趙洪山，程亮亮

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

變流器由電力電子器件構(gòu)成，是大型風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的核心部件，已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境大多比較惡劣，再加上電子器件的脆弱性，使變流器成為了風(fēng)電機(jī)組中最脆弱和故障率最高的部件［1-2］。變流器的故障主要為功率開關(guān)管開路和短路故障［3］，其中，驅(qū)動(dòng)失效和開關(guān)損壞引發(fā)的開路故障，不僅容易引發(fā)其他器件發(fā)生二次故障，而且會(huì)引起變流器整體損壞，最終導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［4-5］，然而，目前關(guān)于變流器故障診斷技術(shù)的研究卻很少。因此，本文對雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器開路故障診斷方法進(jìn)行研究，以避免重大事故，降低運(yùn)維成本，提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性和可用率。

目前，故障診斷方法大致可分為基于模型的故障診斷方法和基于數(shù)據(jù)的故障診斷方法，其中，基于數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組變流器故障診斷方法已經(jīng)有很多的研究。文獻(xiàn)［6］對直流側(cè)電壓信號進(jìn)行小波包變換，通過頻譜特征對變流器進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)［7-8］針對風(fēng)電機(jī)組的中點(diǎn)箝位全功率變流器，分析了其正常和開路狀態(tài)下的電流特征，將三相電流的極性及其過零范圍時(shí)間作為特征量進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)［9-11］提出了變流器開路故障電流瞬時(shí)頻率檢測法，利用電流矢量相角的微分計(jì)算電流矢量的瞬時(shí)頻率，然后根據(jù)電流瞬時(shí)頻率與閾值的比較結(jié)果判斷變流器是否發(fā)生故障，并通過電流極性和平均電流絕對值識別具體故障位置。文獻(xiàn)［12］采用電流信號平均值直接進(jìn)行雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器開路故障診斷，能實(shí)現(xiàn)單個(gè)功率管故障和2個(gè)功率管故障的識別和定位?；跀?shù)據(jù)的故障診斷方法易受系統(tǒng)運(yùn)行狀況和電流畸變的影響，特別是變流器的開路故障，單一功率管和雙功率管故障都會(huì)引發(fā)電流、電壓等多種信號發(fā)生變化，從而導(dǎo)致故障識別十分困難。

基于模型的故障診斷方法充分利用了系統(tǒng)內(nèi)部的深層信息，能有效反映物理系統(tǒng)故障本質(zhì)特征，有利于系統(tǒng)的故障隔離和辨識［13］。國內(nèi)外已有研究者將基于模型的方法應(yīng)用在風(fēng)電機(jī)組變流器的故障診斷中［14-15］。文獻(xiàn)［14］基于狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器的故障檢測，但無法識別具體故障元件，且不能對網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行故障檢測。文獻(xiàn)［15］提出了一種基于觀測器和自適應(yīng)閾值的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組變流器故障診斷方法，但不適用于模型屬于非線性系統(tǒng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器的故障診斷。此外，由于非線性系統(tǒng)目前還沒有構(gòu)造觀測器的統(tǒng)一方法，構(gòu)造合適的觀測器比較困難，從而使得基于觀測器的雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器故障診斷方法研究有一定難度。

基于此，本文首先推導(dǎo)出雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)的雙線性模型，并據(jù)此構(gòu)造出其雙線性電流觀測器，解決了非線性變流系統(tǒng)觀測器難以設(shè)計(jì)的問題。然后基于觀測器得到電流的殘差信息，并根據(jù)殘差信息檢測變流器發(fā)生開路故障的故障相。最后根據(jù)故障相電流的平均值進(jìn)行故障定位，診斷發(fā)生開路故障的器件。但由于功率器件的非理想性和測量噪聲的影響，在實(shí)際運(yùn)行中即使無故障也會(huì)出現(xiàn)電流殘差。因此，本文采用自適應(yīng)閾值比較的方法進(jìn)行故障判斷，確保故障診斷的準(zhǔn)確性。通過仿真分析表明了所提開路故障診斷方法的有效性和可靠性。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)模型

