浅谈双馈风电变流器的控制与开路故障诊断

浅谈双馈风电变流器的控制与开路故障诊断

曹慧慧1孙玉珊2

(1中车永济电机有限公司山西省永济市044502；

2永济电机高级技工学校山西省永济市044502）

摘要：风能是清洁能源之一，随着风力发电技术的发展，双馈风力发电机得到了广泛应用。本文将对双馈风电变流器的控制策略和开路故障诊断方法进行研究，首先简单介绍双馈风力发电机的运行原理，进而探讨其控制方法，包括转子侧控制和网侧控制等。在此基础上，研究其开路故障诊断方法和系统的重构。

关键词：双馈风电变流器；开路控制；故障诊断

风力发电是低碳经济背景下电力发展的必然选择，也是目前最有潜力的几种新能源之一。双馈风力发电机组作为常用机组，其运行稳定性十分重要。在双馈风电机组中，变流器的稳定性较差，任何一个功率开关的故障都可能导致机组停机，甚至使其受到损坏。因此，有必要对双馈风电变流器控制既开路故障诊断进行研究，探讨可行的运行重构机制。

一.双馈风力发电机运行原理

双馈风电机组由发电机、变流器、控制系统、齿轮箱等部分组成，风速足够大时，电机以固定速度沿着低速轴承旋转，通过齿轮箱实现与高速轴的耦合，带动发电机进行高速旋转。在此过程中，可以将机械能转化为电能，经过变电设备处理后供生产或生活使用。由于风力机本身叶片能够旋转，而风向不断变化，因此需要使用偏航系统为风力校准提供支持，确保风力机始终与风向相对。变流器是该系统的核心构件，一般放在机舱内或塔筒内。双馈风力发电机组有两个控制子系统，一是风力机的控制子系统，主要具有控制风力机启停、液压、偏航和温度等功能，另一个是发电机的控制子系统，主要具备电压控制、最大功率追踪等功能。该系统主要由两个变流器组成，其中与电网相连的是网侧变流器，另一个是转子侧变流器，与电机转子侧相连。

二.双馈风力发电机变流器控制

（一）不同风速的控制策略

双馈风力发电机组主要有三个风速临界点，一是切入风速Vi，二是切出风速Vo，三是而定风速Vrated。其中，Vi代表风力机启动所需的最小风速，Vo代表风力机组能够承受的最大风速，Vrated代表风力机为额定输出功率时的最小风速。如果在风力机运行过程中，风速超过了切出风速Vo，风力机组会从电网中切出，强制停止运行，对其进行运行保护。在双馈风力机组启动、运行、恒功率控制和停机四个阶段中，对应的风速控制策略不同，具体为：（1）启动阶段，风速从0逐渐上升到Vi，在达到Vi前，发电机处于脱网状态，直到风速达到Vi后开始并网运行，其主要控制任务即并网控制，通过改变桨距角，调节机组转速，并调节定子电压，使其达到并网条件；（2）运行阶段，具体分为不变转速运行和恒转速运行两个区域，变转速运行的输出功率随风速增加而提升，最终达到额定转速，恒转速运行保持最高转速，直至达到额定功率；（3）恒功率控制阶段，控制机组功率在极限功率以下，主要通过风力机控制系统实现控制；（4）停机阶段，风速达到极限机械承受值后，变桨控制系统将叶片控制到顺桨位置，停止风电变流器运行。

（二）网侧变流器控制策略

双馈风电机组网侧变流器运行模式类似于PWM整流器，可以采取与PWM整流器相同的控制策略。控制器采用双闭环控制，内环由电流反馈产生所需的控制电压，外环由电压反馈实现变流器功率因数控制，同时对直流链电压进行控制。采用电网电压矢量方程进行分析计算，将用于解耦补偿的电压分量分别加到PI控制器输出端，计算控制器最终输出电压。对最终输出控制电压进行变换，使其作为控制命令，输入到SVPWM控制单元，产生所需PWM电压脉冲波。

