CN112162218B - 一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，包括以下步骤：采集机侧变流器和网侧变流器的三相端电压和三相电流建立正常状态下的变频系统状态空间模型；根据变频系统状态空间模型设计龙伯格电流观测器，通过dq/abc的Park逆变换得到机侧变流器和网侧变流器在abc坐标下的实时估计电流；根据实时估计电流和系统实际输出电流，分别计算机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差；对机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差进行运算处理得到对应的故障检测变量；根据故障检测变量的最大值和中位数设计自适应阈值；将变流器各相的故障检测变量与其相应的自适应阈值进行比较，判定是否发生开路故障；若发生开路故障，进行故障定位。

Description

一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法

【技术领域】

本发明涉及风电机组电力系统故障诊断技术领域，尤其涉及一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法。

【背景技术】

随着大型风电机组规模的扩大，对风电机组可靠性、安全性要求日益提高。变流器连接发电机和电网，是直驱永磁风电机组的关键部件，其重要性不言而喻，直接影响整个风电机组和电网的安全。功率管开路故障是导致变流器故障的重要因素，故障发生初期不会造成严重损坏，但如果处理不及时会降低风电机组性能，影响电能质量，导致变流器、电机或负载的二次故障，进而影响整个风电机组的正常运行，甚至对电网安全构成极大威胁。因功率管开路故障导致的风电机组停机会给风电场运营商的生产和利润造成巨大损失。然而风电机组变流器的稳定运行会受到随机风速、电压跌落等工况的干扰；另外，电流传感器信号夹杂有噪声信号，增加了电流的总谐波畸变率，这些都给变流器功率管开路故障的诊断带来很大挑战。因此，实现一种诊断速度快、鲁棒性强的变流器功率管开路故障检测和定位方法可以确保风电机组高效安全运行，在故障情形下具有持续运行的能力，提高生产效率和经济效益。

根据算法选择的信号源，现有的功率管开路故障诊断技术主要分为基于电流的故障诊断技术和基于电压的故障诊断技术。利用电压信号可以实现快速故障检测，但这种方法需要额外安装电压传感器，增加了系统成本，因此在应用上有明显的局限性。基于电流Park矢量的技术普遍存在检测速度慢、鲁棒性差的缺点，而基于其他电流相关量进行故障诊断的技术存在可诊断故障类型单一、算法缺乏可移植性等缺点。因此，针对直驱永磁风电机组变流器多功率管的开路故障，迫切需要开发一种能够实时准确快速地诊断出故障功率管，并且实现成本低，可移植性强，通用于机侧变流器和网侧变流器的故障诊断方法。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，包括如下步骤：

S100、对风电机组主控系统中机侧变流器三相端电压u_sa,u_sb,u_sc、机侧变流器三相电流i_sa,i_sb,i_sc、网侧变流器三相端电压u_ga,u_gb,u_gc和网侧变流器三相电流i_ga,i_gb,i_gc分别进行abc/dq的Park变换，得到各变量在dq坐标系下的分量u_sd,u_sq,i_sd,i_sq,u_gd,u_gq,i_gd,i_gq，同时计算机侧变流器三相电流和网侧变流器三相电流在一个基波周期的移动时间窗内的平均值，并选取u_sd,u_sq,u_gd,u_gq为输入变量，i_sd,i_sq,i_gd,i_gq为状态变量，建立正常状态下的变频系统状态空间模型；

S200、根据变频系统状态空间模型设计龙伯格电流观测器，得到机侧变流器和网侧变流器在dq坐标系下的实时估计电流

和

进一步通过dq/abc的Park逆变换分别转换成abc坐标下的实时估计电流

和

S300、根据龙伯格电流观测器输出的实时估计电流

和

以及风电机组主控系统实际输出电流i_sa,i_sb,i_sc和i_ga,i_gb,i_gc，分别计算机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差r_sa,r_sb,r_sc和 r_ga,r_gb,r_gc；

S400、分别依次对机侧变流器每相电流的相对残差r_sa,r_sb,r_sc和网侧变流器每相电流的相对残差r_ga,r_gb,r_gc进行运算处理得到对应的故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc和N_ga,N_gb,N_gc；

S500、根据机侧变流器故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc的最大值d_S1和中位数d_S2设计自适应阈值D_s，同理根据网侧变流器故障检测变量 N_ga,N_gb,N_gc的最大值d_g1和中位数d_g2设计自适应阈值D_g；

