永磁直驱系统变流器开路故障诊断方法︱本刊学术

湖南大学电气与信息工程学院的研究人员黄科元、刘静佳等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，永磁直驱系统变流器的开路故障会严重影响系统的运行特性。为了提高系统可靠性，要求系统能够及时检测到故障的发生并准确判断出故障器件的所在位置。

本文根据故障时电流的变化特性，提出了变流器单个器件开路故障的诊断方法。该方法通过电流Park矢量相位角的变化检测故障的发生，并依据故障后机侧平均电流的Park矢量相位角所在区间和网侧各相电流的正负确定故障器件的所在位置。仿真和实验结果证明所提方法准确、可靠，且对负载突变、电网电压跌落等干扰具有鲁棒性。

大型风电机组多运行在恶劣的环境下，机组故障停运维护费用高，维修时间长，降低了风电场的有效利用小时数，延长了风电投资的回收时间[1]。因此提高风电机组的可靠性成为目前最受关注的问题之一。

直驱式永磁同步风力发电机组（Directly Driven Wind Turbine with PermanentMagnet Synchronous Generator，D-PMSG）取消了传动齿轮箱，降低了整体故障率，采用双PWM变流器实现全功率并网，该变流器由电力电子器件构成，是系统的核心部件和最脆弱的环节[2]。变流器中任何一个开关的故障都容易引起其他器件的次生故障，最终导致变流器整体损坏和系统停机，影响电网的稳定。

为了减小停机时间、提高电网的稳定性，系统应在故障后及时采取一些补救措施，实现故障后持续运行。对此，首先应该研究风电机组的故障诊断技术。目前，在系统状态监测（使用振动分析）、发电机和电网故障等领域已进行了大量的研究[3-6]，但对系统中最脆弱的变流器涉及较少。

变流器开关器件的故障分为短路故障和开路故障，其中由于驱动失效、开关损坏等造成的单个开关管开路是最常见的故障。

因此，本文提出的诊断方法主要针对变流器单个开关管的开路故障。然而，发电机和风力机运行环境的复杂性对故障诊断方法提出了挑战。首先，诊断方法必须能够快速、准确地检测到故障，并确定故障器件的位置；其次，由于风速的不规则性，系统负载不断变化，要求故障诊断方法对负载突变等干扰具有鲁棒性。

文献[7,8]分析了变流器故障时系统的变化特性，但没有提出故障的诊断方法。目前已提出的故障诊断方法中，文献[9]第一次提出使用Park矢量实现故障诊断，将电流Park变换后的矢量作为一个图形化工具，但该方法的实时执行需要复杂的模式识别算法，不能用于集成的驱动控制器中；文献[10]指出开路故障时，电压具有与电流相同的变化规律，根据电压的变化同样可以完成故障的诊断；文献[11]提出一种基于平均电流Park矢量的诊断方法，采用平均电流Park矢量相位的变化识别故障，然而，该方法仅适用于传统的PWM整流桥，不能胜任直驱式双PWM变流器的故障诊断。

为了实现故障检测与负载独立，文献[12,13]采用定子电流的直流分量和基波幅值进行故障检测，文献[14]通过傅里叶变换提取故障特征，但计算复杂，不易实现。

本文根据变流器故障时电流的变化特性[7,8]，提出了一种针对直驱式系统变流器单个开关管开路故障的诊断方法。首先，采用电流Park矢量相位角斜率的变化检测故障，之后根据故障时机侧平均电流Park矢量相位角所在区间和网侧三相电流的极性，实现系统变流器故障器件的定位。同时，该方法能够有效避免因负载突变等干扰给出错误的故障信息。最后对所述方法进行了仿真和实验验证。

图1 永磁直驱系统拓扑结构图

结论

本文根据变流器开路故障时电流的变化特性，提出了一种基于电流Park矢量相位的故障检测方法，能够快速、准确地检测到变流器开关发生的开路故障。

两个变流器故障器件的定位采用不同的方法，根据机侧平均电流Park矢量相位角所在区间确定机侧故障器件的位置，而网侧故障器件的位置由网侧各相电流值的正、负判断。

该方法对负载突变和电网电压跌落等干扰具有鲁棒性，检测可靠性较高。

本文所提出的故障诊断方法，可以快速、准确地诊断故障，成为防止变流器发生次级故障、实现故障后容错控制、增加系统可靠性的关键，为今后风电系统故障的容错控制奠定了基础。