開繞組無刷雙饋發電機系統變流器故障診斷

施 隆，金 石，周黨生，王金松

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開繞組無刷雙饋發電機系統變流器故障診斷

施 隆1，金 石1，周黨生2，王金松3

（1. 沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870；2. 深圳市禾望電氣股份有限公司，廣東 深圳 518055；3. 中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

功率開關器件開路是風力發電系統中的常見故障。本文對基于直接功率控制策略的開繞組無刷雙饋發電機（OW-BDFG）系統中雙兩電平變流器功率開關器件的開路故障診斷方法進行研究。詳細分析了雙兩電平變流器單相開路故障類型，以單個變流器單相故障、兩個變流器均單相故障為例，將正常運行與故障后的控制繞組相電壓進行對比分析，實現故障診斷和故障類型辨別。仿真結果驗證了所提方法的有效性。

無刷雙饋發電機；開繞組；變流器故障診斷；直接功率控制

0 前言

無刷雙饋發電機因其無刷化結構，低維護成本，所需變流器容量小，以及高可靠性等優勢在風力發電領域得到廣泛關注[1-5]。在大型風力發電領域，如海上風力發電系統中，由于工作環境較為惡劣，因此系統的高可靠性成為安全可持續運行的前提。風力發電機組通常由發電機、控制器、變流器與一系列傳感器構成，其中任何環節出現故障都會對系統產生影響：輕則影響風力發電系統性能，重則使全部系統癱瘓。因此這些環節的可靠性都應得到足夠重視。

功率變換器是現代交流電機驅動系統中不可或缺的組成部分。由于功率變換器中的功率開關器件經常需要頻繁開通或關斷，且常受自身工作環境和系統能量流動的影響，因而功率變換器尤其是機側逆變部分，常常成為系統中易發生故障的薄弱環節。許多具有檢測和保護功能的電路包括過電壓、過電流保護電路，驅動保護電路以及緩沖電路等已經集成在現代智能功率模塊中，這在一定程度上保障了變流器的安全穩定運行。但海上風力發電環境復雜，諸多擾動都可造成功率開關器件保護電路的失效。因此，通過附加手段對功率開關器件進行故障診斷對提高系統可靠性具有重要意義。

功率開關器件的開路和短路故障診斷方法主要分為兩大類：基于電壓信號的故障診斷方法和基于電流信號的故障診斷方法。早期的功率器件故障診斷方法主要針對開環系統，主要包括電流矢量軌跡斜率法、電流矢量瞬時頻率法[6]、平均電流Park矢量法[7]、歸一化直流法[8,9]、負載電流分析法[10,11]、簡單直流法[12]等。隨著控制系統的發展及對系統高性能、高穩定性的需求，閉環系統在工業應用中的比重逐步增多，相應的功率開關器件故障診斷方法也逐步涌現[13,14-16]。

本文以開繞組無刷雙饋磁阻風力發電機為控制對象，該發電機的控制繞組為開繞組結構，系統采用雙兩電平變流器饋電形式。詳細分析雙兩電平變流器單相開路故障類型，以單個變流器單相故障、兩個變流器均單相故障為例，對基于直接功率控制的開繞組無刷雙饋發電機系統控制繞組機側變流器功率開關器件的開路故障診斷方法進行研究。分析故障后控制繞組的相電壓，實現功率器件的開路故障診斷和故障類型辨別。

1 OW-BDFG系統結構及數學模型

無刷雙饋發電機定子上有兩套極對數不同的繞組，通常將極對數較多的一套繞組直接連接電網，稱作功率繞組；將極對數較少的一套繞組連接變流器，用于控制電機運行，稱作控制繞組。所謂開繞組結構，是指將控制繞組中性點打開后形成三相獨立繞組，其兩端分別連接一個變流器。采用這種結構可以獨立控制三相控制繞組的電壓、電流，并增強系統的容錯能力，開繞組無刷雙饋發電機系統結構如圖1所示。

圖1 OW-BDFG系統結構示意圖

無刷雙饋發電機定子上的功率繞組與控制繞組需要通過轉子來實現電磁耦合，磁阻式轉子結構較為簡單，轉子可形成r個磁阻磁極，當功率繞組極對數為p、控制繞組極對數為c時，轉子極數與功率繞組和控制繞組極對數之間滿足以下關系：r=p+c。

由于無刷雙饋發電機定子上有兩套電壓、電流頻率不同的繞組，因此需建立兩套角頻率不同的旋轉坐標系。旋轉坐標系及電流、磁鏈矢量如圖2所示。旋轉坐標系的參考軸均為功率繞組A相繞組軸線（假設功率繞組A相繞組軸線與控制繞組a相繞組軸線重合），其中，將功率繞組轉換到dpqp旋轉坐標系下，其位置角為；將控制繞組轉換到dcqc旋轉坐標系下，其位置角為r-。為dpqp坐標系旋轉角速度；ω-ω為dcqc坐標系旋轉角速度。pc為控制繞組交鏈功率繞組磁鏈，為pc與c之間的夾角。p、c分別為功率繞組磁鏈和控制繞組磁鏈，p、c分別為功率繞組電流矢量和控制繞組電流矢量。