S600、将机侧变流器和网侧变流器中各相的故障检测变量与相应的自适应阈值进行比较，如果k相的故障检测变量与自适应阈值之差的绝对值超过可靠临界值ε，则检测标志量F_k置1，判定该相发生开路故障，进行故障定位；否则检测标志量F_k置0，判定无故障发生；

S700、根据故障相电流在一个基波周期的移动时间窗内的平均值 L_sk或L_gk和定位阈值M_s或M_g区间确定单个故障功率管或双故障功率管的位置。

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S300中，分别计算机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差，以k相电流为例，记作r_sk和r_gk，其公式为：

其中k代表abc三相。

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S400中，分别对机侧变流器和网侧变流器k相电流的相对残差r_sk和r_gk进行如下运算：

S401、对r_sk和r_gk进行指数变换得出对应R_S1和R_g1，具体公式如下：

R_s1＝(1/2)^(r_sk-1)；R_g1＝(1/2)^(r_gk-1)；

S402、对R_S1和R_g1进行幅值重构得出对应的R_S2和R_g2，具体公式如下：

S403、对R_S2和R_g2经过低通滤波，分别得到对应的故障检测变量N_sk和N_gk。

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S500中，设计自适应阈值D_s和D_g的公式为：

其中，a和b根据

来确定。

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S600中，机侧变流器和网侧变流器的k相故障检测标志变量F_sk和F_gk的公式为：

其中，k代表abc三相；

可靠临界值ε_s和ε_g的计算公式分别为：

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S700中，定位阈值区间按照故障功率管的所在相位和桥臂划分为：M₁∈[-∞,-M]，M₂∈[M,+∞]，M₃∈(-M,M)， M代表机侧定位阈值M_s和网侧定位阈值M_g；定位阈值的计算公式分别为

和

其中A_s和A_g分别代表机侧变流器电流和网侧变流器电流的峰值。

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S100中，所述变频系统状态空间模型为：

其中，

为x的微分量；状态变量x＝(i_sd i_sq i_gd i_gq)^T；输入变量 u＝(u_sd u_sq u_gdu_gq)^T；输出变量y＝x；系统矩阵

输入矩阵

输出矩阵

e＝(11e_gd e_gq)^T；

其中，ψf为永磁体励磁磁链；ω_s为电机同步转速；R_s为定子绕组；L_sd,L_sq分别为定子dq轴电感分量且L_sd＝L_sq；e_gd,e_gq分别为电网电压dq轴分量；ω_g为电网同步旋转角速度；R_g为交流侧等效电阻；L_gd,L_gq分别为等效电感dq轴分量且L_gd＝L_gq。

如上所述的一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，在步骤S200中，所述龙伯格电流观测器为：

其中,

为x的估计量,

输出

状态反馈矩阵

矩阵K根据风电机组主控系统已有电气参数进行求解；通过龙伯格电流观测器得到机侧变流器和网侧变流器在dq 坐标系下的实时估计电流

和

进一步通过dq/abc的Park 逆变换分别转换成abc坐标下的实时估计电流

和

其公式为：

其中

其中

与现有技术相比，本申请有如下优点：

1、本发明提出的直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，能够实时进行变流器功率管的故障检测和定位，快速准确地检测到发生开路故障的相位并定位到故障功率管；实现成本低，只需输入风电机组主控系统的已有变量，避免了额外的硬件使用，降低了系统复杂度和故障诊断成本；可移植性强，可用于机侧变流器和网侧变流器中单个功率管和双功率管开路故障的诊断。

2、本发明通过对机侧和网侧每相电流的相对残差进行指数变换处理，解决了因功率管非理想性和测量噪声影响导致的实际正常运行中相电流相对残差仍存在的问题，提高了故障诊断的准确性。

3、本发明可靠性高，在风速突变、电网电压跌落和电流传感器噪声等干扰下不会产生故障误报。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本实施例的直驱永磁风电系统拓扑结构图；