雙饋風(fēng)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。變流系統(tǒng)主要由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）、濾波器、中間直流電容器、轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器組成。DFIG轉(zhuǎn)子通過2個(gè)背靠背的電壓源型PWM變流器接入電網(wǎng)，定子直接與電網(wǎng)連接。雙PWM變流器在保持直流母線電壓穩(wěn)定的前提下，可根據(jù)控制需求獨(dú)立互逆地運(yùn)行于整流或逆變狀態(tài)。當(dāng)DFIG處于超同步狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)饋出能量，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器工作于整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)變流器工作于逆變狀態(tài)；當(dāng)DFIG處于亞同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)饋入能量，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器工作于逆變狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)變流器工作于整流狀態(tài)。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of doubly-fed wind turbine

1.1 網(wǎng)側(cè)變流器模型

在dq同步坐標(biāo)系下，與濾波器連接的電壓源型PWM變流器的數(shù)學(xué)模型如下：

其中，Ugd、Ugq為網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓；Usd、Usq為雙饋發(fā)電機(jī)定子電壓；Igd、Igq為網(wǎng)側(cè)變流器電流；R、L分別為交流側(cè)電阻和電感；ωs為同步電角速度；p為微分算子。

1.2 DFIG模型

根據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例，DFIG的空間矢量電壓方程和磁鏈方程分別為［16］：

其中，Us、Ur分別為定子和轉(zhuǎn)子電壓矢量；Is、Ir分別為定子和轉(zhuǎn)子電流矢量；ψs、ψr分別為定子和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；Rs、Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻；ωr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度；Ls、Lr分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組的自感；Lm為勵(lì)磁電感。

將式（3）代入式（2），并將其空間矢量模型分解至d軸和q軸即可得到DFIG在dq參考坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

以網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓和DFIG定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量作為輸入量U，以網(wǎng)側(cè)變流器和發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量作為狀態(tài)量X，X˙為X的微分量，Y為系統(tǒng)輸出量，根據(jù)式（1）和式（4）推導(dǎo)出雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式形式：

1.3 建立雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器的雙線性系統(tǒng)模型

雙線性系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式形式一般如下［17］：

其中，X∈Rn、U∈Rl、Y∈Rm分別為狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量；A、Ni（i=1，2，…，l）、B、C 是適當(dāng)維數(shù)的常數(shù)矩陣，分別為系統(tǒng)矩陣、雙線性矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣；NiXUi為雙線性項(xiàng)。

從式（6）可以看到，雙線性系統(tǒng)是線性系統(tǒng)與雙線性項(xiàng)（即控制變量和狀態(tài)變量的乘積項(xiàng)）的和，且雙線性系統(tǒng)的非線性信息都包含在雙線性項(xiàng)中。因此，它是一種最簡單的非線性系統(tǒng)，如果N=0，則退化為線性系統(tǒng)［18］。

由式（5）可知，系統(tǒng)矩陣A包含發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度ωr，且ωr為時(shí)變參數(shù)。因此，把參數(shù)ωr從矩陣A中分離出來，可得如下形式：

根據(jù)式（7）可知，系統(tǒng)矩陣A是由常系數(shù)矩陣A0和雙線性矩陣Nωr組成。以時(shí)變參數(shù)ωr為一獨(dú)立控制量，并根據(jù)式（5）—（7），可推導(dǎo)出雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)的雙線性系統(tǒng)模型，具體表達(dá)式如下：

2 基于雙線性觀測器的變流器開路故障診斷

2.1 雙線性狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)

基于狀態(tài)觀測器可以估計(jì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的三相電流，從而產(chǎn)生電流殘差，并據(jù)此進(jìn)行故障檢測和定位。根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)的雙線性狀態(tài)空間表達(dá)式，把線性Luenbenger觀測器理論加以推廣，構(gòu)造雙線性狀態(tài)觀測器，表達(dá)式如下：