圖2 旋轉坐標系及電流、磁鏈矢量圖

經推導，功率繞組和控制繞組在各自旋轉坐標系下的磁鏈表達式分別為：

功率繞組和控制繞組在各自旋轉坐標系下的電壓方程分別為：

2 OW-BDFG的直接功率控制原理

本文中無刷雙饋發電機的控制繞組采用開繞組結構，其兩端各連接一個兩電平變流器且為共母線連接方式，電路拓撲結構如圖3所示。控制繞組電壓由兩個變流器功率開關器件的開關狀態共同決定，控制繞組三相電壓可以表示為：

機側變流器1和機側變流器2均有8種開關狀態，因此雙變流器共有64種開關狀態。雙變流器形成的控制繞組電壓矢量如圖4所示，其中零矢量10個，有效矢量54個，可形成19種不同的有效矢量和零矢量，它們分布在19個不同的位置。

圖4 雙兩電平變流器合成電壓空間矢量圖

在忽略銅耗的情況下，可認為電磁功率與機械功率近似相等。因此無刷雙饋發電機的電磁轉矩以及與機械功率的關系可分別表示為：

式中，為pc與c之間的夾角，如圖2所示。在并網情況下功率繞組直接連接電網，因此p大小近似為常數，改變式（5）中c的幅值以及即可改變電磁轉矩以及輸出功率。經研究發現，對于功率繞組有功功率的控制可通過改變來實現；對于功率繞組無功功率的控制可通過改變c的幅值來實現。結合圖5可得如下結論：若c處于扇區內，則采用電壓矢量+1或+2可增加功率繞組有功功率；采用電壓矢量-1或-2可減小功率繞組有功功率；采用電壓矢量+2、+3或-2可增加功率繞組無功功率；采用電壓矢量、+1或-1可減小功率繞組無功功率。

圖5 ypc與yc空間矢量圖

3 機側變流器功率開關器件的開路故障診斷

對于本文的開繞組無刷雙饋發電機系統而言，不同位置的功率開關器件發生開路故障，對系統產生的影響也不同。故障診斷方法對系統結構以及所采用的控制策略具有很強的依賴性，因此，往往需對具體系統進行詳細分析來獲得合適的故障診斷方法。對于圖3所示的開繞組拓撲結構，任一變流器可能出現的單相故障情況見表1。

表1 雙兩電平變流器單相故障類型

如果某變流器有兩相橋臂均發生故障，那么該變流器只有兩種開關狀態，此時無法調制出BDFG運行所需的圓形磁鏈矢量。因此本文僅研究表1所示的單相故障下開繞組BDFG系統故障診斷及容錯運行技術。本章分別以變流器1的a1相故障、變流器1的a1相與變流器2的a2相均故障以及變流器1的a1相與變流器2的b2相均故障三種情況為例，對基于直接功率控制的開繞組無刷雙饋發電機系統變流器故障診斷技術進行研究。

由于本文中系統采用直接功率控制策略，開關器件故障會對變流器輸出電壓造成影響，進而影響發電機輸出功率，功率的畸變反過來又影響電壓矢量的選擇，進而影響功率器件的開關狀態與變流器輸出電壓，所以諸多適用于開環系統的故障診斷方法以及適用于某些特定控制策略下的故障診斷方法不再適用。因此本文直接測出控制繞組相電壓波形，將故障后的控制繞組相電壓與正常運行時相對比，找到故障信號特征，得出故障信息。

當變流器正常工作時，共母線連接方式使電路拓撲等同于三相全橋逆變電路，以控制繞組a相為例，其電路結構如圖6所示，其工作原理與普通單相全橋逆變電路相同。控制繞組兩端電壓為兩個橋臂中點電壓之差，如公式（4）所示。將開繞組無刷雙饋發電機系統中的變流器母線電壓設置為80V，即d=80V。必須保證同相的上、下橋臂開關信號相反。當Sa1和Sa2’開通、Sa1’和Sa2關斷時，a=80V；當Sa1和Sa2’關斷，Sa1’和Sa2開通時，a=-80V。

圖6 控制繞組a相電路拓撲結構

在Sa1兩端各串聯一個理想開關器件，并將Sa1與上下兩個理想開關器件視為一個整體，在0.6s時將上下兩個理想開關器件的開通信號置零來模擬Sa1的內部開路故障，將m、n兩點之間電壓作為Sa1的集射極間電壓，如圖7所示。

