit fault diagnosis 1 引言风力发电系统的可靠性研究是当前风力发电领域的热门课题，在双馈风力发电系统中，双PWM变流器是最容易发生故障的环节之一1，功率开关的短路故障和开路故障是其中比较典型的两种，针对短路故障诊断的研究，目前已非常深入，并且已经有一些标准的保护功能，对于开路故障诊断的研究，目前也取得了一些基础性成果2-7，其中，文献2利用电机电流PARK向量的平均值来诊断开路故障，在文献3中控制偏差法被用于诊断系统的开路故障，文献4提出利用线电流的直流分量来分析开路故障，此外，文章4还通过DFT计算出线电流的一阶谐波系数，以获得不依赖实际负载的诊断变量，文献56对上述方法进行了分析和对比，产生误报是这些方法的共同缺点，文献7根据上述方法，提出了针对风电系统的两种开路故障诊断方法。这两种方法的开路故障诊断速度较快，但是也同样存在在外部影响或转子电流频率为零附近时发生误报，并且转子在同步速时运行的时间越长，误报的时间就越长，针对这种问题，上述诊断方法一般通过加入死区时间或采用相应的故障抑制算法来抑制掉一些误报时间比较短的误报7，但是都没有从根本上解决由诊断算法引起的误报现象。针对上述问题，本文首先讨论了开路故障对系统其他状态变量的影响，在总结已有方法基础上，提出一种适用于双馈风力发电系统的开路故障诊断方法，这种方法可以完全消除由于系统外部环境影响以及在同步速附近时发生地误报现象，并通过仿真对所提算法进行了验证。图1 双PWM变流器结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of double-PWM converter2 开路故障对双馈风电系统的影响双PWM变流器是由两个电压源逆变器背靠背连接在一起的，也叫背靠背变流器，在双馈风电系统中，功率可在双PWM变流器中双向流动。亚同步速下，来自电网的功率经变流器流向DFIG的转子，超同步速下，来自风力机的转差功率经变流器流向电网，在变流器传输功率较低时，变流器功率开关的开路故障是一种短时间内不会导致系统崩溃的故障，但是如果长时间带这种故障运行，将会造成系统部件产生不可逆的损坏，图2显示了功率开关T1发生开路故障时一些系统变量的变化。 图2 开关T1开路故障对系统变量的影响Fig.2 Effects on the variables of DFIG with an open fault occurred at the power switch T1总的来说，开路故障对双馈风电系统的影响主要表现在以下几个方面：（1） 造成DFIG的电磁转矩产生较大脉动，进而导致电机转子的波动，如果长时间带故障运行，则有可能导致电机转子和与其同轴的齿轮箱在交变应力作用下发生疲劳损坏； （2）输往电网的有、无功功率发生波动，且造成电网谐波污染；（3）降低电容的使用寿命；（4）输出功率较大时，容易导致变流器其他正常工作的功率开关过流。在双PWM变流器中，网侧变流器的主要功能是保证直流侧电压幅值恒定，同时还具有调节网侧无功功率的作用，转子侧变流器的主要作用是调节和解耦输出的有、无功功率，并保证系统在不同风速下，执行不同的工作模式，它具有的功能更多，相对于网侧变流器，转子侧变流器的开路故障对电机、电网和风力机的影响更大，本文着重讨论转子侧的开路故障。3 开路故障的诊断分析功率开关的开路故障会导致相应的变流器桥臂无法导流，各输入、输出相电流也会因此发生形变4，如果故障发生在一相桥臂的上端（如T1,T1,T3,T3,T5,T5）,则相应的相电流无法为正，如果发生在桥臂的下端（如T2,T2,T4,T4, T6, T6），则相应的相电流不能为负,因此故障桥臂上的相电流在一个周期内有半个周期的幅值为零，如果这个桥臂都开路，则相电流幅值均为零。为便于诊断，对变流器的各输入、输出电流信号进行非均匀采样，采样周期为=T/N,其中T为电流信号的周期,N为每周期的采样点数（本文取N=64），通过式(1)、(2)、(3)可以判断变流器功率开关发生的开路故障7，m(k)表示m相电流信号在一个周期内的平均值，m(k)表示m相电流信号的绝对值在一个周期内的平均值，m(k)表示两个平均值的比值， （1） （2） （3）其中当系统正常运行时，m(k)接近为0，m(k)是一个非零正值，所以m(k)接近为0，当一个功率开关发生开路故障时, m(k)接近为1（T2,T2,T4,T4,T6,T6之一发生开路故障）或-1（功率开关T1,T1,T3,T3,T5,T5之一发生开路故障），当同一个桥臂中的两个功率开关同时开路时，电流信号im(k)基本等于零，从而导致m(k) 和m(k)都接近为零，因此，比值m(k)的值无法确定，所以无法根据m(k)判断一个桥臂上的两个开关同时开路，但是m(k)在两种情况下则出现了两种不同值，即在系统正常运行时，m(k)为远大于零的值，而一个桥臂上的两个开关同时开路故障时，m(k)接近为0，所以通过m(k)可以对这种情况加以判别，基于上述分析可知，可以通过变量m(k) 和m(k)得出以下故障特征： （4） （5） （6）其中Fm1表示m相桥臂的上端开关是否发生开路故障，Fm0表示m相桥臂的下端开关是否发生开路故障，Fm2表示m相桥臂上下两个开关是否同时开路。