其中，L為反饋矩陣。

定義e表示觀測器殘差，其表達(dá)式如下：

由式（8）減去式（9）可得：

式（11）經(jīng)化簡可得：

狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于反饋矩陣L的確定，基于文獻(xiàn)［19］的方法構(gòu)造狀態(tài)反饋矩陣L使得=Λe。

其中，L0=A0+Λ；Lr=N；Λ=diag｛λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6｝，λi（i=1，2，…，6）為對角矩陣的數(shù)值。 通過極點(diǎn)配置法可得到合適的反饋對角矩陣（λi均大于零），使觀測器快速、穩(wěn)定地收斂［20］。因此，本文構(gòu)造的雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)雙線性觀測器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)雙線性觀測器Fig.2 Bilinear observer for conversion system of doubly-fed wind turbine

由于雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器常采用定子電壓或磁鏈定向的矢量控制，網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，因此，圖2中定子電壓信號為網(wǎng)側(cè)電壓在dq坐標(biāo)系下的值；轉(zhuǎn)子電壓和網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓信號分別取自其矢量控制環(huán)中的電壓控制信號。同時(shí)，為了準(zhǔn)確診斷出變流器具體故障器件，本文通過坐標(biāo)變換，將觀測器輸出電流的d、q軸分量轉(zhuǎn)換成其在真實(shí)坐標(biāo)系下的三相電流值。

2.2 故障檢測

殘差是系統(tǒng)實(shí)際輸出與狀態(tài)觀測器輸出的差值，反映實(shí)際系統(tǒng)與系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間不一致程度的一個(gè)量。計(jì)算殘差是進(jìn)行故障檢測的主要方法之一，采用一定的殘差判別指標(biāo)（如殘差均值、均方根等）可以有效反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測。本文則根據(jù)雙線性觀測器輸出電流值與變流器實(shí)際三相電流測量值的殘差信息進(jìn)行故障檢測。

首先定義變流器三相電流殘差rrk、rgk：

其中，k表示a、b、c三相；rrk為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器k相電流的殘差；rgk為網(wǎng)側(cè)變流器k相電流的殘差；Irk、Igk分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器k相電流測量值；rk、gk分別為觀測器得到的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器k相電流估計(jì)值。

正常狀態(tài)時(shí)，殘差基本為零；變流器發(fā)生開路故障時(shí)，三相電流殘差會(huì)突然變大，并發(fā)生周期性變化。為了能有效判別故障，引入電流殘差的平均絕對值作為故障檢測變量Rrk和Rgk。其中，Rrk的表達(dá)式如下：

其中，k 表示 a、b、c 三相；t為時(shí)間；Rrk為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器k相的故障檢測變量。

故障檢測的目的是在避免誤報(bào)警的前提下，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。為此，用閾值作為判斷故障是否發(fā)生的依據(jù)。目前，在較多數(shù)文獻(xiàn)中通常采用固定閾值的方法來實(shí)現(xiàn)，往往導(dǎo)致故障檢測不能適應(yīng)其動(dòng)態(tài)過程。此外，風(fēng)電機(jī)組是受外界干擾較大的系統(tǒng)，如果閾值選擇較小，容易引起誤警報(bào)；若閾值選擇較大，又會(huì)有部分故障難以檢測出來。因此，采用自適應(yīng)閾值來進(jìn)行故障檢測，以實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確判斷。

2.3 自適應(yīng)閾值設(shè)計(jì)

正常狀態(tài)下，各變流器故障檢測變量Rk基本為零，而變流器三相電流的實(shí)際有效值大于零；功率管開路時(shí)，其故障相檢測變量Rk的值會(huì)遠(yuǎn)大于零，但變流器故障相會(huì)因開路故障使其電流實(shí)際有效值大幅減小，甚至為零。因此，引入相電流的有效值作為自適應(yīng)閾值，具體如下：

其中，ε1為一比例常數(shù)；Drk、Dgk分別為轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器k相的自適應(yīng)閾值；IrkRMS、IgkRMS分別為轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器k相電流的有效值。

