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1、文章编号： 中图分类号：TM 315 文献标志码： A 学科分类号：470-4031双馈风电变流器的开路故障诊断与系统重构段盼1，荣先亮2，张莉3,段其昌2，谢开贵1（1. 重庆大学电气工程学院，重庆 400044；2. 重庆大学自动化学院，重庆 400044；3. 利兹大学电子电力工程学院，利兹 LS29JT)Open Switch Fault Diagnosis and System Reconfiguration of Doubly-fed Wind Power ConverterDUAN Pan1, RONG Xian-liang2, Zhang Li3, Duan Qi-chang2
2、,Xie Kai-gui1(1. The School of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. The School of Automation，Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3. The School of Electronic and Electrical Engineering, Leeds University, Leeds LS2 9JT, UK)ABSTRACT: Long hours open switc
3、h faults of wind power converter can significantly impair wind turbine generator system. Regarding to the disadvantage of the existing open switch fault diagnosis methods for a doubly-fed wind power converter, a new method which could detect one or two open switch faults was proposed through investi
4、gating the characters of current signals. And the method was also capable of avoiding the false alarms caused by those existing methods when applied to the rotor side converter. Besides, a system reconfiguration strategy was designed to keep the doubly-fed induction generator(DFIG) continue running
5、after the happened of open switch faults. Simulation results show that the method can detect the locations and styles of open switch faults precisely, and the system reconfiguration strategy can restart the DFIG rapidly.KEY WORDS：doubly-fed induction generator; wind power converter; open switch faul
6、t diagnosis; system reconfiguration摘要：风电变流器功率开关的长时间开路故障会对风电机组造成严重损坏，针对已有开路故障诊断策略应用到双馈风电变流器时所产生的不足，提出了一种基于电流信号特征的开路故障诊断方法，该方法不仅可以诊断出双馈风电变流器的单个或两个功率开关的开路故障，还可避免一般方法容易在诊断转子侧变换器开路故障时所引起的误报现象，此外，针对变流器的结构特点，提出了一种在变流器发生开路故障后能使系统继续正常运行的重构策略，仿真结果表明所提方法可准确诊断出功率开关开路故障的位置和类型，同时也验证了重构策略的有效性。关键词：双馈风力发电机；风电变流器；开路故
7、障诊断；系统重构0 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，双馈风电变流器是最容易发生故障的环节之一1-2，功率开关的短路和开路是其中比较典型的两种故障，针对逆变器的短路故障诊断研究，目前已非常深入，并且已经有一些标准的保护功能，对于其开路故障诊断的研究，目前也取得了一些基础性成果3-14，其中一部分是从人工智能和知识学习的角度诊断逆变器的开路故障3-5，另一部分则是从信号处理的的角度诊断逆变器的开路故障6-14，本文主要从信号处理的角度分析风电变流器的开路故障。目前仅有文献13针对双馈风电变流器的特点，提出了两种开路故障诊断方法。这两种方法的开路故障诊
8、断速度较快，但是容易在外部影响或转子电流频率为零时发生误报，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，一般通过加入死区时间或采用相应的误报抑制算法可抑制部分时间比较短的误报，但是都没有从根本上解决此类问题11-14，而且如何在开路故障发生后采取措施保证风电机组的继续安全运行也是一个重要的现实问题。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，在总结已有方法的基础上，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和在穿越同步速时发生的误报现象，并提出了一种开路故障发生后能使系统继续安全运行的重构策略。1 开路故障
9、对双馈风电系统的影响双馈风电变流器是由两个电压源逆变器“背靠背”连接在一起的，也叫双PWM风电变流器，在双馈风电系统中，功率可在变流器中双向流动。亚同步速时，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，如图1所示。在变流器传输功率较低wwr齿轮箱DFIG双PWM风电变流器电网定子转子Ps亚同步速时Pr流向超同步速时Pr流向图1 双馈风力发电系统示意图Fig. 1 The diagram of DFIG system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，将会对变流器本身和系统其他部件造成不可
