CN112557959B - 直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法 - Google Patents

直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法 Download PDF

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Abstract

直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,包括以下步骤:S1:对机侧三相电流做降噪处理;S2:对降噪后的机侧三相电流做幅值持续过零检测,得到持续过零标志和持续过零时间区间;S3:根据持续过零标志的状态,将持续过零时间区间向左延拓一个相同长度的区间,得到新的机侧三相电流的检测区间,依次在每相电流的检测区间中,对其他两相电流做电流幅值实时变化趋势计算,得到其他两相机侧电流幅值的实时变化趋势标志;S4:将机侧任意一相电流的持续过零标志和剩余两相的电流幅值实时变化趋势标志送进故障诊断和定位逻辑模块中,得到每一相桥臂的开关管故障诊断和定位标志。本发明数据计算量和处理量小,故障诊断快速,定位精准。

Description

直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法
技术领域
本发明涉及风电变流器开关管故障诊断领域,具体是涉及一种基于机侧三相电流畸变特征信号的直驱式永磁风电变流器机侧的开关管单开路故障诊断与定位方法。
背景技术
目前全球能源发展战略已经进入新能源时代,其中以风能和太阳能作为主要代表。风能是一种可再生能源,并且具有清洁性和广泛性,并且获取过程也比较安全,风能获取设备一旦铺设,只要维护得当,可以长时间重复使用,带来经济性优势也很巨大,因此在现代新能源中处于举足轻重的地位。地球上拥有着近乎无尽的风能资源,如果能对风能进行广泛的利用,那么全球目前的能源紧缺问题会得到很大的缓解,对地球环境的污染也会大量减少。风能到电能的转化过程非常简单,不需要依赖大型发电厂,而且发电效率比传统的火力发电要高很多,浪费的资源较少。我国风力资源丰富,在一些地方已经建设了大型风力发电厂,而很多地方也铺设了风力发电机,目前国内的风力发电设备的铺设量在逐年增加,风力发电具有广阔的发展前景。
风力发电中最重要的一环是风电变流器,参照图1,风电变流器是将风电发出来的交流电经过整流之后再逆变,得到符合电网质量要求的三相交流电之后再并入电网使用。目前使用较多的风电变流器是双PWM型背靠背变流器,这种变流器在机侧和网侧各有6个开关管,而目前大多数的开关管选择为IGBT。因为风电场的环境一般在郊外,自然环境恶劣,可能会出现高温,雨水等自然环境。风力发电变流器自身结构复杂,控制系统也受多方面因素影响,加之所处环境恶劣多变,因此风电机组常常会发生火灾事故,究其原因还是风电变流器中的电力电子器件发生故障导致。而风电变流器的开关管最容易发生的故障是开路故障和短路故障,开关管的短路故障一般会产生幅值很大的电流,会触发风电变流器系统的保护装置而自动切断电路,因此能够及时保护风电机组,从而这种故障产生的危害较小。而开关管的开路故障并不会产生大电流,但是会产生电流的波形畸变,从而导致后续送入电网的畸变电流对电网产生谐波污染,使得电网的电能质量下降。不仅如此,风电变流系统里面的谐波电流如果长时间存在,可能会导致系统中的其他电子器件产生过热而导致损坏,甚至会产生更严重的火灾事故。
因此,亟需一种能快速识别风电变流器开关管单开路故障并精准定位故障位置的故障诊断方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服上述背景技术的不足,提供一种直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,数据计算量和处理量小,故障诊断快速,定位精准。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是,一种直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,包括以下步骤:
S1:对直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做降噪处理,消除机侧三相电流中的高频谐波和采样过程中存在的细微误差;
S2:对降噪后的直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做幅值持续过零检测,得到机侧三相电流的持续过零标志和持续过零时间区间;
S3:根据机侧三相电流的持续过零标志的状态,将对应相电流的持续过零时间区间向左延拓一个相同长度的区间,得到新的机侧三相电流的检测区间,依次在每相电流的检测区间中,对其他两相电流做电流幅值实时变化趋势计算,得到其他两相机侧电流幅值的实时变化趋势标志;
S4:将机侧任意一相电流的持续过零标志和剩余两相的电流幅值实时变化趋势标志送进故障诊断和定位逻辑模块中,得到每一相桥臂的开关管故障诊断和定位标志,完成故障诊断和定位。
进一步,步骤S1中,对直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做降噪处理的具体步骤如下:
S11:从直驱式永磁风电变流器的机侧控制系统中使用电流数据采集模块获取机侧三相电流,并将获取的机侧三相电流转化为离散的数字化信号;
S12:采用低通滤波器滤除离散的数字化信号中的高频噪声。
进一步,步骤S12中,所述低通滤波器的截止频率设置为机侧开关管开关频率的
Figure BDA0002869606420000031
进一步,步骤S2中,对降噪后的直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做幅值持续过零检测的具体步骤如下:
S21:将数字化的机侧三相电流每个离散点的幅值im和设定的电流过零阈值itd作比较,若im小于itd,则认为这个离散点是一个符合过零判断条件的过零点;
