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方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及电力电子领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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：iα=23ia-16ib-16ic]]>iβ=12ib-12ic]]>θ=tan-1(iβ/iα)]]>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pj=1，当j相电流小于0.3即认为该相电流为负值，记nj=1。c、实时计算出每个pj和nj的平均值Pj和Nj，当Pj(Nj)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。Pj和Nj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：iα=23ia-16ib-16ic]]>iβ=12ib-12ic]]>θ=tan-1(iβ/iα)]]>求出平均电流矢量的相位θav；b、根据θav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。本专利技术的有益效果是：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专利技术作进一步的描述。图1是本专利技术背靠背结构的PMSG风电系统结构图；图2是本专利技术变流器的IGBT开路故障时系统结构图；图3是本专利技术故障检测方法的流程图及对应的matlab计算结果；图4是本专利技术负载突变时，机侧电流Park矢量相位和机侧检测变量D的波形；图5是本专利技术机侧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是本专利技术机侧R1管开路故障时，机侧故障定位变量θav的波形；图7是本专利技术网侧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是本专利技术网侧I3和I2管依次出现开路故障时，Pj和Nj的波形；图9是本专利技术网侧变流器故障诊断流程图；图10是本专利技术机侧变流器故障诊断流程图；图11是本专利技术网侧故障定位对应表；图12是本专利技术机侧故障定位对应表；具体实施方式本专利技术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专利技术。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。所以本专利技术中只考虑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。（Ri和Ii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，故对矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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、实时监测D值，当D值超过设定的阈值时，即发出故障警报。

【技术特征摘要】
1.一种永磁直驱式风力发电系统变流器的开路故障诊断方法，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，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、实时监测D值，当D值超过设定的阈值时，即发出故障警报；其特征在于：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，为电流采样分类的临界值，=0.3；c、实时计算出每个和的平均值和，当或超出阈值时，则说明网侧变流器j相的下桥臂或上桥臂IGBT出现了故障；其中步骤c中的和的阈值均为0.9；其中，机侧变流器的开路故障定位方法步骤为：a、...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄科元，刘静佳，黄守道，高剑，周李泽，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：