各故障特征中的故障特征值1表示发生了相应的开路故障，0则表示没有发生，参数k0、k1是判断故障是否发生的阈值，它们的取值需要根据实际实验来进行确定，由于m(k)是一个比值，所以单个开关开路故障的诊断结果不受电机输出功率大小的影响，具有很好的通用性，所以k0非常容易选取，k1的取值与电机的输出功率大小有关，一般来说，在DFIG正常运行时，m(k) 的值远大于零，对于兆瓦级的DFIG更是如此，而发生故障Fm2时，m(k)基本接近于0，因此，k1值的选取也是非常容易的。将式(4)、(5)、(6)中的故障特征组合在一起，可以用来判断变流器某一时刻是否发生故障，以及故障的数目和位置，表1中给出了对应的单个或两个开关开路故障的故障特征信号。如果将表1中T1T6和Fa1Fc2分别替换成T1T6和Fa1Fc2，则可以用该表诊断网侧变流器功率开关的开路故障。如果将上述故障诊断方法应用于诊断双PWM变流器的开路故障，则还有以下两个问题需要解决：（1）在外界干扰或电流信号瞬变时诊断模块容易产生误报；（2）在同步速或同步速附近时诊断模块容易产生误报。导致这些误报的原因主要是：上述诊断算法是根据电流平均值得出的，而上述两种情况均会导致平均值发生突变，进而导致误报。在网侧变流器中,连接电网的三相电流频率恒定，即不存在电流频率的变化问题，因此，网侧诊断系统容易产生第（1）种误报，而在转子侧变流器中，连接DFIG的三相电流频率经常在零到工频的33%范围内波动，所以以上两种误报都可能产生，为避免诊断系统对误报过于敏感，一般可以通过在故障发生时执行一段死区时间屏蔽掉一些短暂的闪变误报，使其不在最终的故障标志中出现，死区时间的长短要根据实际系统中各种误报时间的长短来确定，但是这种方法并不能屏蔽所有的误报，例如，当DFIG长时间运行于同步速时，这种诊断方法仍会出现误报现象，由表1 开路故障诊断表Tab.1 Open fault diagnosis table故障开关故障特征信号Fa1Fa0Fa2Fb1Fb0Fb2Fc1Fc0Fc2T1100000000T2010000000T3000100000T4000010000T5000000100T6000000010T1,T2xx1000000T1,T3100100000T1,T4100010000T1,T5100000100T1,T6100000010T2,T3010100000T2,T4010010000T2,T5010000100T2,T6010000010T3,T4000xx1000T3,T5000100100T3,T6000100010T4,T5000010100T4,T6000010010T5,T6000000xx1表中x表示0或1图5可以看出，即使电机转速短暂穿越同步速，也会引起误报，为了防止这种长时间误报的发生，可改变不同速度下的诊断策略得到解决，即当电机运行在同步速下超过一定时间时，可以通过对转子侧诊断系统的每个故障标志持续清零以防止误报，这也相当于执行一个无限长的死区时间，在DFIG偏离同步速时再使诊断系统继续工作，由图2中的电磁转矩波形图可以看出，电磁转矩Te在发生开路故障时会发生波动，这也相应的导致电机转速的波动，所以DFIG在同步速下发生开路故障时，波动的电磁转矩将会使DFIG偏离同步速，从而可以使诊断系统继续工作并最终诊断出相应位置发生地开路故障。此外，在实际当中，风速是不断变化的随机量，所以电机长时间运行于同步速下是非常困难的。从图5中的电流波形图可以看出：在电机转速穿越同步速时，电流的相位发生了变化，电流波形大致沿同步速处的纵轴对称，导致这种情况的误报也就是这种对称特征造成的，因为此时一个周期中的64个采样点的大部分都分布在时间轴的一边，从而引起m(k)超过了设定的阈值，针对这种情况，可以通过改变64个采样点的存储方向得到解决，具体做法是：控制器用队列存储采样点，在亚同步速时采样点从低地址向高地址更新，在超同步速时采样点改从高地址向低地址更新，如下图所示，这样以来，靠近同步速纵轴附近的两个对称的半个周期电流信号会因变换存储方向而抵消掉半个周期的对称电流信号，从而避免了电机转子转速在穿越同步速时产生的误报。