S22:计算连续的符合过零判断条件的过零点个数Nm,如果连续过零点个数Nm大于设定的连续过零点阈值Nth,则认为这是一次电流的连续过零畸变,设置此相电流的持续过零标志ηm为1,并记录下持续过零时间区间Dm;如果连续过零点个数Nm小于或等于设定的连续过零点阈值Nth,则设置此相电流的持续过零标志ηm为0。
进一步,步骤S21中,所述电流过零阈值itd设置为三相电流幅值的3%。
进一步,步骤S22中,所述连续过零点阈值Nth设置为一个标准电流周期采样点总数的5%。
进一步,步骤S3的具体过程如下:
S31:若某相电流的持续过零标志ηm为1,将该相电流的持续过零时间区间Dm向左延拓一个相同长度的区间,得到新的该相电流的检测区间D2m,在该相电流的检测区间D2m中计算剩余两相电流的导数
Figure BDA0002869606420000041
S32:若剩余两相电流的导数
Figure BDA0002869606420000042
出现先为负值到正值的跳变,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为+1,若剩余两相电流的导数
Figure BDA0002869606420000043
出现先为正值到负值的跳变,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为-1,若剩余两相电流的导数一直为正,或者一直为负,或者一直为0,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为0。
进一步,步骤S4的具体过程如下:
S41:将每一相电流计算出来的持续过零标志ηm和此相电流按照自然相序排列的后面第二相电流的实时变化趋势标志μk相乘,得到ηm对应相桥臂的故障诊断和定位信号Fm
S42:根据计算出来的Fm,结合故障诊断定位表,进行直驱式永磁风电变流器机侧的开关管单开路故障诊断与定位。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
本发明只使用直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流信号,在保证诊断准确度和诊断速度的前提下大幅度的减少了诊断需要的计算量和数据处理量,实现了直驱式风电变流器开关管单开路故障的快速诊断和精准定位。
附图说明
图1为现有的直驱式永磁风机的拓扑图。
图2为直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断过程流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例针对图1所示的直驱式永磁风电变流器,对直驱式永磁风电变流器的开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6进行单开路故障诊断与定位。
参照图2所示的直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断过程流程框图,本实施例进行故障诊断与定位的方法包括以下步骤:
S1:对直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做降噪处理,消除机侧三相电流中的高频谐波和采样过程中存在的细微误差,具体步骤如下:
S11:从直驱式永磁风电变流器的机侧控制系统中使用电流数据采集模块获取机侧三相电流,并将获取的机侧三相电流转化为离散的数字化信号;
S12:采用低通滤波器滤除离散的数字化信号中的高频噪声,其中低通滤波器的截止频率设置为机侧开关管开关频率的
Figure BDA0002869606420000061
S2:对降噪后的直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做幅值持续过零检测,得到机侧三相电流的持续过零标志和持续过零时间区间,具体步骤如下:
S21:将数字化的机侧三相电流每个离散点的幅值im和设定的电流过零阈值itd作比较,若im小于itd,则认为这个离散点是一个符合过零判断条件的过零点;电流过零阈值itd设置为三相电流幅值的3%;
S22:计算连续的符合过零判断条件的过零点个数Nm,如果连续过零点个数Nm大于设定的连续过零点阈值Nth,则认为这是一次电流的连续过零畸变,设置此相电流的持续过零标志ηm为1,并记录下持续过零时间区间Dm;如果连续过零点个数Nm小于或等于设定的连续过零点阈值Nth,则设置此相电流的持续过零标志ηm为0;连续过零点阈值Nth设置为一个标准电流周期采样点总数的5%。
S3:根据机侧三相电流的持续过零标志的状态,将对应相电流的持续过零时间区间向左延拓一个相同长度的区间,得到新的机侧三相电流的检测区间,依次在每相电流的检测区间中,对其他两相电流做电流幅值实时变化趋势计算,得到其他两相机侧电流幅值的实时变化趋势标志,具体步骤如下:
S31:若某相电流的持续过零标志ηm为1,将该相电流的持续过零时间区间Dm向左延拓一个相同长度的区间,得到新的该相电流的检测区间D2m,在该相电流的检测区间D2m中计算剩余两相电流的导数
Figure BDA0002869606420000071
S32:若剩余两相电流的导数
Figure BDA0002869606420000072
出现先为负值到正值的跳变,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为+1,若剩余两相电流的导数
Figure BDA0002869606420000073
出现先为正值到负值的跳变,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为-1,若剩余两相电流的导数一直为正,或者一直为负,或者一直为0,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为0。
S4:将机侧任意一相电流的持续过零标志和剩余两相的电流幅值实时变化趋势标志送进故障诊断和定位逻辑模块中,得到每一相桥臂的开关管故障诊断和定位标志,完成故障诊断和定位,具体步骤如下:
