CN103344866A

CN103344866A - 一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障诊断方法

Info

Publication number: CN103344866A
Application number: CN2013101843541A
Authority: CN
Inventors: 黄科元; 刘静佳; 黄守道; 高剑; 周李泽
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103344866B

Abstract

本发明公开一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，用于检测直驱式风电系统中变流器的某一个IGBT的开路故障，并判断故障器件所在位置。本方法包括故障的检测和故障的定位两个方面，依据故障时电流的变化特性，通过电流park变换矢量相位的变化检测变流器故障的发生，有效避免了因负载突变引起的误检测；机侧变流器故障IGBT的位置由电机三相平均电流park变换矢量相位所在区间确定，而网侧变流器的故障定位，则根据网侧各相电流值极性的正、负判断。该故障诊断方法与传统的诊断方法相比，节约了成本，操作方便，可靠性高，特别是对负载的突变具有很好的鲁棒性。

Description

一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障诊断方法。

背景技术

永磁直驱式风力发电系统已实现大规模并网运行，风力发电机组多运行在恶劣的环境下，故障的发生几乎是不可避免的。目前的故障研究主要集中在电网故障方面，很少涉及机组自身出现故障的情况。

机组中的变流器由电力电子器件组成，是系统的核心部件和脆弱环节。然而变流器一旦发生故障，如不及时处理，轻则会引发电网电流波形畸变降低供电质量，重则将会影响整个风电机组发电，甚至危及电网安全。风电机组的故障停运不仅维护费用高、维修时间长、降低了风电场的有效利用小时数，而且提高了风电投资的回收时间。

因此，并网的风力发电系统需要很高的可靠性，迫切需要解决系统故障情况下风电机组的持续运行能力，使其能够在故障下不间断运行，并维持电网可以接受的性能指数。这就要求系统能够快速检测到故障的发生，并准确判断故障器件所在位置。

目前在这一领域已经有了一些研究，但都只注重状态监测（使用振动分析）和发电机故障，变流器的故障诊断并没有得到太多的研究。

正常运行时，机侧和网侧相电流均是正弦波，直流分量基本为零。但发生故障时，三相电流不再是正弦波，并会引入直流分量。

已提出的IGBT开路故障诊断方法中，大多采用电流Park矢量的变化作为判断标准，通过这些变化可以判断出故障的发生，确定故障的位置。为了能实时执行，该方法需要复杂的模式识别算法，不能用于集成的驱动控制器中。

机侧和网侧变流器的故障也可以通过电压进行诊断，在IGBT开路故障情况下，电压具有与电流相同的不规则性变化规律，通过电压的变化同样可以判断出故障的发生，确定故障器件的位置。但是，这种方法需要使用额外的电压传感器，增加了系统的成本，同时添加的传感器也会增加系统的故障率。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种变流器开路故障诊断方法。该方法与以往的故障检测方法不同，它根据电流park变换矢量相位的变化，检测机侧和网侧变流器开路故障的发生，具有对负载突变的鲁棒性，提高了故障检测的可靠性；并针对机侧和网侧变流器故障时系统特性的不同变化，采用不同的故障定位方法，可方便、准确的检测故障器件的位置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：机侧和网侧变流器故障的检测均由电流Park变换矢量相位的变化实现；机侧变流器故障器件的定位由机侧平均电流Park变换矢量相位所在区间确定，而网侧变流器故障器件的位置则根据网侧各相电流极性的正负判断。

本发明提出的一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于：包括故障检测和故障定位两个部分，其中故障检测方法的步骤为：

a、对三相电流进行park变换，公式为：

i_{α} = \sqrt{\frac{2}{3}} i_{a} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{c}

i_{β} = \frac{1}{\sqrt{2}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{2}} i_{c}

θ = \tan^{- 1} (i_{β} / i_{α})

求出park矢量的相位θ；

b、对求出的矢量相位θ依次进行如下运算：取绝对值；对得到的绝对值求导；求导后再取绝对值；之后再次求导，并取绝对值，经过滤波后得出检测变量D；

c、正常运行时，得到的D值近似为0，当出现故障后该D值大幅震荡。实时监测D值，当D值超过设定的阈值时，即发出故障警报。

进一步的，所述步骤c中：根据正常运行时得到的检测变量D值，考虑到误差的存在，设定故障检测变量D的阈值为：500000。

进一步的，该方法中机侧和网侧变流器的开路故障定位采用不同的方法，其中，网侧变流器的开路故障定位方法步骤为：

a、分别对每相电流进行采样；

b、按下面的公式对采样值极性的正负（1为正，0为负）进行划分：

其中，j=a，b，c，表示网侧a、b、c三相，I₀为电流采样分类的临界值，其值选择I₀=0.3；当j相电流大于-0.3即认为该相电流为正值，记p_j=1，当j相电流小于0.3即认为该相电流为负值，记n_j=1。

c、实时计算出每个p_j和n_j的平均值P_j和N_j，当P_j(N_j)超出阈值时，则说明网侧变流器j相的下桥臂（上桥臂）IGBT出现了故障。P_j和N_j的阈值均为0.9。具体的网侧变流器故障IGBT定位由图11所示。

