CN107728063A - 一种直驱式永磁风力发电机组变流器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，首先采集A、B、C三相电流，分别进行Park变换，得到三相电流的电气角度；然后采集初始时刻电机所处转子角度，计算初始相位差；接着采集当前时刻的电机所处转子角度，计算A、B、C三相电机相对机械角度，与三相电流电气角度作差得到诊断变量；最后判定是否发生故障，定故障管位置。本发明能够快速、准确的检测到变流器开路故障的发生，迅速确定故障器件的位置，具有对风速快速变化的鲁棒性。

Description

一种直驱式永磁风力发电机组变流器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统故障诊断技术，具体是涉及一种直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法。

背景技术

变流器是直驱式永磁同步风力发电系统的核心部件和脆弱环节，变流器一旦发生开路故障，变流器自身几乎无法完成故障自检，如不及时处理，轻则导致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的运行可靠性，引发更严重故障，甚至危及电网安全。风力发电机组的故障停机不仅维护费用高、维修时间长、而且降低整个风场的可利用小时数，而且增加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的可靠性，而且风力发电机运行状况受风速变化的影响很严重，迫切需要解决在变风速条件下的风力发电系统故障的诊断和定位，提高风电机组的持续运行能力，使其能够在故障下不间断运行，并且维持与电网之间的正常能量传递。这就要求系统能够快速检测到故障的发生，并且能够准确判断故障元件的所在位置。

目前这一研究领域已经有了一些研究，目前提出的IGBT开路诊断方法中，多数都是采用电流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。为了实现实时诊断，该方法需要结合复杂的模式识别方法，不能集成在驱动控制器中。而且多数方法只是针对定风速或者相对稳定的运行状态，无法在变风速条件下进行故障的诊断和定位。机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形变化规律，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，同时增加的传感器也会增加系统的故障率。因此，针对风机变流器的故障诊断，就需要开发新的故障诊断方法，适应风机变风速的运行环境，并且运用简单的方法来实现故障的实时诊断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，可以方便、准确的检测故障器件的位置。

实现本发明目的的技术解决方案为：直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤1、采集A、B、C三相电流，分别进行Park变换，得到三相电流的电气角度

步骤2、采集初始时刻电机所处转子角度θ_r0，计算每相的电气角度与nθ_r0的初始相位差其中n是永磁电机的极对数；

步骤3、采集当前时刻的电机所处转子角度θ_r，计算A、B、C三相电机相对机械角度与三相电流电气角度作差得到诊断变量；

步骤4、判断三个诊断变量是否均超出设定阈值范围，若是，则判定发生故障，并转至步骤5进行故障定位，否则，判定未发生故障，并转至步骤1继续监测；

步骤5、记录诊断变量超出阈值时的正负情况和当诊断变量超出阈值对应时刻各相的电气角度查找非0矢量作用区间内故障定位对应表，若能确定故障管位置，则结束诊断，否则，记录对应时刻的机械角度查找0矢量作用区间内故障定位对应表，确定故障管位置。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的故障诊断以及定位方法，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，同时具有对风速快速变化的鲁棒性；2)本发明的故障检测和故障定位互相影响小，提高了系统的安全性；3)本发明能够实现实时在线的变流器故障诊断和定位，只要检测部分检测到异常，系统就会产生故障警报。

附图说明

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；

图4是在风速变化时，机侧变流器三相电流Park变换得到的电气角度与电机机械角度正常状态与T1故障状态的对比图；

图5是在风速变化时，机侧变流器开路故障诊断变量在T1管开路故障时的变化波形；

图6是机侧T1管开路故障时，机侧故障的诊断变量和电流Park变换得到的电气角度变化波形；

图7是本发明机侧IGBT管发生开路故障时定位方法的流程图；

图8是在0矢量作用时间内发生开路故障时的诊断示意图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。

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

如图3所示，直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，包括故障的检测和故障的定位，步骤如下：

步骤1、采集A、B、C三相电流，分别进行Park变换，得到三相电流的电气角度其中指θ_cA、θ_cB或θ_cC，计算公式分别为：

步骤2、采集初始时刻电机所处转子角度θ_r0，计算每相的电气角度与nθ_r0的初始相位差其中n是永磁电机的极对数；

步骤3、采集当前时刻的电机所处转子角度θ_r，计算A、B、C三相电机相对机械旋转角度其中指θ_mA、θ_mB或θ_mC，与三相电流的电气角度作差得到诊断变量

步骤4、判断三个诊断变量是否均超出设定阈值范围，若是，则判定发生故障，并转至步骤5进行故障定位，否则，判定未发生故障，并转至步骤1继续监测，正常运行时，得到的诊断变量值近似为0，考虑到误差的存在，此处设定故障诊断变量判断无故障发生的阈值范围为[-0.05,0.05]；

步骤5、记录诊断变量超出阈值时的正负情况和当诊断变量超出阈值对应时刻的三相电流的电气角度查找非0矢量作用区间内故障定位对应表，由于风机系统变流器控制策略中运用到SVPWM(空间矢量调制)方式，因此存在0矢量作用时间，0矢量作用时间内，无法通过电流的电气角度与诊断变量结合的方式进行故障定位，因此，此时需要判断电机的机械角度的所处区间，查找0矢量作用区间内故障定位对应表，确定故障管位置。当两相或超过两相给出相同定位判断时，即判定为故障定位信息，此时，以定位信息得出的故障相的诊断变量及定位信息为主要定位依据，对照表如下所示：