圖7 Sa1開路故障示意圖

圖8所示為變流器1的Sa1開路故障前后控制繞組a相電壓波形。從圖8可以看出，故障發生后，控制繞組a相電壓為20V或-80V。圖9顯示了變流器1的Sa1與變流器2的Sa2均開路故障前后控制繞組a相電壓波形。從圖9可以看出，故障發生后，控制繞組a相電壓為20V或-20V。圖10和圖11分別繪出了變流器1的Sa1與變流器2的Sb2均開路故障前后控制繞組a相和b相電壓波形。

圖8 變流器1的Sa1開路故障前后控制繞組a相電壓

圖9 變流器1的Sa1與變流器2的Sa2均開路故障前后控制繞組a相電壓

圖10 變流器1的Sa1與變流器2的Sb2均開路故障前后控制繞組a相電壓

從圖8~11可知，無論是單個變流器單相開關器件故障、兩個變流器同相開關器件均故障，還是兩個變流器不同相開關器件均故障，與故障相橋臂相連的控制繞組電壓均出現異常，不同故障類型下的控制繞組相電壓具有不同的故障特征，具體情況見表2。

圖11 變流器1的Sa1與變流器2的Sb2均開路故障前后控制繞組b相電壓

表2 不同故障發生后的控制繞組相電壓

由表2可知，通過檢測出控制繞組相電壓的異常值，即可實現故障診斷和故障類型辨別。上述三種故障類型的診斷方法分別如圖12~14所示。對故障類型I而言，控制繞組相電壓隨時間連續變化，其異常值在20V上下波動，因此在檢測異常值時需設定一定范圍，本文在檢測20V時設置的電壓范圍為0~40V，在檢測-20V時設置的電壓范圍為-40~0V，在檢測-80V時設置的電壓范圍為-100~-60V。

圖12 故障類型I診斷方法流程圖

圖13 故障類型II診斷方法流程圖

圖14 故障類型III診斷方法流程圖

故障類型辨別方法的仿真結果如圖15~17所示。

圖15 故障類型I診斷方法仿真結果

圖16 故障類型II診斷方法仿真結果

圖17 故障類型III診斷方法仿真結果

若發生某種故障，則相應的故障類型診斷結果為1，即若表2中故障類型I發生，則圖12~14的故障診斷結果分別為1、0、0；若故障類型II發生，則圖12~14的故障診斷結果分別為0、1、0；若故障類型III發生，則圖12~14的故障診斷結果分別為0、0、1，因此故障診斷結果（1，0，0）、（0，1，0）、（0，0，1）分別代表了表2中所列的三種故障類型。

由上述故障診斷仿真結果可知，本文所提的故障診斷方法可分別在0.001s、0.01s、0.001s之內診斷出表2所列的三種故障，并識別出其類型，診斷時間較短，避免了二次故障的發生，提高了系統可靠性。

4 結論

本文詳細分析了開繞組無刷雙饋發電機采用的雙兩電平變流器拓撲結構，給出了雙變流器饋電時的電壓空間矢量分布，在此基礎上分析了無刷雙饋發電機的直接功率控制原理。詳細分析了雙兩電平變流器的單相開路故障類型，以變流器1的a1相故障、變流器1的a1相與變流器2的a2相均故障以及變流器1的a1相與變流器2的b2相均故障為例，對基于直接功率控制的開繞組無刷雙饋發電機系統變流器故障診斷技術進行研究，采用檢測控制繞組相電壓方法實現功率器件開路故障的診斷及故障類型的辨別。所提方法可提高系統可靠性，避免系統發生重大事故。

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Fault Diagnosis of Converters in Open-winding Brushless Doubly-fed Generator System

SHI Long1, JIN Shi1, ZHOU Dangsheng2, WANG Jinsong3

(1. Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2. Shenzhen Hopewind Electric Co., Ltd., Shenzhen 518055, China;3. CSIC Motor Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

Open circuit of power switches is a common failure in wind power generation system. The open circuit fault diagnosis method of dual two level converter power switches in open winding brushless doubly fed generator system based on direct power control is studied in this paper. The single phase open circuit fault type of double two level converters is analyzed in detail. The single phase fault of single converter and the single phase fault of two converters are taken as an example. The normal operation and the phase voltage of the control winding after the fault are compared and analyzed, and the fault diagnosis and fault type identification are realized.The simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

brushless doubly-fed generator; open winding; fault diagnosis of converter; direct power control

TM307+.1

A

1000-3983(2018)05-0063-07

2018-05-15

施隆（1992-），沈陽工業大學電氣工程學院在讀碩士研究生，研究方向為特種電機及其控制技術，電力電子與電力傳動。