图2是本实施例直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法整体流程图；

图3是本实施例开路故障检测变量设计方法框图；

图4是本实施例故障诊断关系；

图5是本实施例机侧变流器功率管S1和S3开路故障下机侧电流和诊断变量的变化波形。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他全部实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本实施例中直驱永磁风电机组变频系统采用的拓扑结构，全功率变流器包括机侧变流器和网侧变流器两部分，每侧变流器的每个变频器由6个带有反向并联续流二极管的IGBT功率管组成。由于实际应用当中，功率管和与其反并联的续流二极管同时发生故障的概率极小，所以本发明只考虑变流器中功率管的开路故障，默认与其反并联的续流二极管仍正常工作。

图2显示了本实施例对直驱永磁风力发电机组变流器功率管开路故障进行诊断的全过程，包括故障检测和故障定位，步骤如下：

S100、对风电机组主控系统中机侧变流器三相端电压u_sa,u_sb,u_sc、机侧变流器三相电流i_sa,i_sb,i_sc、网侧变流器三相端电压u_ga,u_gb,u_gc和网侧变流器三相电流i_ga,i_gb,i_gc分别进行abc/dq的Park变换，得到各变量在dq坐标系下的分量u_sd,u_sq,i_sd,i_sq,u_gd,u_gq,i_gd,i_gq，同时计算机侧变流器三相电流和网侧变流器三相电流在一个基波周期内的平均值，并选取u_sd,u_sq,u_gd,u_gq为输入变量，i_sd,i_sq,i_gd,i_gq为状态变量，建立正常状态下的变频系统状态空间模型，本步骤中，所述变频系统状态空间模型为：

其中，

为x的微分量；状态变量x＝(i_sd i_sq i_gd i_gq)^T；输入变量 u＝(u_sd u_sq u_gdu_gq)^T；输出变量y＝x；系统矩阵

输入矩阵

输出矩阵

e＝(11e_gd e_gq)^T；

其中，ψ_f为永磁体励磁磁链；ω_s为电机同步转速；R_s为定子绕组；L_sd,L_sq分别为定子dq轴电感分量且L_sd＝L_sq；e_gd,e_gq分别为电网电压dq轴分量；ω_g为电网同步旋转角速度；R_g为交流侧等效电阻；L_gd,L_gq分别为等效电感dq轴分量且L_gd＝L_gq。

S200、根据变频系统状态空间模型设计如下的龙伯格电流观测器：

其中,

为x的估计量,

输出

状态反馈矩阵

矩阵K根据风电机组主控系统已有电气参数，采用极点配置法进行求解；通过龙伯格电流观测器得到机侧变流器和网侧变流器在dq坐标系下的实时估计电流

和

进一步通过 dq/abc的Park逆变换分别转换成abc坐标下的实时估计电流

和

其公式为：

其中

其中

S300、根据龙伯格电流观测器输出的实时估计电流

和

以及风电机组主控系统实际输出电流i_sa,i_sb,i_sc和i_ga,i_gb,i_gc，分别计算机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差r_sa,r_sb,r_sc和r_ga,r_gb,r_gc，公式为：

其中k代表abc三相。

S400、如图3所示，分别依次对机侧变流器每相电流的相对残差 r_sa,r_sb,r_sc和网侧变流器每相电流的相对残差r_ga,r_gb,r_gc进行如下运算处理得到对应的故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc和N_ga,N_gb,N_gc；

S401、对r_sk和r_gk进行指数变换得出对应R_S1和R_g1，具体公式如下：

R_s1＝(1/2)^(r_sk-1)；R_g1＝(1/2)^(r_gk-1)；

S402、对R_S1和R_g1进行幅值重构得出对应的R_S2和R_g2，具体公式如下：

S403、对R_S2和R_g2经过低通滤波，分别得到对应的故障检测变量N_sk和N_gk。

S500、根据机侧变流器故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc的最大值d_S1和中位数d_S2设计自适应阈值D_s，同理根据网侧变流器故障检测变量 N_ga,N_gb,N_gc的最大值d_g1和中位数d_g2设计自适应阈值D_g，具体公式为：

其中，根据

确定a＝0.91，b＝0.09。

S600、将机侧变流器和网侧变流器中各相的故障检测变量与相应的自适应阈值进行如下比较：

其中k代表abc三相；

如果k相的故障检测变量与自适应阈值之差的绝对值超过可靠临界值ε，则检测标志量F_k置1，判定该相发生开路故障，进行故障定位；否则检测标志量F_k置0，判定无故障发生，监控系统继续运行。本实施例中，可靠临界值ε_s和ε_g的计算公式分别为：