S41:将每一相电流计算出来的持续过零标志ηm和此相电流按照自然相序排列的后面第二相电流的实时变化趋势标志μk相乘,得到ηm对应相桥臂的故障诊断和定位信号Fm,具体参照表1所示的故障类型信号表,Fm的m=a或b或c,Fa表示a相电流的故障诊断和定位信号,Fb表示b相电流的故障诊断和定位信号,Fc表示c相电流的故障诊断和定位信号。
表1直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障类型信号表
Figure BDA0002869606420000074
Figure BDA0002869606420000081
S42:根据计算出来的Fm,结合表2所示的故障诊断定位表,进行直驱式永磁风电变流器机侧的开关管单开路故障诊断与定位。Fm=0表示无故障,Fm=+1表示该相上桥臂开关管开路故障,Fm=-1表示该相下桥臂开关管开路故障。
表2直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断定位表
Figure BDA0002869606420000082
本发明只使用直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流信号,在保证诊断准确度和诊断速度的前提下大幅度的减少了诊断需要的计算量和数据处理量,实现了直驱式风电变流器开关管单开路故障的快速诊断和精准定位。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型,倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:对直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做降噪处理,消除机侧三相电流中的高频谐波和采样过程中存在的细微误差;
S2:对降噪后的直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做幅值持续过零检测,得到机侧三相电流的持续过零标志和持续过零时间区间;对降噪后的直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做幅值持续过零检测的具体步骤如下:
S21:将数字化的机侧三相电流每个离散点的幅值im和设定的电流过零阈值itd作比较,若im小于itd,则认为这个离散点是一个符合过零判断条件的过零点;
S22:计算连续的符合过零判断条件的过零点个数Nm,如果连续过零点个数Nm大于设定的连续过零点阈值Nth,则认为这是一次电流的连续过零畸变,设置此相电流的持续过零标志ηm为1,并记录下持续过零时间区间Dm;如果连续过零点个数Nm小于或等于设定的连续过零点阈值Nth,则设置此相电流的持续过零标志ηm为0;
S3:根据机侧三相电流的持续过零标志的状态,将对应相电流的持续过零时间区间向左延拓一个相同长度的区间,得到新的机侧三相电流的检测区间,依次在每相电流的检测区间中,对其他两相电流做电流幅值实时变化趋势计算,得到其他两相机侧电流幅值的实时变化趋势标志;
具体过程如下:
S31:若某相电流的持续过零标志ηm为1,将该相电流的持续过零时间区间Dm向左延拓一个相同长度的区间,得到新的该相电流的检测区间D2m,在该相电流的检测区间D2m中计算剩余两相电流的导数
Figure FDA0003987927450000021
S32:若剩余两相电流的导数
Figure FDA0003987927450000022
出现先为负值到正值的跳变,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为+1,若剩余两相电流的导数
Figure FDA0003987927450000023
出现先为正值到负值的跳变,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为-1,若剩余两相电流的导数一直为正,或者一直为负,或者一直为0,则将此相电流幅值的实时变化趋势标志μk设置为0;
S4:将机侧任意一相电流的持续过零标志和剩余两相的电流幅值实时变化趋势标志送进故障诊断和定位逻辑模块中,得到每一相桥臂的开关管故障诊断和定位标志,完成故障诊断和定位;
具体过程如下:
S41:将每一相电流计算出来的持续过零标志ηm和此相电流按照自然相序排列的后面第二相电流的实时变化趋势标志μk相乘,得到ηm对应相桥臂的故障诊断和定位信号Fm
S42:根据计算出来的ηm对应相桥臂的故障诊断和定位信号Fm,结合故障诊断定位表,进行直驱式永磁风电变流器机侧的开关管单开路故障诊断与定位:Fm=0表示无故障,Fm=+1表示该相上桥臂开关管开路故障,Fm=-1表示该相下桥臂开关管开路故障。
2.如权利要求1所述的直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,其特征在于:步骤S1中,对直驱式永磁风电变流器的机侧三相电流做降噪处理的具体步骤如下:
S11:从直驱式永磁风电变流器的机侧控制系统中使用电流数据采集模块获取机侧三相电流,并将获取的机侧三相电流转化为离散的数字化信号;
S12:采用低通滤波器滤除离散的数字化信号中的高频噪声。
3.如权利要求2所述的直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,其特征在于:步骤S12中,所述低通滤波器的截止频率设置为机侧开关管开关频率的
Figure FDA0003987927450000031
4.如权利要求1-3之一所述的直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,其特征在于:步骤S21中,所述电流过零阈值itd设置为三相电流幅值的3%。
5.如权利要求1-3之一所述的直驱式永磁风电变流器开关管单开路故障诊断与定位方法,其特征在于:步骤S22中,所述连续过零点阈值Nth设置为一个标准电流周期采样点总数的5%。
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