直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器故障診斷分析

羅國(guó)輝

摘 要：在我國(guó)的可再生能源中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在其中扮演著非常重要的角色，在風(fēng)能設(shè)施水平不斷提升的基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為了未來(lái)新能源的主要發(fā)展方向。結(jié)合實(shí)際情況可以了解到，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是由雙饋式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)以及鼠籠式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)幾個(gè)部分組合而成，其中，雙饋式發(fā)電機(jī)與直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)都是在對(duì)變頻器利用的基礎(chǔ)上才實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)的有效連接。但是，變頻器在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)面臨各種故障問(wèn)題的發(fā)生，如果不能對(duì)這些故障進(jìn)行及時(shí)的診斷，將會(huì)導(dǎo)致故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。本文主要針對(duì)直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)變頻器故障診斷進(jìn)行了深入的分析，希望能為相關(guān)人員提供合理的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)；變頻器；故障診斷

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）11-0215-01

直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)自然風(fēng)與電能之間的有效轉(zhuǎn)變，通過(guò)全功率因數(shù)變頻器進(jìn)行處理之后，可以滿足用戶對(duì)電能的使用需求。全額變頻器在一定程度上將直接影響到出口的電能質(zhì)量以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。全額變頻器主要是由兩組電力電子變換器組合而成，在這一過(guò)程中直流環(huán)節(jié)起到了非常重要的連接作用。在對(duì)二次測(cè)控制電路控制信號(hào)利用的基礎(chǔ)上，可以完成對(duì)一次電能的變頻以及調(diào)壓等工作，從而可以為電能質(zhì)量提供良好的保障。

1 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

發(fā)電機(jī)側(cè)變換器在對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率進(jìn)行接收的過(guò)程中，其有功功率為PG，然后在對(duì)DC環(huán)節(jié)落實(shí)的基礎(chǔ)上，將PG送到網(wǎng)側(cè)變換器，在這時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器的功率為PG=Pg，如果不對(duì)變壓器當(dāng)中存在的耗損進(jìn)行計(jì)算，其中PG=usdisd+usqisq=UdcIs，Pg=UdeIg=Ugdigq+Ugqigq。

在公式當(dāng)中，usd、usq、isd、isq分別指的是d、q坐標(biāo)系當(dāng)中發(fā)電機(jī)定子電壓以及電流的軸分量；另外，Ude指的是直流環(huán)節(jié)母線的電壓值；Is指的是發(fā)電機(jī)側(cè)變換器度直流母線進(jìn)行輸出的過(guò)程中所產(chǎn)生的電流值；Ude、Ugq、igq、igq分別指的是網(wǎng)側(cè)電壓、電流d、q軸分量等；最后Ig指的是網(wǎng)側(cè)變換器對(duì)直流電母輸入過(guò)程中所產(chǎn)生的電流。

當(dāng)電網(wǎng)d軸電壓處于正常的范圍之內(nèi)時(shí)，有以上提出的兩個(gè)公式可以得出，當(dāng)點(diǎn)擊側(cè)變換器與發(fā)電機(jī)定子實(shí)現(xiàn)有效的連接時(shí)，如果對(duì)變換器產(chǎn)生的高次諧波其數(shù)學(xué)模型，可以將電機(jī)定子電壓方程實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化。

結(jié)合相關(guān)的公式分析可以了解到，當(dāng)變換器的開(kāi)關(guān)函數(shù)S處于變化狀態(tài)下時(shí)，變頻器也就會(huì)出現(xiàn)故障，在這個(gè)時(shí)候變換器輸入電網(wǎng)功率以及出口電壓都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，如果站在直觀的角度上進(jìn)行分析，會(huì)因此出現(xiàn)不同程度的變形現(xiàn)象，這也是對(duì)變換器故障進(jìn)行判定的一項(xiàng)重要參考依據(jù)。