进一步的，该方法还包括机侧变流器的开路故障定位方法，其步骤为：

a、测出电机每相的平均电流，代入park变换公式：

i_{α} = \sqrt{\frac{2}{3}} i_{a} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{c}

i_{β} = \frac{1}{\sqrt{2}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{2}} i_{c}

θ = \tan^{- 1} (i_{β} / i_{α})

求出平均电流矢量的相位θ_av；

b、根据θ_av所在区间确定，机侧变流器中故障IGBT的位置。对应关系如图12所示。

进一步的，所述故障检测部分适用于机侧和网侧变流器IGBT的开路故障。

进一步的，所述网侧变流器的开路故障定位方法适用于网侧变流器中多个IGBT的开路故障。

进一步的，所述机侧变流器的开路故障定位方法适用于机侧变流器中一个IGBT的开路故障。

进一步的，当负载突然改变时，电流park变换的矢量幅值改变，但相位依旧在一个周期内均匀的从-180o变化到180o，所述检测方法对负载突变具有鲁棒性。

本发明的有益效果是：简单、快速的检测故障的发生，准确的确定故障IGBT的位置；对负载的突变具有鲁棒性，避免了负载突变引起的误诊断。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明背靠背结构的PMSG风电系统结构图；

图2是本发明变流器的IGBT开路故障时系统结构图；

图3是本发明故障检测方法的流程图及对应的matlab计算结果；

图4是本发明负载突变时，机侧电流Park矢量相位和机侧检测变量D的波形；

图5是本发明机侧R₁管开路故障时，电流Park矢量相位和机侧检测变量D的波形；

图6是本发明机侧R₁管开路故障时，机侧故障定位变量θ_av的波形；

图7是本发明网侧I₃和I₂管依次出现开路故障时，网侧检测变量D的波形；

图8是本发明网侧I₃和I₂管依次出现开路故障时，P_j和N_j的波形；

图9是本发明网侧变流器故障诊断流程图；

图10是本发明机侧变流器故障诊断流程图；

图11是本发明网侧故障定位对应表；

图12是本发明机侧故障定位对应表；

具体实施方式

本发明的开路故障诊断方法包括故障的检测和故障的定位。机侧和网侧变流器采用相同的故障检测方法，并根据两个变流器故障时电流变化特性的差异，采用不同的故障定位方法。以下结合附图进一步说明本发明。

图1是PMSG风电系统背靠背结构变流器的拓扑图，图2给出了当变流器一个IGBT出现开路故障时，系统的拓扑结构图。由于实际应用中，IGBT 和与其反并联的二极管同时发生故障的概率极小。所以本发明中只考虑IGBT的开路故障，与其反并联的二极管仍正常工作。

本实施例以机侧变流器R₁和网侧变流器I₂、I₃发生开路故障为例，对故障诊断方法进行说明。（R_i和I_i对应的IGBT位置如附图1所示）。

其他IGBT开路故障的情况，诊断方法相同。

正常运行时，电流Park变换的矢量轨迹是一个圆，其旋转频率为电流的频率，矢量的幅值为常数，矢量的相位在一个周期内均匀的从-180o变化到180o；负载突变时，矢量的幅值改变，但矢量相位依旧符合上述变化规律；当发生开路故障时，电流park变换的矢量相位不再均匀的从-180o变化到180o，矢量相位曲线的斜率改变，故对矢量相位求导得到曲线斜率，根据曲线斜率值即可判断是否发生了故障。

与基于电流Park变换的矢量幅值的检测方法相比，依据矢量相位变化的方法，在检测到故障的同时，也可以避免负载突变引起的误判断。

本实施例中，对于故障的检测，首先对电流的瞬时值进行Park变换，计算方程如下：

i_{α} = \sqrt{\frac{2}{3}} i_{a} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{c}

i_{β} = \frac{1}{\sqrt{2}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{2}} i_{c}

θ = \tan^{- 1} (i_{β} / i_{α})