表1非0矢量作用区间内故障定位对应表

表2 0矢量作用区间内故障定位对应表

本发明的故障检测部分适用于机侧变流器IGBT的单管和多管开路故障，定位方法适用于机侧变流器中一个IGBT的开路故障。

实施例1

本实施例以机侧T1发生开路故障为例，对故障诊断方法进行说明。(T1对应的IGBT位置如图1所示)，其他IGBT开路故障的情况，诊断方法相同。

对于故障的检测，首先对三相电流的瞬时值进行Park变换，然后通过电机检测得到当前的转子旋转角度θ_r，进行如下计算：①计算初始时刻A、B、C三相电流的电气角度(指θ_cA、θ_cB和θ_cC)和nθ_r0的相位差其中n是永磁电机的极对数。②令(指θ_mA、θ_mB或θ_mC)，计算得到A、B、C三相电机的机械角度与各相对应的电气角度作差得到诊断变量③将与设定阈值进行判断，当诊断变量超出阈值范围时，判定发生开路故障。当正常运行时，恒定风速或者随机风速条件下，诊断变量近似为0，当故障发生时，的值会发生变化，超出阈值范围，此时可以判定发生故障。诊断变量与系统的控制灵敏度有关，当控制足够灵敏时，风速变化和负载变化均不会影响诊断变量的值，但故障时，便会超出阈值范围。考虑到误差的存在，设定故障诊断变量的阈值为：[-0.05,0.05]。当三相诊断变量中的两相或三相检测信号超出设定的阈值时，即发出故障警报，说明机侧变流器发生了开路故障。

图4给出了风速快速变化时，机侧变流器三相电流电气角度与三相电机机械角度正常状态与T1故障状态下的变化情况。由图4可知，在整个阶段都是处于风速快速变化，在1s是发生T1管的开路故障。风速变化对于电机电气角度和机械角度均有影响，但两者在正常情况下的差值很小，但当T1管发生开路故障时，在特定区域发生电机电气角度的明显畸变。验证了该方法的诊断准确性，且具有对风速快速变化的鲁棒性。

对于机侧变流器开路故障的定位方法如下：当诊断变量超出阈值时，进行如下计算：①计算诊断变量的正负情况，计算电流Park相位角度值②对照非0矢量作用区间内的故障定位表，对变流器发生的IGBT开路故障定位③如果在非0矢量作用区间内的故障定位表中没有对应的电气角度，则计算此时的电机机械角度，按照0矢量作用区间内的故障定位表进行故障定位。

在本实施例中，设定T1在1s时发生开路故障，图5给出了故障检测结果，在1s时刻后，检测变量在特定区域内超出阈值，不再保持在0附近，此时判断发生开路故障；当开路故障信号产生时，进行故障定位，图6给出了开路故障下电流Park相位角度θ_cA以及电机机械旋转角度θ_mA的对比曲线，根据发生故障时的电流Park变换得到的电气角度值或者电机机械角度值，结合诊断变量的正负情况进行故障的定位。整个故障定位方法的流程图如图7所示。

实施例2

若设定T1管开路故障发生在2.1s时，故障造成的电气角度与机械角度对比如图8所示，此时故障开始时刻属于0矢量作用区间内，通过对比非0矢量作用区间内的故障定位表发现，此时的电机电气角度不在非0矢量区间的故障定位表中，无法完成对故障的定位，从而干扰正常的故障定位。计算电机的机械角度值，与0矢量作用区间内的故障定位表进行比对，发现机械旋转角度为5.89rad～0.33rad，对应A相的T1管开路故障时的电机机械角度区间，从而得到故障发生的位置为T1管。

Claims (6)

1.直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、采集A、B、C三相电流，分别进行Park变换，得到三相电流的电气角度

步骤2、采集初始时刻电机所处转子角度θ_r0，计算每相的电气角度与nθ_r0的初始相位差其中n是永磁电机的极对数；

步骤3、采集当前时刻的电机所处转子角度θ_r，计算A、B、C三相电机相对机械角度与三相电流电气角度作差得到诊断变量；

步骤4、判断三个诊断变量是否均超出设定阈值范围，若是，则判定发生故障，并转至步骤5进行故障定位，否则，判定未发生故障，并转至步骤1继续监测；

步骤5、记录诊断变量超出阈值时的正负情况和当诊断变量超出阈值对应时刻各相的电气角度查找非0矢量作用区间内故障定位对应表，若能确定故障管位置，则结束诊断，否则，记录对应时刻的机械角度查找0矢量作用区间内故障定位对应表，确定故障管位置。

2.根据权利要求1所述的直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于，步骤1分别对A、B、C相电流进行Park变换，其公式为：

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3.根据权利要求1所述的直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于，步骤3中A、B、C三相电机相对机械角度为

4.根据权利要求1所述的直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于，步骤4设置的阈值范围为[-0.05,0.05]。

5.根据权利要求1所述的直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于，步骤5中非0矢量作用区间内故障定位对应表和0矢量作用区间内故障定位对应表分别为：

表1非0矢量作用区间内故障定位对应表

表2 0矢量作用区间内故障定位对应表

6.根据权利要求1所述的直驱式永磁风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，其特征在于，步骤5当两相或超过两相给出相同定位判断时，即判定该开关管故障。