2 SVC變頻器故障的定義以及仿真

2.1 變頻器的故障定義

結(jié)合實(shí)際情況可以了解到，導(dǎo)致變頻器故障現(xiàn)象產(chǎn)生的影響因素比較多，其中主要包括了高溫發(fā)熱、油水臟污、灰塵、變電站的電磁干擾、電氣量的變化以及控制電路的操作不當(dāng)?shù)龋渲蟹浅Ｆ毡榈墓收犀F(xiàn)象為功率開(kāi)關(guān)短路以及開(kāi)關(guān)故障等。如今，相關(guān)人員已經(jīng)進(jìn)一步加大了對(duì)短路故障現(xiàn)象的研究力度，并且已經(jīng)具備相應(yīng)的保護(hù)模塊，在實(shí)際的操作過(guò)程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。針對(duì)于短路故障而言，開(kāi)路故障的研究比較少，如果是站在故障元件數(shù)量與位置的不同角度上進(jìn)行分析，可以將開(kāi)路故障劃分為四種主要的類型，同時(shí)包括了42種子類。

2.2 變頻故障的仿真

本文主要基于PSIM環(huán)境基礎(chǔ)上，然后對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型進(jìn)行了有效的構(gòu)建。在模型當(dāng)中直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速為11m/s，濾波電感為0.3mH，對(duì)地電容為45uF，PWM脈沖信號(hào)頻率為4kHz。針對(duì)不用的故障單元組合進(jìn)行了合理的設(shè)置，最終形成了相應(yīng)的故障波形。

針對(duì)不同元件故障下的仿真模型呈現(xiàn)出的仿真波形可以了解到，當(dāng)故障組合的類型不同時(shí)，相應(yīng)的故障波與之前相比會(huì)出現(xiàn)不同程度的畸變現(xiàn)象，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)故障位置以及故障類型的準(zhǔn)確判定，需要對(duì)其中的分類條件進(jìn)行有效的設(shè)置。

3 智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在進(jìn)行核算的過(guò)程中主要是在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行的，在對(duì)遺傳算法利用的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值以及閥值的優(yōu)化工作，經(jīng)過(guò)處理之后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)初始參數(shù)進(jìn)行編碼，然后在經(jīng)過(guò)選擇、交叉以及變異處理等工作之后，對(duì)于每個(gè)個(gè)體所使用的函數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，對(duì)于個(gè)體適應(yīng)度值最小的個(gè)體進(jìn)行保留，從而做為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳權(quán)值。在對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行確定的過(guò)程中，通常取值為100，將輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)取值為6，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)取值為10，從而遺傳法個(gè)體編碼長(zhǎng)度為1076。

4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)遺傳算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)值以及閥值進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)優(yōu)化10代之后停止操作，其中最佳的個(gè)體適應(yīng)度值在計(jì)算過(guò)程中流程如下圖1所示。當(dāng)凈化工作停止之后，遺傳算法所獲取到的個(gè)體就是最佳的BP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在這個(gè)時(shí)候就可以將最佳的權(quán)值以及閥值融入到BP網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，然后對(duì)樣本當(dāng)中的數(shù)據(jù)通過(guò)隨機(jī)的方式進(jìn)行抽取，將最終抽到的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的測(cè)試工作，在對(duì)GA利用的基礎(chǔ)上，對(duì)BP預(yù)測(cè)中存在的誤差現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)合理的控制。

經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化處理之后的BP網(wǎng)絡(luò)與通常的BP網(wǎng)絡(luò)相比具有非常明顯的差異，主要表現(xiàn)在對(duì)故障類型進(jìn)行預(yù)測(cè)的過(guò)程中具有一定的精準(zhǔn)性，在操作過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差現(xiàn)象的合理控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要在對(duì)理論與實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，然后針對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器經(jīng)常出現(xiàn)的故障類型進(jìn)行了深入的分析。在文章所提到的通過(guò)GA完成對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化工作，在對(duì)故障進(jìn)行診斷的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，同時(shí)也能對(duì)智能高精度故障診斷的研究工作提供非常重要的參考依據(jù)。但是，因?yàn)镚A的應(yīng)用，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行速度帶來(lái)一定的影響，在未來(lái)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)相應(yīng)的研究工作，從而對(duì)結(jié)論進(jìn)行不斷的豐富。

參考文獻(xiàn)

[1]李燕，梁英.永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)電壓源型變流技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22（1）：65-70.

[2]尹明，李庚銀，張建成等.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（15）：61-65.