從而，可以得到風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)故障檢測決策邏輯。以轉(zhuǎn)子側(cè)變流器為例，具體如下：

如果把式（17）中的Rrk和Drk分別替換為Rgk和Dgk，則該方法可用于檢測網(wǎng)側(cè)變流器的開路故障。

通過變流器各相檢測變量與其自適應(yīng)閾值比較的結(jié)果，可以有效檢測出變流器的故障相，但變流器每一相的橋臂均包含有上、下2個(gè)功率開關(guān)管，為了實(shí)現(xiàn)故障診斷，必須定位到具體故障器件。

2.4 故障定位

功率管開路故障會(huì)引起變流器相應(yīng)橋臂上側(cè)或下側(cè)電流不能導(dǎo)通，其他各相電流也會(huì)因此發(fā)生變化。在不考慮二極管的前提下，某相橋臂上側(cè)功率管（如 VT1、VT3、VT5）開路，則該相電流將為零或?yàn)樨?fù)；若單相橋臂下側(cè)功率管（如 VT2、VT4、VT6）開路，則該相電流將為零或?yàn)檎?。因此，某相橋臂的一個(gè)功率管發(fā)生開路故障時(shí)，該相電流幅值會(huì)始終大于或小于零；如果該相橋臂的2個(gè)功率管都發(fā)生開路，則相電流幅值會(huì)一直為零。因此，相電流平均值IkAV可以作為故障定位變量。

以轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流為例，其平均值表達(dá)式如下：

其中，Irk為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器k相電流；IrkAV為k相電流平均值；N為每周期的采樣點(diǎn)數(shù)；T為電流信號的周期。

當(dāng)某相橋臂的2個(gè)功率管同時(shí)發(fā)生開路故障時(shí)，故障相電流平均值IkAV接近于零，這與系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況類似。但故障發(fā)生時(shí)能檢測出故障相，且故障定位是在檢測出故障相后進(jìn)行的，而正常情況下無故障相。因此，根據(jù)閾值仍可以進(jìn)行識別。

故障定位的自適應(yīng)閾值Tk仍根據(jù)電流的有效值進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如下：

其中，ε2為一比例常數(shù)；Trk、Tgk分別為轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器k相的故障定位閾值。

為了便于識別故障功率管，定義故障標(biāo)志F，用來表示不同的開路故障功率管。以轉(zhuǎn)子側(cè)變流器a相的功率管為例，具體規(guī)則如下：如果Rra＞Dra且IraAV＜－Tra，則 FVT1=1，表示 a 相功率管 VT1故障；如果Rra＞Dra且 IraAV＞Tra，則 FVT2=1，表示 a 相功率管 VT2故障；若 Rra＞Dra且 －Tra＜IraAV＜Tra，則 FVT1=1 且 FVT2=1，表示a相功率管VT1和VT2同時(shí)故障；其他情況下FVT1、FVT2的值均為 0。 所以，“1”表示故障，“0”表示正常。

表1為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器單個(gè)功率管和2個(gè)功率管發(fā)生開路故障時(shí)的故障診斷表。若將表1中VT1—VT6和 FVT1—FVT6分別替換成 V1—V6和 FV1—FV6，則可用于網(wǎng)側(cè)變流器功率管的開路故障診斷（表1中“+”、“－”分別表示大于 0和小于 0；N 表示不用于故障定位）。

綜上所述，基于觀測器的雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)故障診斷的原理為：通過狀態(tài)觀測器重構(gòu)變流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，并將其與實(shí)際系統(tǒng)并行運(yùn)行，從而基于觀測器的電流估計(jì)值和實(shí)際的測量值得到電流殘差，然后以電流殘差的平均絕對值作為檢測變量，以電流的平均值作為故障定位變量，并結(jié)合自適應(yīng)閾值，進(jìn)行故障診斷。其原理框圖如圖3所示。

表1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開路故障診斷表Table 1 Symptoms of rotor-side converter open-circuit faults

