雙饋風電機組變流器故障診斷研究綜述

周志朋，謝冬梅

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

1.1 雙饋風力發(fā)電機

雙饋異步風力發(fā)電機(DFIG，Double-Fed Induction Generator)是風力發(fā)電機組的重要組成部分，主要由電機本體和冷卻系統(tǒng)組成，電機本體的主要器件有定子、轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)[1-2]。

雙饋異步發(fā)電機的定子與轉(zhuǎn)子連接電網(wǎng)的方式不同。定子采用的是直接連接的方式，而轉(zhuǎn)子采用的則是通過變流器相連接的連接方式。為了滿足用電負荷和風力發(fā)電機并網(wǎng)的條件，機組必須在不同轉(zhuǎn)速的情況下都能夠保持頻率不變，而變流器則能夠通過自主調(diào)節(jié)使得轉(zhuǎn)子繞組電源的電能質(zhì)量滿足用電負荷和風力發(fā)電機并網(wǎng)的運行條件。因為發(fā)電機和電力系統(tǒng)之間是“柔性連接”，所以可以通過對勵磁電流的調(diào)節(jié)以實現(xiàn)發(fā)電機輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，使其能滿足要求[3]。

1.2 雙饋變流器

雙饋變流器采用三相電壓型交流—直流—交流雙向變流器技術(shù)，擁有雙DSP數(shù)字控制器的主要控制技術(shù)和快速浮點運算的技巧。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中，定子磁場定向矢量控制策略的達成，不僅保證了整個體系可以在不同風速下工作，還具有調(diào)節(jié)去耦輸出和無功功率的功能[4-5]。電壓方向矢量控制策略在電網(wǎng)側(cè)變流器中完成，不但能確保直流側(cè)電壓幅值恒定，還能調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)無功功率。

2 雙饋變流器開路故障

雙饋變頻器作為雙饋風力發(fā)電機與電網(wǎng)的銜接元件，控制電壓的穩(wěn)定性和保證最大風能利用率也是它的重要職責，與此同時它也是比較脆弱的部件之一，所以保證變流器可以正常工作是關(guān)鍵。在亞同步狀態(tài)下，如果電網(wǎng)電壓或頻率偏差過大，則絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）元件會被輕易損壞；在超同步狀態(tài)下，如果風扇轉(zhuǎn)速太快，轉(zhuǎn)差功率增加到整流器的整流容量，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)IGBT元件的損壞[6]。背靠背雙PWM變流器是轉(zhuǎn)子側(cè)整流器和電網(wǎng)側(cè)逆變器的組合，且整流器、逆變器具有相同的結(jié)構(gòu)特點。因為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的開路故障影響更大，所以偏重于轉(zhuǎn)子側(cè)故障的研究。圖1為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器結(jié)構(gòu)圖，其中包含6個IGBT和6個二極管，由于運行過程中開路故障的種類比較繁雜，所以為了研究方便，將其開路類型分為5類如表1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器結(jié)構(gòu)

表1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開路故障分類表

3 雙饋變流器的開路故障診斷

變流器是改變電源系統(tǒng)的電壓、頻率、相數(shù)和其他電量或特性的一種電器設(shè)備。利用小波分析等診斷方法的特點與故障的對應(yīng)關(guān)系可對故障進行定位和診斷。

3.1 基于小波分析的故障診斷

基于小波分析的原理和特點，文獻[7]提出了半小波函數(shù)及其相應(yīng)的半小波變換，快速的故障檢測能力正適合電力系統(tǒng)的故障診斷和檢測。文獻[8]針對整流器輸出電壓信號的特點，根據(jù)能量譜和功率譜，完成了對整流器輸出電壓信號的小波分解的分析，并通過搭建的仿真平臺實現(xiàn)對三相PWM整流器各類開路故障的識別。文獻[9]是以三相整流橋作為實驗研究對象，利用小波包可以對輸出電壓波形進行分解、消噪和重構(gòu)等預(yù)處理的能力，得到各個頻帶的重構(gòu)信號并計算其分形維度，以提取相應(yīng)的故障特征實現(xiàn)故障診斷。文獻[10]通過變流器的開路故障特點的研究分析和小波分析方法的建模仿真，證實了小波分析方法的可用性和簡潔性，確定了小波分析方法在不適用其他輸出電壓測量元件的情況下也可以和其余信號測量方法任意組合完成故障診斷。文獻[11]通過實現(xiàn)多分辨率下局部特征頻率的識別的特點選擇合適的小波種類對模擬的雙饋變流器故障波形進行四層分解，通過Matlab軟件以及實際算例分析驗證并實現(xiàn)了對故障的判定。

小波變換的數(shù)學(xué)表達式為

式中，Ψ指代的是小波母函數(shù)；a指代的是尺度參數(shù)；b指代的是時間中心參數(shù)。

小波變換存在下述特點：

1）多分辨率，能夠由輪廓至細節(jié)全面的分析信號的特性。

2）選擇恰當?shù)男〔ɑ?，假設(shè)ψ(t)在特定的時域中是有限支撐，ψ(ω)在頻域內(nèi)可以高度集中，這種變換在兩域上都可以有效的表現(xiàn)出信號所具有的特征，這樣就極大的便利了特征的捕捉和研究。