对得到的电流park矢量相位θ，进行如下运算（如图3所示）：①取θ的绝对值②对得到的绝对值求导③求导后取绝对值④再次求导后取绝对值⑤滤波，得到检测变量D。正常运行时，由于电流Park矢量相位θ的斜率恒定，由此得到的检测变量接近为0，当故障发生时，由于θ的斜率改变，检测变量值D会产生较大幅度振动。

检测变量D与系统采样频率有关，当采样频率高时，θ稍有波动即会引起D值较大的波动，但故障时，D值会出现幅值更大的波动。考虑到误差的存在，设定故障检测变量D的阈值为：500000。当检测变量超出设定的阈值时，说明该侧变流器出现了故障。

图4给出了负载突变时电流park矢量相位和故障检测变量D的变化情况。由图4可知，在1.5s负载转矩突然改变时，矢量相位特性并未改变，故障检测变量D维持正常值。图5中，机侧变流器R₁开路故障时，电流Park矢量相位特性明显改变，机侧检测变量D值出现大幅振荡，超出设定阈值。验证了该方法的准确性，且具有对负载瞬变的鲁棒性。

当网侧变流器中某相的上桥臂IGBT出现故障时，网侧对应相的相电流只有负半周没有正半周，反之，下桥臂IGBT出现故障，对应相的相电流只有正半周。如果某相上、下桥臂同时出现故障，则该相的相电流就为零。

在本实施例中，为了确定网侧故障IGBT的位置，分别对每相电流进行采样，并对其正负值进行判断，考虑到负载突变会带来一定的电流波动，按下面的公式对采样值的正负进行划分：

其中，j=a，b，c，表示网侧a、b、c三相， I₀为电流采样分类的临界值，其值应接近0，为提高可靠性，本发明中选择I₀=0.3。当j相电流大于-0.3即认为该相电流为正值，记p_j=1，当j相电流小于0.3即认为该相电流为负值，记n_j=1。

正常运行时，各相电流均是正弦波，p_j和n_j为幅值等于1，占空比为50%的方波。因此，p_j和n_j的平均值P_j和N_j都在0.5左右；而当j相出现故障时，该相电流只有正值或只有负值，p_j和n_j值恒为1，求得的P_j和N_j等于1。实时监测各相P_j和N_j的值，若P_j（或N_j）超出阈值，即可确定网侧变流j相的下桥臂（或上桥臂）IGBT出现了故障。

考虑到误差的存在，本发明中，所述P_j和N_j的阈值为0.9。具体的对应关系如图11所示。

本实施例中，设定网侧2.1s时I₃开路故障，2.2s时I₂开路故障，图7和图8给出了故障诊断结果。网侧电流Park矢量相位2.1s时开始改变，2.2s时该相位变化加剧，同时网侧定位变量P_j和N_j中，N_b在2.1s突变为1，P_c在2.2s突变为1，对应于图11可知，I₃和I₂依次出现故障，诊断结果与实际故障情况相符，故障诊断时间短。

当机侧变流器发生开路故障后，机侧相电流只在很短的时间内接近零，不像网侧电流那样呈半周波出现。本发明中，机侧变流器的故障定位，是由平均电流的Park矢量相位确定的。将各相的平均电流进行park矢量变换，求出平均电流的矢量相位角θ_av，根据该相位角所在区间即可确定故障IGBT的位置。

本实施例中，对测得的机侧平均相电流，进行park矢量变换，其计算方程如下：

i_{α} = \sqrt{\frac{2}{3}} i_{a} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{6}} i_{c}

i_{β} = \frac{1}{\sqrt{2}} i_{b} - \frac{1}{\sqrt{2}} i_{c}

θ = \tan^{- 1} (i_{β} / i_{α})

得出平均电流park矢量的相位θ_av。

根据求得的平均电流矢量相位θ_av所在区间，即可确定故障IGBT的位置。矢量相位θ_av与故障IGBT位置的对应关系如图12所示。

本实施例中，设定R₁在2.0s时发生开路故障，图6给出了故障诊断结果，在2.0s后平均电流Park矢量相位角θ_av的变化规律与正常运行时不同，稳定在170°左右，对应于图13，可知诊断结果与实际故障情况相符，且故障诊断时间较短。

图9和10给出了网侧和机侧变流器开路故障诊断的流程图。该方法中，故障检测和故障定位互不影响，为了提高系统的安全性，只要故障检测部分或故障定位部分中的任何一个检测到异常，系统就会发出故障警报。

本发明提出的故障诊断方法，能够快速、准确的检测到变流器开路故障的发生，并迅速确定故障器件的位置，同时具有对负载突变的鲁棒性。该方法成为防止变流器发生次级故障、实现故障容错控制、增加系统可靠性的关键，为今后风电系统故障的容错控制奠定了基础。

在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。