圖3 基于觀測器的風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)故障診斷原理圖Fig.3 Schematic diagram of observer-based fault diagnosis for conversion system of wind turbine

3 仿真分析

在MATLAB／Simulink環(huán)境中建立雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器開路故障診斷系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行相關(guān)的仿真。仿真中所用的風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)如下：額定功率為1.5 MW，額定電壓為575 V，額定轉(zhuǎn)速為1680 r／min，定子電阻 Rs=0.023p.u.，定子漏感 L1s=0.18p.u.，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.016p.u.，轉(zhuǎn)子漏感 L1r=0.16 p.u.，定、轉(zhuǎn)子互感 Lm=2.9 p.u.，極對數(shù)為 3，額定轉(zhuǎn)差率為－0.2，濾波電阻R=0.003 p.u.，濾波電感L=0.3 p.u.。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的定子磁鏈定向控制策略，網(wǎng)側(cè)變流器采用基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的電網(wǎng)電壓定向控制策略。變流器的開路故障通過移除功率管的驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果中電流值用標(biāo)幺值表示。

將雙饋風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)代入式（13），并根據(jù)文獻(xiàn)［19］的反饋矩陣極點(diǎn)配置法，通過編程可得到雙線性狀態(tài)觀測器的反饋矩陣L。ε1、ε2是自適應(yīng)閾值比例系數(shù)，其大小決定了故障診斷的靈敏性和魯棒性?；谧兞髌鞲鞴β使荛_路故障的大量仿真分析和研究，ε1和ε2的值分別取0.6和0.4。為了驗(yàn)證故障診斷方法的有效性和魯棒性，分別在下面3種情況下進(jìn)行故障診斷的仿真：①轉(zhuǎn)子側(cè)a相功率管VT1和VT2開路；②網(wǎng)側(cè)b相、c相功率管V4和V5開路；③電網(wǎng)電壓跌落。

圖4為情況①的故障診斷仿真結(jié)果。仿真過程中，系統(tǒng)運(yùn)行至1s時(shí)，突然斷開轉(zhuǎn)子側(cè)VT1和VT2的觸發(fā)脈沖，使系統(tǒng)在開路故障下運(yùn)行。根據(jù)圖4（a）可知，轉(zhuǎn)子側(cè)電流發(fā)生畸變。從圖4（b）可以看出，1.02 s后，a相故障檢測變量Rra開始大于閾值Dra，而其他相檢測變量始終未超過其自適應(yīng)閾值的范圍。由此，可以確定故障相為a相。從圖4（c）中可以看出，1.03 s后，a相平均電流IraAV開始超過閾值－Tra，使得故障標(biāo)志FVT1由0轉(zhuǎn)變?yōu)?，表明功率管VT1出現(xiàn)了開路故障；1.35 s之后，a相平均電流IraAV開始介于閾值±Tra之間，使得故障標(biāo)志FVT2也開始變?yōu)?，而其他故障標(biāo)志均為0。根據(jù)表1的故障辨識規(guī)則，可確定轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的功率管VT1和VT2出現(xiàn)了開路故障。該結(jié)果與仿真過程中設(shè)置的故障情況相符合，表明了所提開路故障診斷方法對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開路故障診斷的有效性。