3.2 基于粗糙集的變流器故障診斷

粗糙集就是在常用的集合的基礎(chǔ)上把特用知識添加到特定的集合內(nèi)，并以此充當集合的一部分，具有處理不精確性和不確定性知識的能力，也是當今世界人工智能理論與應(yīng)用的研究熱點之一。由于在許多現(xiàn)實系統(tǒng)中都存在著不確定性因素，使得所得到的數(shù)據(jù)總是包含著噪聲的影響因素，所以采用小波包與粗糙集的合理結(jié)合將會有效的解決這個問題。

歐式距離計算公式為

其中，xa指代的是包含x的第a個屬性值；ya指代的是包含y的第a個屬性值；dxy指代的是具體的歐氏距離。當dxy=0時，則表明錄入的樣本和數(shù)據(jù)相同。經(jīng)整理可得基于小波變換和粗糙集理論相結(jié)合的變流器故障診斷流程如圖2所示。

圖2 基于小波變換和粗糙集的變流器故障診斷整體流程

3.3 基于電流信號平均值的開路故障診斷

基于電流信號平均值的開路故障診斷方法就是通過提取變流器的輸入輸出的電流信號，計算電流信號在一個周期內(nèi)的平均值及其絕對值的平均值。并根據(jù)電機的輸出功率確定用于判斷故障的閾值，實現(xiàn)對變流器的故障診斷。

文獻[14]就是通過非均勻采樣方式采樣電流信號，通過電流信號平均值來診斷單管和兩管同時開路的情況。通過以下公式對變流器開路故障加以判斷。

式中，iα和iβ是Park的矢量分量；π是Park的矢量模量；ia、ib和ic是變換器的三相電流。

基于電流信號平均值的開路故障診斷方法雖然簡單有效，但在外界干擾等情況下仍存在誤報情況。而park變換的加入則保證并提高了該方法故障診斷的魯棒性。

3.4 基于支持向量機（SVM）的診斷方法

支持向量機是一種很有潛力的分類技術(shù)，在解決小樣本、非線性和高維模式識別方面很有優(yōu)勢?；谥С窒蛄繖C的優(yōu)勢和分類能力，文獻[16]利用小波包的信號處理能力，對電力機車主變流器的輸出電壓信號進行分解和重構(gòu)，并利用支持向量機對得到的特征向量繪成波形，利用輸出電壓波形的特點找到對應(yīng)故障類型，通過仿真和實驗對該方法的高效性和準確性進行了有效證實。還通過文獻[17]中提出的改進SVM方法解決了存在誤分類的問題，提高了SVM方法的故障診斷精度。文獻[18]通過選取直流側(cè)輸出電壓信號為研究對象，對不同故障狀態(tài)下的調(diào)值情況進行分析，通過小波分析法對故障信號的特征樣本進行提取，并以此建立SVM故障分類器，以達到變流器故障診斷的目的。文獻[19]利用小波變換的信號處理能力實現(xiàn)對提取的信號去噪處理，并根據(jù)SVM的特點，建立分布式多SVM分類器。通過對開路故障類型的分析和分類，以及在Matlab軟件建立的變流器仿真模型實現(xiàn)了對故障的分類。

面對線性可分情況時，可直接對其進行分類。對于兩種分類問題，一個超平面H∶ω·x+b可以無錯誤的分開有假定n個樣本的訓(xùn)練集：需求解-1≥0，其中i=1,2,...,n，的二次優(yōu)化問題，達到最大化超平面的分類間隔。并通過拉格朗日函數(shù)求解得到?jīng)Q策函數(shù)。而面對線性不可分情況時，非線性映射算法會對線性不可分樣本進行轉(zhuǎn)化，將線性不可分的情況全部轉(zhuǎn)化為線性可分情況進而對其分類研究，這就把線性不可分情況轉(zhuǎn)化到線性可分情況進行計算分類[20-21]。其故障診斷流程如圖3所示。

圖3 基于支持向量機的故障診斷流程

支持向量機的方法可以通過選取電壓和電流信號為研究對象，對不同故障狀態(tài)下的該信號進行分析。有效利用小波分析的故障信號的預(yù)處理和提取故障特征樣本的能力，可以有效地實現(xiàn)對變流器故障的診斷。

4 結(jié)語

對故障的檢測和診斷有多種多樣的方法，隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進步，變流器的功能也在不斷完善，控制電路也越來越復(fù)雜。使得對故障診斷檢測的難度也隨之增大，而故障診斷的準確性和及時性，故障方法的準確性也必將成為研究的難點和方向。對變流器的多管開路故障的診斷還在進行中。相信在前人的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并且創(chuàng)造出更加方便、準確和快速的方法來檢測問題、診斷問題和解決問題。