本实施例根据公式

来确定ε_s＝0.005，ε_g＝0.0076。

S700、根据故障相电流在一个基波周期的移动时间窗内的平均值 L_sk或L_gk和定位阈值M_s或M_g区间确定单个故障功率管或双故障功率管的位置。定位阈值区间按照故障功率管的所在相位和桥臂划分为： M₁∈[-∞,-M]，M₂∈[M,+∞]，M₃∈(-M,M)，M代表机侧定位阈值 M_s和网侧定位阈值M_g。本实施例根据公式

来确定定位阈值M_s＝75，M_g＝600，其中A_s和A_g分别代表机侧变流器电流和网侧变流器电流的峰值。

本实施例的直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法包括故障检测和故障定位两个行程，检测方法和定位方法通用于机侧变流器和网侧变流器的单个功率管和双功率管开路故障。

本实施例以机侧变流器S1和S3发生开路故障为例，对故障诊断方法进行说明。(S1和S3对应的功率管位置如图1所示)，机侧变流器以及网侧变流器其他功率管开路故障的情况，诊断方法相同。

按照如下步骤进行：

1、采集机侧变流器三相端电压u_sa,u_sb,u_sc，机侧变流器三相电流 i_sa,i_sb,i_sc，分别进行abc/dq的Park变换，得到各变量在dq坐标系下的分量u_sd,u_sq,i_sd,i_sq,u_gd,u_gq,i_gd,i_gq，同时计算每相电流一个基波周期的移动时间窗内的平均值，并选取u_sd,u_sq,u_gd,u_gq为输入变量， i_sd,i_sq,i_gd,i_gq为状态变量，建立正常状态下的变频系统状态空间模型；

2、根据变频系统状态空间模型设计龙伯格电流观测器，通过龙伯格电流观测器得到机侧变流器在dq坐标系下的实时估计电流

进一步通过dq/abc的Park逆变换分别转换成abc坐标下的实时估计电流

3、根据公式

计算每相电流的相对残差r_sa,r_sb,r_sc，其中k 代表abc三相；

4、根据公式R_s1＝(1/2)^{^}(r_sk-1)和

计算每相故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc；

5、根据公式

计算自适应阈值D_s；

6、将各相的故障检测变量与自适应阈值进行比较，如果k相的故障检测变量与阈值之差的绝对值超过可靠临界值0.005，则检测标志量F_k置1，判定该相发生开路故障，进行故障定位；

7、将故障相电流一个基波周期的移动时间窗内的平均值与阈值 M_s区间M₁∈[-∞,-75]，M₂∈[75,+∞]，M₃∈(-75,75)的对比结果与图4所示的故障诊断关系对照，定位到故障功率管具体位置。

在本实施例中，设定S1在0.525s发生开路故障，S3在0.915s发生开路故障。图5给出了故障诊断结果。在0.554s时，检测到N_sa与 D_s之差的绝对值达到0.047，超过可靠临界值0.005，检测标志量 F_saF_sbF_sc由000变为100，判定a相发生开路故障，此时a相电流一个基波周期的移动时间窗内的平均值在区间M₁内，与图4所示的故障诊断关系对照，故障功率管定位到S1。在0.939s时，检测标志量 F_saF_sbF_sc由100变为110，判定a相和b相均发生开路故障，此时a相电流一个基波周期的移动时间窗内的平均值在区间M₃内，且b相电流一个基波周期的移动时间窗内的平均值在区间M₁内,与图4所示的故障诊断关系对照，故障功率管定位到S1和S3。

Claims (1)

1.一种直驱永磁风电机组变流器多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、对风电机组主控系统中机侧变流器三相端电压u_sa,u_sb,u_sc、机侧变流器三相电流i_sa,i_sb,i_sc、网侧变流器三相端电压u_ga,u_gb,u_gc和网侧变流器三相电流i_ga,i_gb,i_gc分别进行abc/dq的Park变换，得到各变量在dq坐标系下的分量u_sd,u_sq,i_sd,i_sq,u_gd,u_gq,i_gd,i_gq，同时计算机侧变流器三相电流和网侧变流器三相电流在一个基波周期的移动时间窗内的平均值，并选取u_sd,u_sq,u_gd,u_gq为输入变量，i_sd,i_sq,i_gd,i_gq为状态变量，建立正常状态下的变频系统状态空间模型；