圖5為情況②的故障診斷仿真結(jié)果。系統(tǒng)正常運(yùn)行至0.7 s時(shí)，先移去功率管V5的驅(qū)動(dòng)信號；待系統(tǒng)運(yùn)行1 s時(shí)，再移除功率管V4的驅(qū)動(dòng)信號，使系統(tǒng)在網(wǎng)側(cè)變流器雙功率管發(fā)生開路故障的情況下運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)變流器的電流如圖5（a）所示。從圖5（b）可知，c相故障檢測變量Rgc在0.72 s后率先超過其閾值Dgc，由此確定故障相為c相；1.02 s后，因b相故障檢測變量Rgb也超過其閾值Dgb，從而確定b相也為故障相。檢測到故障相后，將故障相的平均電流和故障定位自適應(yīng)閾值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5（c）所示。0.72 s后，c相平均電流IgcAV超過其閾值-Tgc；1.02 s后，b相平均電流IgbAV也開始超過其閾值Tgb，故障標(biāo)志FV5和FV4分別從0變?yōu)?。結(jié)合表1，可確定故障功率管分別為V5和V4。該結(jié)果與仿真過程中設(shè)置的故障情況相一致，表明了所提診斷方法對網(wǎng)側(cè)變流器開路故障診斷的有效性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提故障診斷方法的魯棒性，以電網(wǎng)電壓跌落為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)正常運(yùn)行至1 s時(shí)，將電網(wǎng)電壓跌落為原來的1／2，1.3 s后將其恢復(fù)正常，此時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)的故障診斷仿真結(jié)果如圖6所示。圖6（a）為電網(wǎng)電壓跌落前后三相電壓的瞬時(shí)值（標(biāo)幺值）。從圖6（b）和6（c）可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，由于在擾動(dòng)期間網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器三相電流會(huì)有小幅的增大，進(jìn)而引起變流器各相故障自適應(yīng)閾值Drk、Dgk隨之增大。雖然觀測器電流值與實(shí)際電流的殘差也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，使得各相檢測變量Rrk、Rgk發(fā)生變化，但其數(shù)值都很小，并不會(huì)超過閾值而引起誤報(bào)警。因此，所提故障診斷方法有很好的魯棒性。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器單相故障診斷仿真結(jié)果Fig.4 Simulative diagnostic results of rotor-side converter single-phase fault

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器兩相故障診斷仿真結(jié)果Fig.5 Simulative diagnostic results of grid-side converter two-phase fault

圖6 故障診斷魯棒性仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results of fault diagnosis robustness

4 結(jié)論

本文根據(jù)DFIG電磁暫態(tài)模型和變流器數(shù)學(xué)模型，結(jié)合基于觀測器進(jìn)行故障診斷的目的進(jìn)行變形，推導(dǎo)出了雙饋風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)的雙線性模型，并構(gòu)造了其雙線性狀態(tài)觀測器。在此基礎(chǔ)上，利用觀測器對變流器電流大小進(jìn)行估計(jì)，并與實(shí)際電流進(jìn)行比較得到殘差信息，據(jù)此進(jìn)行故障檢測。然后，利用平均電流進(jìn)行故障器件的定位，并采用自適應(yīng)閾值消除功率管開關(guān)延時(shí)和測量噪聲等的影響。轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的開路故障診斷仿真表明：基于觀測器的故障診斷方法提取的故障特征明顯，對故障的定位準(zhǔn)確，能給檢修帶來極大方便；所提方法不僅能夠快速準(zhǔn)確地診斷出變流器的單一功率管開路故障，而且能夠?qū)﹄p功率管的開路故障進(jìn)行診斷；所提故障診斷方法對電網(wǎng)電壓跌落具有較好的魯棒性，且不受閉環(huán)控制策略的影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］NILSSON J，BERTLING L M．Survey of failures in wind power systems with focus on Swedish wind power plant during 1997-2005［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22（1）：167-173．

［2］李輝，胡姚剛，李洋，等．大功率并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究綜述［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2016，36（1）：6-16．LIHui，HU Yaogang，LIYang，etal．Overview ofcondition monitoring and fault diagnosis for grid connected high power wind turbine unit［J］．Electric Power Automation Equipment，2016，36（1）：6-16．

［3］姜保軍，安群濤．基于運(yùn)行模式分析的逆變器功率管開路故障診斷方法［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（24）：30-37．JIANG Baojun，AN Quntao．A novel diagnostic technique for open-switch faults of inverters based on operating mode analysis［J］．Proceedings of the CSEE，2012，32（24）：30-37．

［4］BIN L，SHARMA S K．A literature review of IGBT fault diagnostic and protection methods for power inverters［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45（5）：1770-1777．

［5］JUN SM，PARK JS，KIM H W，etal．AnMRAS-based diagnosis of open-circuit fault in PWM voltage-source inverters for PM synchronous motor drive systems［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（5）：2514-2526．