10、逆的损坏，概括地说，功率开关的开路故障对双馈风电机组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，进而导致电机转子转速的不稳定，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，且会对电网造成谐波污染； 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。在双馈风电变流器中，网侧变换器的主要功能是保持直流链电压恒定，同时还具有调节网侧无功功率的作用，转子侧变换器的主要功能是对有、无功功率解耦，并保证系统在不同风速下，执行不同的工作模式，相对于网侧变换器，它具有
11、的功能更多，而且它的开路故障对电机、电网和风力机的影响也更大，因此，本文着重讨论转子侧的开路故障。2 开路故障的诊断分析功率开关的开路故障会导致流经对应桥臂的相电流发生形变11，如果开路故障发生在桥臂的上端(如图3中的T1、T1、T3、T3、T5或T5)，则对应的相电流波形将会丢失正半波，如果开路故障发生在桥臂的下端(如T2、T2、T4、T4、T6或T6)，则对应的相电流波形将会丢失负半波,也就是说故障桥臂上的相电流在一个周期内有半个周期的幅值基本为零，如果这个桥臂的上下功率开关都发生开路故障，则对应相电流基本为零。通过上述分析可以看出，通过处理电流信号可以判断功率开关的开路故障，为便于诊断，
12、需对转子侧变换器的三相输出(或输入)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)，则通过式(1)式(3)可判断风电变流器功率开关是否发生了开路故障12，式中的m(k)表示第m相电流信号在一个周期中的平均值，m(k)表示第m相电流信号的绝对值在一个周期中的平均值，m(k)表示两个平均值m(k)和m(k)的比值，当系统正常运行时，m(k)接近为0，m(k)是个正值，所以，m(k)接近为0；当一个功率开关发生开路故障时,m(k)和m(k)的值基本相同或相差一个负号，所以，m(k)的值接近为1(T2、T2、T4、T4、T6或T6发生开路故障
13、)或-1(T1、T1、T3、T3、T5或T5发生开路故障)，当同一个桥臂上的两个功率开关同时开路时，电流信号im(k)基本等于零，此时m(k)和m(k)都接近为零，m(k)的值无法确定，因此，无法根据m(k)的值判断一个桥臂的两个功率开关同时开路的情况，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，而在两个开关同时开路时，m(k)接近为0，所以可通过m(k)对这种情况加以判别。 (1) (2) (3)其中，。基于上述分析，可以通过m(k)和m(k)得出以下故障特征： (4) (5) (6)式中，Fm1表示第m相桥臂的上端开关是否发生开路故障，Fm0表示
14、第m相桥臂的下端开关是否发生开路故障，Fm2表示第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则相反。参数k0、k1是判断故障是否发生的阈值，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，一般k0的取值略小于1即可，k1的取值需要根据实际情况来进行确定，它与DFIG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，而发生故障Fm2时，m(k)基本接近于0，因此，k1值的选取也非常容易。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开路故
15、障，以及开路故障的数目和位置，表1中给出了对应的单个或两个功率开关发生开路故障时的故障特征信号。如将表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14。在将上述故障诊断方法用于诊断双PWM变流器的开路故障之前，则还有以下两个问题需要做进一步研究，即：1）在外界干扰或电流信号发生大的瞬变时，诊断系统容易产生误报；2）在同步速或同步速附近时，诊断系统容易产生误报。导致这些误报的原因主要是：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。在网侧变换器中，由于网侧三相电流的频率基本保持不变，因此，运用上式建
16、立的网侧诊断系统容易发生第一种误报，而在转子侧变换器中，连接DFIG的三相电流频率经常在零到工频的33%范围之间波动，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，但是这种方法并不能屏蔽所有误报，因为死区时间不能设的过长11。例如，当DFIG长时间运行于同步速时，这种诊断方表1 开路故障诊断表Tab. 1 Open-switch faults diagnosis table故障开关故障特征信号Fa1Fa0Fa2Fb1Fb0Fb2Fc1Fc0Fc2T1100000000T2010000000T3000100000T40
17、00010000T5000000100T6000000010T1,T2xx1000000T1,T3100100000T1,T4100010000T1,T5100000100T1,T6100000010T2,T3010100000T2,T4010010000T2,T5010000100T2,T6010000010T3,T4000xx1000T3,T5000100100T3,T6000100010T4,T5000010100T4,T6000010010T5,T6000000xx1表中x表示0或1法会产生长时间误报，而且诊断系统的误报时间会正比于同步速下的运行时间，从图6也可以看出，即使电机转速短暂
18、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，可通过改变不同速度下的诊断策略得到解决，即当电机在同步速时运行超过一定时间，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(值得注意的是：当DFIG运行在同步速时，电机转子绕组是直流励磁的，所以对于没有电流流过的功率开关来说，即使它们发生了开路故障，也不会对整个产生影响)；在DFIG偏离同步速时再使诊断系统继续工作，此外，由于电磁转矩Te在发生开路故障时会发生波动，所以DFIG在同步速下发生开路故障时，波动的电磁转矩会使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的开路故障。从图6中的电流波形图可以发现：在
19、电机转速穿越同步速时，电流的相序发生了变化，电流波形大致沿同步速处的纵轴对称，这种对称特征是导致同步速时发生误报的根本原因，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侧，或为正或为负，从而造成比值m(k)接近为1，并超过设定的阈值，要想从根本上解决误报问题，就必须打破同步速时的对称关系，由于对电流信号求平均值时，需保存电流信号的64个历史采样值，而通过改变这64个采样点的存储方式就可以改变这种对称关系，具体做法是：控制器用队列存储采样值，在亚同步速时，电流信号采样值从低地址向高地址更新，在超同步速时，采样值改从高地址向低地址更新，如下图2所示，这样以来，靠近同步速对称轴左侧半个
