一種風力發電系統中變流器的一級故障診斷方法技術方案

本發明專利技術公開了一種風力發電系統中變流器的一級故障診斷方法，其步驟為：(1)建立一級故障分類原則；(2)測量變流器正常運行和故障運行下的直流側輸出電壓信號，對所得的輸出信號進行小波包分析，重構小波包分解系數，提取并計算各頻帶信號的能量，確定原信號的能量主要集中在哪個頻段；(3)對該頻段的信號進行小波功率譜分析，確定故障特征頻率；(4)分析并對比變流器正常運行和各種故障運行狀態下的特征頻率和功率譜，得到變流器一級故障診斷結果。本發明專利技術利用小波包分析的特點，從能量譜和功率譜的角度簡單快速的實現了變流器的故障診斷，是一種能夠有效的提高風力發電系統的安全性和有效性的變流器故障診斷方法。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及風力發電領域，尤其是一種風力發電系統變流器的一級故障診斷方法。
技術介紹
風電能源是世界上發展最快的可再生能源，已經成為解決世界能源問題不可或缺的重要力量，風力發電系統往往安裝在偏僻的、難以接近的或者氣候不適合人類長期逗留的地域，長期以來，一直采用計劃維修和事后維修的方式。計劃維修在運行2500小時或者5000小時后進行例行維護，無法全面及時地了解設備狀況；事后維修則更是維修工作曠日持久，損失重大。利用有效的設備監測和故障診斷手段，能對風電機組運行中的各個參數進行連續監測，實時獲取反映風電機組運行狀態的各種信息，在對各種信息進行分析處理后，給出設備運行的狀況報告和診斷結果，并根據診斷結果安排合適的檢修計劃，從而可減少約75%的設備事故率，降低25%-50%的維修費用，獲利投資比高達17 I，在大大提高風機的安全性的同時，有效降低風力發電的成本。風力發電系統是一個大規模、高度復雜、強耦合、非線性的系統，包括齒輪箱、驅動鏈、主軸、發電機、葉片等部件，其故障原因多，并且緊緊耦合在一起。在風力發電系統中，變流器是最容易發生故障的部件之一。在亞同步狀態下，當電網電壓或頻率出現過大偏差時，很容易損壞網側的IGBT元件；而在超同步狀態下，如果風機轉速過快，滑差功率升高以至超過整流器的整流能力，則很容易造成轉子側IGBT元件損壞，當開關管的故障嚴重并擴大化后，電機也就無法正常工作了，所以選擇合適的方法，實現系統的故障診斷是現在所面臨的主要問題。風力發電系統中常用背靠背式PWM變流器，能量是雙向流動的。所以研究風電系統變流器的故障就是研究三相橋式PWM變流器的故障。對于變流器電路中的IGBT器件故障來說，主要有器件的短路故障和開路故障兩種，對于IGBT短路故障，可通過驅動模塊集成的保護電路實現監控，而其開路故障診斷則正處于研究之中。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供，所謂一級故障診斷是指通過相應分析方法，確定變流器故障是所描述中的具體哪一類故障，而不具體研究在該類故障下具體哪只功率管發生故障。按照一級故障分類原則，利用小波包分析，簡單快速的實現變流器的一級故障診斷。本專利技術的目的是通過下述方法和步驟實現的—種風力發電系統變流器的一級故障診斷方法，其步驟為1.鑒于風力發電系統中的變流器是背靠背式變流器，且能量是可以雙向流動的，所以只要研究單一整流器的故障特點就可以表征變流器的故障特點。所以建立三相橋式PWM整流電路的模型，根據實際運行的單只和兩只功率管故障進行故障分類，建立變流器的IGBT功率管一級故障分類原則。(I) IGBT功率管均正常運行，變流器無故障發生。(2)僅有單只IGBT功率管發生故障，即VTpVTyVTpVTpVA或VT6中任一功率管發生故障。(3)有兩只IGBT功率管發生故障，且兩只功率管同相不同側，即(VT1, VT4)、(VT3,VT6)或(VT5，VT2)任一種情況。