（三）转子侧变流器控制策略

转子侧变流器控制目的是确保风电机的变速恒频运行，使其能够满足电能质量要求，并通过对有无功功率进行解耦控制，追踪最大风能。转子侧变流器采用定子磁链定向矢量控制技术，实现上述控制目标，具体采用双闭环矢量控制，使用旋转坐标系描述双馈风电机有功功率和无功功率，分别用Ps和Qs表示。一般大容量双馈风电机的定子电阻压降与定子电抗之比非常小，通常忽略不计，采用Ps=-Usiqs计算有功功率，采用Qs=-Usids计算无功功率。将坐标系d轴定向在定子磁链矢量上，可以得出Uds=0，Uqs=-Us。根据定子电流和转子电流的关系，可以得出有功功率和无功功率的具体计算方法。从中可以得出，其功率主要受转子电流在d轴和q轴上的分量控制，从而实现有无功功率解耦。并通过计算转子侧电压，实现解耦控制，利用SVPWM实现变流器控制。

三.双馈风力发电机变流器开路故障诊断

（一）开路故障诊断

变流器是容易出现故障的部位，常见故障包括缺相故障、过压、欠压故障、过热、过流故障、短路、开路故障等。其中开路故障是双馈风力发电机的定性故障之一，对其诊断方法的研究已经取得了重要进展。目前常用的诊断方法包括基于电流信号诊断法、基于电压信号诊断法和智能诊断法，几种方法的优缺点比较如表1所示。相比之下，基于电流信号的诊断方法不需要使用外增设备，而且诊断效率较高，已经得到了广泛应用。其中具体方法包括直流分量法、Park矢量法和斜率法等。这些方法有一个共性问题，是难以避免故障误报，即使采用引入死区时间的方法，也难以屏蔽每个运行条件下的误报。

表1三种开路故障诊断方法的比较

从其故障原理来看，开关处的开路故障会导致变流器桥臂不能导流，输入和输出电流波形也会发生形变。桥臂上端的开路故障相电流不能为正，下端的开路故障相电流不能为负，在一个周期内，有半个周期的相电流幅值为0。因此，功率开关故障可以通过对三相电流进行抽样点数比较来判断。根据电流符号，累加高值区抽样点数，将其标志置为1，并将低值区标志清零。如果当前故障区抽样点数大于阈值，可以判断该半桥下端功率开关发生了开路故障。如果电流抽样值大于2倍阈值，且抽样值均处于故障区，说明该板桥上下端均发生开路故障。采用这种诊断方法可以避免双馈风电机转子在同步速附近运行时的误报现象。

（二）系统重构机制

关于风电机变流器发生开路故障后的运行问题，主要采取以下两种应对措施：（1）关闭电流器，将风电机从网络中切出；（2）通过添加相应部件，提升变流器容错性能，出现故障时使其能够继续正常运行。采用第一种方法能够可靠保证风电机组的整体安全，但会损失较多发电时间。从发现故障，到调配维修人员赶往现场，对开路故障进行检修，会损耗大量的发电损失，损失不容忽视。采用第二种方法能够解决这一问题，但对变流器技术水平要求较高，会增加硬件成本。两相比较，还是第二种方法更具优势，增加的成本也可以通过减少发电量损失而回收。

结束语：综上所述，关于双馈风电机变流器控制和故障诊断方法的研究具有重要意义，通过对其运行原理进行分析，可以为控制策略和诊断方法的确定提供依据。在此基础上，根据不同风速条件和不同侧的变流器采取不同的控制策略，可以确保运行控制的有效性。通过合理选择故障诊断机制和系统重构机制，可以快速确定故障发生未知，减少发电损失。

参考文献：

[1]段其昌，荣先亮，张莉，段盼.双馈风力发电系统双PWM变流器的开路故障诊断[J].电气传动,2010,40(4):32-35

[2]荣先亮，姚鹏，段其昌.风电变流器的开路故障诊断[J].电机与控制应用,2009,36(12):47-51

[3]毛永梅，彭涛，韩华，赵帅，李哲君.基于状态观测器的双馈风电机组变流器开关管开路故障检测[J].计算机辅助工程,2015,24(3):57-61