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为了提高永磁直驱式风电变流器的稳定性和可靠性,合肥工业大学电气与自动化工程学院、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的研究人员许水清、陶松兵、何怡刚、柴毅,在2022年第2期《电工技术学报》上撰文,针对风电变流器功率管单管和双管故障,提出一种基于相电流瞬时频率估计的开路故障诊断方法。该方法能够同时实现机侧和网侧的21种开路故障诊断,且避免增加额外的传感器,无需使用Park矢量变换和大量故障样本,故障特征更为显著、鲁棒性强。

随着化石资源短缺和环境污染问题日益严峻,风能作为一种清洁的可再生能源受到全世界的重视,因此,风力发电得到迅猛的发展。永磁直驱式风力发电机组由于取消了沉重的增速齿轮箱,具有高效率、低噪声、长寿命、机组体积小、运行维护成本低等诸多优点,获得了越来越多的关注。

在永磁直驱风电系统中,采用由电力电子器件构成的双脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)变流器实现全功率并网。然而由于工作环境大多比较恶劣,风电机组的安全运行遭受了严重的威胁。统计数据表明,风电机组中的变流器故障率最高,其主要故障是功率器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的开路故障。因此,IGBT开路故障诊断是风电变流器系统实现可靠运行的前提,研究风电变流器的功率管开路故障诊断对风电系统安全运行至关重要。

目前,变流器开路的故障诊断方法从检测变量上主要分为基于电压量的诊断方法和基于电流量的诊断方法。基于电压量的故障诊断方法是利用变流器输出的电压波形或结合变流器机理来进行故障检测和定位,其诊断时间相对短、可靠性较高,但依赖于模型的准确度,需要额外的硬件,实现难度较高,且阈值关联性较低。

基于电流的诊断方法是利用相电流,经过坐标变换、信号处理或模式识别等技术进行故障检测和故障定位,由于无需附加额外的硬件,容易实现,已成为目前最广泛使用的变流器故障诊断方法。但是相关文献研究所提出的故障诊断方法直接利用归一化相电流构造故障检测变量,故障特征易受干扰,且算法复杂度较高。

此外,目前这些方法大多针对逆变器的开路故障诊断,而风电变流器包括机侧整流器和网侧逆变器,机侧整流器的开路故障特性与网侧逆变器的开路故障特性相比,故障特性不明显,故障诊断难度更大,使得现有的逆变器故障诊断方法难以同时适用于机侧整流器和网侧逆变器。

因此,合肥工业大学电气与自动化工程学院、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的研究人员根据现有风电变流器开路故障诊断方法的不足之处,提出了一种基于相电流瞬时频率估计的开路故障诊断方法。

图1 实验平台

首先为了实现相电流瞬时频率的在线平滑估计,研究人员提出一种基于加权滑动Hilbert变换的估计方法以消除端点效应。其次利用归一化的相电流瞬时频率残差来构造新的检测变量检测故障的发生。然后提出基于改进相电流均值法的多功率管开路故障定位方法实现故障功率管的定位。此外,他们还提出检测变量和定位变量的在线快速更新算法,降低计算量。该方法避免额外的附加硬件,故障特征更为显著,且无需使用Park矢量变换和大量故障样本。

该故障诊断算法有如下优点:

①提出新的故障检测方法:利用变流器相电流的瞬时频率来构造故障检测变量,故障特征更为显著,无需使用Park矢量变换和增加额外硬件配置,且归一化的检测变量,简化了检测阈值的设置,避免了智能算法对大量训练样本的需求;

②提出基于改进相电流均值法的多功率管开路故障定位方法:能够同时实现机侧整流器和网侧逆变器各21种故障定位,提出的定位变量在线快速更新算法,减少了计算量;

③提出新的瞬时频率估计算法:利用加权滑动Hilbert变换能够消除“端点”效应,实现相电流瞬时频率的在线平滑估计,故障特征更为精细。实验结果验证了该故障诊断算法的有效性和鲁棒性。

本文编自2022年第2期《电工技术学报》,论文标题为“基于相电流瞬时频率估计的永磁直驱风电变流器开路故障诊断”,作者为许水清、陶松兵 等。

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