(4)有兩只IGBT功率管發生故障，且兩只功率管同側不同相，即(VT1, VT3)、(VT3,VT5)、(VT5, VT1)、(VT6, VT4)、(VT2, VT6)或(VT4，VT2)任一種情況。(5)有兩只IGBT功率管發生故障，且兩只功率管既不同相也不同側，位于交叉位置，即(VT1, VT6)、(VT1, VT2)、(VT3, VT4)、(VT3, VT2)、(VT5, VT4)或(VT5, VT6)任一種情況。2.在各種故障狀態下，對三相橋式PWM整流電路進行建模，獲得電路所有故障狀態下的直流側輸出電壓信號。選取合適的小波基函數，對所得的各個輸出電壓信號進行四層小波包分解，并對小波分解系數重構，提取各個頻帶范圍的信號。3.當系統出現故障時，故障輸出與正常系統輸出相比，相同頻帶內信號的能量會有較大的差別，因而，在各頻率成分的能量中包含了故障信息。計算步驟2提取的各個頻帶范圍的信號的能量，根據能量直方圖確定原信號的能量主要集中在哪個頻段。經過小波包分解并重構后，各個狀態下的輸出電壓信號被分成16個小信號，通過計算信號能量值，發現第四層第一個低頻信號包含了幾乎全部的能量值，即該頻段集中了原信號的所有能量。4.對直流側輸出的電壓信號進行功率譜分析，發現各故障狀態下的電壓信號功率譜沒有明顯區別，不能確定故障特征，再對小波重構后的第四層第一個低頻信號進行功率譜分析，通過觀察和對比所有故障狀態下的第四層第一個低頻信號的功率譜包絡圖，可以得到(I)無故障情況下，第一細節信號功率譜中含有特征頻率40Hz，42. 5Hz，即兩個主特征頻率存在且譜值較大。(2)當單只功率管發生故障時，42. 5Hz的頻率譜值大大縮小，而頻率為37. 5Hz的譜值大大升高，即其一主頻率削弱，新的主頻率出現，且譜值較大；(2)當同相兩只功率管發生故障時，原信號兩個主要頻率都大幅消減，主頻率只有37. 5Hz，即兩個主頻率都削弱，新的主頻率出現，且譜值較大；(3)當同側兩只管發生故障時，42. 5Hz的頻率譜值大大縮小，37. 5Hz的譜值升高，但主頻率譜值都明顯降低，即其一主頻率削弱，新的主頻率出現，但譜值較小。(4)當交叉兩只功率管發生故障時，原信號兩個主頻率都明顯降低，只有37. 5Hz一個主頻率，同時譜值也很小，即兩個主頻率都削弱，新的主頻率出現，但譜值較小。5.根據以上數據可以判斷出當變流器發生單只/兩只故障時的故障特征，在系統運行過程中，按照上述步驟，對直流側輸出電壓信號進行四層小波包分解，并重構第四層第一個低頻信號，對重構后的信號進行功率譜分析，對照步驟4所述的數據特征，即可判定具體哪類故障，從而實現一級故障診斷目標。本專利技術的有益效果是1.本專利技術所提出的風力發電系統變流器一級故障診斷方法，是基于小波分析方法，利用發生故障時故障輸出與正常系統輸出相比，相同頻帶內信號的能量會有較大的差別的特點，從能量譜和功率譜的角度分析輸出信號，確定故障類型。2.本專利技術提出了按一級故障類型劃分變流器故障的思想，適用于實際系統的檢測目標，克服了傳統提取數據樣本診斷方法數據量大、過繁瑣等問題，僅利用小波分析工具，對輸出直流電壓信號進行處理和分析，提取出故障特征頻率，實現分類目標。3.本變流器一級故障診斷方法可應用于各種風力發電系統中變流器裝置的IGBT功率管和二極管的故障診斷，可以及時檢測故障，避免造成重大損失，有很大的使用價值，發展前景廣闊，克服了傳統變流器裝置故障診斷費時費力的缺點，節約成本，節約時間，可以保護整個系統的正常安全運行。附圖說明圖1為三相電壓型PWM整流器拓撲結構。 圖2為變流器輸出直流側電壓信號小波分解和重構后，重構系數的能量直方圖。圖3各故障狀態下輸出信號小波分解后，第四層第一個低頻信號功率譜包絡圖，其中每類故障各列出一個。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。本專利技術的一種風力發電系統變流器的一級故障診斷實施例包括以下步驟(I)如圖1所示為三相電壓型PWM整流器拓撲結構，在風力發電系統中的變流器裝置就是由兩個整流器裝置背靠背連接起來的，根據拓撲結構，將故障類型分為五類，如表I所示，即得出一級故障類型。