S200、根据变频系统状态空间模型设计龙伯格电流观测器，得到机侧变流器和网侧变流器在dq坐标系下的实时估计电流

和

进一步通过dq/abc的Park逆变换分别转换成abc坐标下的实时估计电流

和

S300、根据龙伯格电流观测器输出的实时估计电流

和

以及风电机组主控系统实际输出电流i_sa,i_sb,i_sc和i_ga,i_gb,i_gc，分别计算机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差r_sa,r_sb,r_sc和r_ga,r_gb,r_gc；

S400、分别依次对机侧变流器每相电流的相对残差r_sa,r_sb,r_sc和网侧变流器每相电流的相对残差r_ga,r_gb,r_gc进行运算处理得到对应的故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc和N_ga,N_gb,N_gc；

S500、根据机侧变流器故障检测变量N_sa,N_sb,N_sc的最大值d_S1和中位数d_S2设计自适应阈值D_s，同理根据网侧变流器故障检测变量N_ga,N_gb,N_gc的最大值d_g1和中位数d_g2设计自适应阈值D_g；

S600、将机侧变流器和网侧变流器中各相的故障检测变量与相应的自适应阈值进行比较，如果k相的故障检测变量与自适应阈值之差的绝对值超过可靠临界值ε，则检测标志量F_k置1，判定该相发生开路故障，进行故障定位；否则检测标志量F_k置0，判定无故障发生；

S700、根据故障相电流在一个基波周期的移动时间窗内的平均值L_sk或L_gk和定位阈值M_s或M_g区间确定单个故障功率管或双故障功率管的位置，具体地，将故障相电流一个基波周期的移动时间窗内的平均值与定位阈值区间的对比结果与故障诊断关系对照，确定单个故障功率管或双故障功率管的位置；

在步骤S100中，所述变频系统状态空间模型为：

其中，

为x的微分量；状态变量x＝(i_sd i_sq i_gd i_gq)^T；输入变量u＝(u_sd u_sq u_gd u_gq)^T；输出变量y＝x；系统矩阵

输入矩阵

输出矩阵

e＝(1 1 e_gd e_gq)^T；

其中，ψ_f为永磁体励磁磁链；ω_s为电机同步转速；R_s为定子绕组；L_sd,L_sq分别为定子dq轴电感分量且L_sd＝L_sq；e_gd,e_gq分别为电网电压dq轴分量；ω_g为电网同步旋转角速度；R_g为交流侧等效电阻；L_gd,L_gq分别为等效电感dq轴分量且L_gd＝L_gq；

在步骤S200中，所述龙伯格电流观测器为：

其中,

为x的估计量,

输出

状态反馈矩阵

矩阵K根据风电机组主控系统已有电气参数进行求解；通过龙伯格电流观测器得到机侧变流器和网侧变流器在dq坐标系下的实时估计电流

和

进一步通过dq/abc的Park逆变换分别转换成abc坐标下的实时估计电流

和

其公式为：

其中

其中

在步骤S300中，分别计算机侧变流器和网侧变流器每相电流的相对残差，以k相电流为例，记作r_sk和r_gk，其公式为：

其中k代表abc三相；

在步骤S400中，分别对机侧变流器和网侧变流器k相电流的相对残差r_sk和r_gk进行如下运算：

S401、对r_sk和r_gk进行指数变换得出对应R_S1和R_g1，具体公式如下：

R_s1＝(1/2)^∧(r_sk-1)；R_g1＝(1/2)^∧(r_gk-1)；

S402、对R_S1和R_g1进行幅值重构得出对应的R_S2和R_g2，具体公式如下：

S403、对R_S2和R_g2经过低通滤波，分别得到对应的故障检测变量N_sk和N_gk；

在步骤S500中，设计自适应阈值D_s和D_g的公式为：

其中，a和b根据

来确定；

在步骤S600中，机侧变流器和网侧变流器的k相故障检测标志变量F_sk和F_gk的公式为：

其中，k代表abc三相；

可靠临界值ε_s和ε_g的计算公式分别为：

在步骤S700中，定位阈值区间按照故障功率管的所在相位和桥臂划分为：M₁∈[-∞,-M]，M₂∈[M,+∞]，M₃∈(-M,M)，M代表机侧定位阈值M_s和网侧定位阈值M_g；定位阈值的计算公式分别为

和

其中A_s和A_g分别代表机侧变流器电流和网侧变流器电流的峰值。

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