im(k)im(k-1)im(k-2)im(k-64)addr1addr2addr64a亚同步速im(k-1)im(k-2) im(k)im(k-64)addr1addr2addr64b超同步速图3 采样点在亚同步速和超同步速下的存储方向Fig.3 Storage directions of sampling points at sub-synchronous and super-synchronous speeds4 仿真结果 利用MATLAB/Simulink仿真工具构建了基于图1的双馈变速恒频风力发电系统，双馈电机的主要参数如表2所示，功表2 双馈风力发电机参数表Tab.2 Parameter table of DFIG参数 (单位)参数值额定功率 PN (VA)7e+3额定电压VN (Vrms) 415定子电阻 Rs ()1.09定子电感 Ls (H)0.1966转子电阻 Rr () (折算到定子侧)0.80转子电感 Lr (H) (折算到定子侧)0.1966互感 Lm (H) (折算到定子侧)0.1900极对数Np2率开关IGBT的开关频率为5kHz，根据仿真情况，阈值k0和k1分别取0.75和0.5A较为合适，仿真系统通过不驱动相应的功率控制开关来模拟开路故障，故障发生时间取在t=2s处，并且模拟DFIG在7.5m/s的风速下运行，图3显示了单个功率开关T1发生开路故障前后DFIG转子侧三相电流波形及诊断结果，从中可以看出，故障发生后三相电流中均有直流分量，故障相电流ira的诊断输出值接近-1，小于故障阈值-0.75，而其他两相电流的诊断输出值均在阈值-0.75-0.75范围内，诊断系统可借此诊断出开关T1发生开路故障，图4和图5分别显示了两个功率开关T1、T2和T1、T4同时发生开路故障时DFIG转子的三相电流波形图和相应的诊断输出结果，值得注意的是：T1、T2同时开路故障的诊断是通过m(k)实现的，因为这种情况下m(k)的无法确定，通过表1也可以看出，只要电流绝对值平均值m(k)低于阈值0.5，则无论m(k)是否在-0.75-0.75范围内都可以判断同一桥臂的两个功率开关都发生了开路故障，图6模拟的是2s内风速从9.5m/s上升到10.5m/s的过程中DFIG转子侧电流的波形，从第二幅图中可以看出，DFIG的转子转速在穿越同步速时会引发诊断系统的误报，误报时间超过55ms，如果DFIG长时间运行于同步速下，则诊断系统的误报时间正比于同步速下的运行时间，最后一幅图显示了通过在同步速时改变电流信号采样数据的存储方向可以有效防止误报。t/s图4 T1开路时的故障诊断曲线Fig. 4 Diagnosis curves of an open fault of switch T1t/s图5 T1、T2同时开路时的故障诊断曲线Fig. 5 Diagnosis curves of two open faults occurred at switches T1 and T2t/s图6 T1、T4同时开路时的故障诊断曲线Fig. 6 Diagnosis curves of two open faults occurred at switches T1 and T4t/s图7 DFIG运行于同步速附近时诊断系统的误报结果图Fig. 7 False alarms curves derived from the diagnosis system when DFIG operates around synchronous speed5 结论针对变流器的开路故障，本文提出了一种基于电流信号平均值的开路故障诊断方法，该方法可用于诊断单个功率开关及两个功率开关同时开路的情况，但是这种方法同其他开路故障诊断方法一样存在误报问题，在DFIG运行于同步速附近时尤为严重，通过仿真可以看出，电流信号在同步速附近时表现出一定的特征，即电流信号在同步速时沿纵轴对称，诊断系统的误报也就是由于这种对称特征引起的，结果分析看可以出，这种误报可通过在同步速时改变电流信号采样数据的存储方向得到解决，而如果电机长时间运行于同步速时，则应该禁止诊断系统继续工作，在电机转速偏离同步速时再使能诊断系统，由于功率开关开路时会使电机偏离同步速，且风速是不断变化的随机量，所以这种方法不会导致漏诊断，仿真结果表明这种方法是简单有效的，为开路故障后如何使风电系统继续向电网供电奠定了基础。参考文献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 Parks Vector approach C EPE1999, Lausanne Sw