表I變流器的IGBT功率管一級故障分類原則本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種風力發電系統中變流器的一級故障診斷方法，其特征在于，該診斷方法的步驟為：(1)鑒于風力發電系統中的變流器是背靠背式變流器，且能量是可以雙向流動的，所以只要研究單一整流器的故障特點就可以表征變流器的故障特點。所以針對整流器裝置，根據實際運行的單只和兩只功率管故障進行故障分類，建立變流器的IGBT功率管一級故障分類原則。(2)在各種故障狀態下，對三相橋式PWM整流電路建模，獲得電路所有故障狀態下的直流側輸出電壓信號。選取合適的小波基函數，對所得的各個輸出電壓信號進行四層小波包分解，并對小波分解系數重構，提取各個頻帶范圍的信號。(3)計算步驟(2)提取的各個頻帶范圍的信號的能量，根據能量直方圖確定原信號的能量主要集中在哪個頻段。經過小波包分解并重構后，各個狀態下的輸出電壓信號被分成16個小信號，通過計算信號能量值，發現第四層第一個低頻信號包含了幾乎全部的能量值，即該頻段集中了原信號的所有能量。(4)對直流側輸出的電壓信號進行功率譜分析，發現各故障狀態下的電壓信號功率譜沒有明顯區別，不能確定故障特征，再對小波重構后的第四層第一個低頻信號進行功率譜分析，通過觀察和對比所有故障狀態下的第四層第一個低頻信號的功率譜包絡圖，可以看出，每個包絡譜都存在有特征頻率，通過分析各狀態下低頻信號的包絡圖，實現變流器的一級故障診斷。...

【技術特征摘要】
1.一種風力發電系統中變流器的一級故障診斷方法，其特征在于，該診斷方法的步驟為 (1)鑒于風力發電系統中的變流器是背靠背式變流器，且能量是可以雙向流動的，所以只要研究單一整流器的故障特點就可以表征變流器的故障特點。所以針對整流器裝置，根據實際運行的單只和兩只功率管故障進行故障分類，建立變流器的IGBT功率管一級故障分類原則。(2)在各種故障狀態下，對三相橋式PWM整流電路建模，獲得電路所有故障狀態下的直流側輸出電壓信號。選取合適的小波基函數，對所得的各個輸出電壓信號進行四層小波包分解，并對小波分解系數重構，提取各個頻帶范圍的信號。(3)計算步驟(2)提取的各個頻帶范圍的信號的能量，根據能量直方圖確定原信號的能量主要集中在哪個頻段。經過小波包分解并重構后，各個狀態下的輸出電壓信號被分成16個小信號，通過計算信號能量值，發現第四層第一個低頻信號包含了幾乎全部的能量值，即該頻段集中了原信號的所有能量。(4)對直流側輸出的電壓信號進行功率譜分析，發現各故障狀態下的電壓信號功率譜沒有明顯區別，不能確定故障特征，再對小波重構后的第四層第一個低頻信號進行功率譜分析，通過觀察和對比所有故障狀態下的第四層第一個低頻信號的功率譜包絡圖，可以看出，每個包絡譜都存在有特征頻率，通過分析各狀態下低頻信號的包絡圖，實現變流器的一級故障診斷。2.根據權利要求1所述的一種風力發電系統中變流器的一級故障診斷方法，其特征在于，建立一級故障診斷思想對變流器故障類型進行劃分。所謂一級故障診斷是指通過相應分析方法，確定變流器故障是描述中的具體哪一類故障，而不具體研究在該類故障下具體哪只功率管發生故障。所劃分的一級故障類型為 (1)IGBT功率管均正常運行，變流器無故障發生。 (2)僅有單只IGBT功率管發生故障，即VT1、VT2、VT3、VT4、VT5或VT6中任一功率管發生故障。 (3)有兩只IGBT功率管發生故障，且兩只功率管同相不同側，即(VT1,VT4)、(VT3, VT6)或(VT5，VT2)任一種情況。 (4)有兩只IGBT功率管...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈艷霞，周文晶，趙芝璞，吳定會，潘庭龍，紀志成，
申請(專利權)人：江南大學，
類型：發明
國別省市：