20、周期的电流信号采样值会因变换存储方向而被抵消掉，从而避免了传统开路故障诊断系统在转子转速穿越同步速时产生的误报现象。 im(k-1) im(k-2) im(k-64) 地址1 地址2 地址64 im(k-1) im(k-2) im(k-64) 地址1 地址2 地址64im(k)im(k)超同步速亚同步速图2 电流信号采样值在亚同步速和超同步速下的存储方向Fig. 2 Storage modes of current sampling values at subsynchronous speed and supersynchronous speed3 变流器开路故障后的系统重构在诊断出双馈风电变
21、流器发生开路故障后，可能的应对措施有以下两种：1)关闭变流器，将风机从电网中切除；2)通过一定的策略和添加相应的部件，提高变流器的容错性能，使变流器在发生开路故障后能继续正常工作。第一种措施的优点是能够保证风电机组的安全，但是损失了许多发电时间，维修人员从赶到现场、发现故障和修复故障都需要较长时间，对于近海型风机来说，则修复变流器所需要花的时间会更长，此期间的发电损失会相当可观；第二种措施因为具有容错能力，只要求维修人员赶到现场更换损坏部件时才停机，则相应的潜在发电损失会降到最低，缺点是增加了变流器的技术复杂度和硬件成本，但是可以通过增加的发电量很快收回成本，因此，第二种措施是一个比较合理的应
22、对方案。变流器的容错方案目前已有很多种15-18，本文采用的方案是在风电变流器的直流侧再并联一个附加桥臂，其结构如图3所示，附加桥臂由功率开关T7和T7构成，并且附加桥臂的中心点通过六个可控双向开关分别与其它六个桥臂的中心点相连，在未发生开路故障时，这八个附加开关都处于关断状态，当整流侧变换器或转子侧变换器中的某个功率开关发生开路故障时，可以通过相应的控制策略，将功率开关所在的故障桥臂重构为附加桥臂，使变流器继续正常运行，具体重构步骤是：1）通过第三节介绍的开路故障诊断算法判断开路功率开关所在的桥臂；2）停止向该桥臂的上下功率开关发送PWM驱动脉冲；3）将相应的PWM驱动脉冲送到附加桥臂上；4
23、）打开附加桥臂和故障桥臂之间的双向导通开关。通过上述四个步骤可以完成对故障变流器的重构，使风电机组继续正常运行。图3 双馈风电变流器主回路的重构拓扑结构Fig. 3 Main circuit reconfiguration topology of doubly-fed wind power converter4 仿真结果 利用Matlab/Simulink仿真工具构建了基于图1的双馈风力发电系统，DFIG的主要参数见表2，功率开关IGBT的开关频率为10kHz，根据仿真情况，阈值k0和k1分别取0.75和0.5安培，仿真系统通过对功率开关置零来模拟开路故障，故障发生时间取在t=2s处，DFIG
24、运行的外部模拟环境是7.5m/s的恒定风速。图4显示了功率开关T1发生开路故障前表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后DFIG转子侧三相电流波形的变化情况和诊断系统的诊断结果，从中可以看出，故障发生后，a相电流丢失半个周波，其他两相电流也发生
25、了形变，并且三相电流中均有直流分量，故障相电流ira的诊断输出值a很快趋近于-1，而其他两相电流的诊断输出值均在阈值-0.75 0.75范围之内，因此，诊断系统可借此诊断出开关T1发生开路故障，图5显示了两个功率开关T1和T2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和T2同时发生开路故障的诊断过程是通过m(k)实现的，因为这种情况下m(k)的无法确定，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，诊断系统都可以判断出同一桥臂的两个功率开关发生了开路故障，图6模拟的是：在2s内风速从9.5m/s上升到10
26、.5m/s的过程中，DFIG转子侧三相电流的波形图和两种故障诊断方法输出值的对比波形图，从第一幅图可以看出，转子绕组三相电流在超同步速时相序发生了变化，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，最后一幅图显示了在同步速时通过改变电流信号采样数据的存储方向后诊断系统的输出结果，可以看出三个诊断值都没有超过故障阈值，说明这种方法可以避免误报。图7给出了转子侧变流器功率开关T1从发生开路到重构完成过程中DFIG转子绕组三相电流的变化情况，可以看出，在a相桥臂上端的T1发生开路故障后，a相电流的上半部分丢失，b相和c相电流也发生了不同程度的形变，
27、但是经过系统重构后，三相电流很快恢复到原先的状态，说明双馈风电变流器经过重构后可以正常运行。 t/s图4 T1开路时的故障诊断曲线Fig. 4 Diagnosis curves of an open switch 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 switch faults occurred at switches T1 and T2t/s图6 DFIG运行于同步速附近时的仿真曲线Fig. 6 Simulation curves derived from the diagno
28、sis system when DFIG operates around synchronous speedt/s图7 DFIG的转子侧三相电流在系统重构过程中的波形变化Fig. 7 The changes of DFIGs rotor side three phase currents in the process of system reconfiguration5 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突出，
29、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刻沿纵轴对称，诊断系统的误报也就是由于这种对称特征引起的，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，为了让变流器发生开路故障后，使其继续运行，本文提出了一种新的变流器故障重构策略。通过仿真，验证了所提方案可以准确快速地判断开路故障位置，并且根据故障进行的故障重构可使系统重新正常运行，对提高变流器运行的可靠性具有重要意义。参考文献1Wikstron P W, Terens L A, Kobi H. Reliability, availability， and maintainability of high-powe
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