［6］沈艷霞，周文晶，紀(jì)志成，等．基于小波包分析的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的的故障識別［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（27）：2011-2017．SHEN Yanxia，ZHOU Wenjing，JI Zhicheng，et al．Fault identification of converter used in wind power generation based on wavelet packet analysis［J］．Power System Technology，2013，37（27）：2011-2017．

［7］LEE J S，LEE K B，BLAABJERG F．Open-switch fault detection method of a back-to-back converter using NPC topology for wind turbine systems［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2015，51（1）：325-335．

［8］LEE J S，LEE K B，BLAABJERG F．Open-switch fault detection method of an NPC converter for wind turbine systems［C］∥IEEE Energy Conversion Congress and Exposition．Denver，CO，USA：IEEE，2013：1696-1701．

［9］FREIRE N，ESTIMA J O．Converters fault-diagnosis in PMSG drives for wind turbine applications［C］∥IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society．Glendale，AZ，USA：IEEE，2010：403-408．

［10］FREIRE N M A，ESTIMA J O，CARDOSO A J M．Open-circuit fault diagnosis in PMSG drives for wind turbine applications［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（9）：3957-3967．

［11］黃科元，劉靜佳，黃守道，等．永磁直驅(qū)系統(tǒng)變流器開路故障診斷方法［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（16）：129-136．HUANG Keyuan，LIU Jingjia，HUANG Shoudao，et al．Converters open-circuitfault-diagnosismethod research fordirect-driven permanent wind power system［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30（16）：129-136．

［12］DUAN P，XIE K，ZHANG L，et al．Open-switch fault diagnosis and system reconfiguration of doubly fed wind power converter used in a microgrid［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（3）：816-821．

［13］趙洪山，連莎莎，邵玲．基于模型的風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)故障檢測［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（2）：440-444．ZHAO Hongshan，LIAN Shasha，SHAO Ling．A model-based fault detection for variable-pitch system of wind turbines［J］．Power System Technology，2015，39（2）：440-444．

［14］毛永梅，彭濤，韓華，等．基于觀測器的雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器開關(guān)管開路故障檢測［J］．計(jì)算機(jī)輔助工程，2015，24（3）：57-61．MAO Yongmei，PENG Tao，HAN Hua，etal． Open-circuited faultdetection on switch ofconvertorin double-fed wind power generator set based on state observer［J］．Computer Aided Engineering，2015，24（3）：57-61．

［15］JLASSI I，ESTIMA J O，KHIL E，et al．Multiple open-circuit faults diagnosis in back-to-back converters of PMSG drives for wind turbine systems［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（5）：2689-2702．

［16］李輝，趙猛，趙斌，等．雙饋風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵傳感器的故障診斷方法［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（6）：73-78．LI Hui，ZHAO Meng，ZHAO Bin，et al．Faultdiagnosis method for key sensors of doubly fed wind turbine ［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31（6）：73-78．

［17］華向明．雙線性系統(tǒng)建模與控制［M］．上海：華東化工學(xué)院出版社，1990：1-13．

［18］張涌萍，張波，丘東元．DC-DC變換器雙線性系統(tǒng)建模及基于李亞普諾夫直接法的控制方法［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（9）：7-11．ZHANG Yongping，ZHANG Bo，QIU Dongyuan．Bilinear system model and Lyapunov-based control method for DC-DC converters［J］．Proceedings of the CSEE，2008，28（9）：7-11．

［19］ROTHENHAGEN K，F(xiàn)UCHS F W．Current sensor fault detection by bilinear observer for a doubly fed induction generator［C］∥IECON 2006-32nd Annual Conference on IEEE Industrial Elec-tronics．Paris，F(xiàn)rance：IEEE，2006：1369-1374．

［20］KAUTSKY J，NICHOLS N K，VAN DOOREN P．Robust pole assignment in linear state feedback ［J］．International Journal of Control，1985，41（5）：1129-1155．