风电变流器主电路故障诊断监测系统研究（可编辑）

风电变流器主电路故障诊断监测系统研究（可编辑） 密级:公开 国内图书分类号:. 国际图书分类号:. 西南交通大学 研究生学位论文 年 级 姓 名 指导教师 二零一二年五月 一令一一年丑月 :. ..:. ’: :: : :. .西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被 查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 .保密口,在年解密后适用本授权书; .不保密衫使用本授权书。 请在以上方框内打‘‘” 指导老 学位论文作学名:晰 日期: 魄卅率晒西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: 建立了风力发电系统模型,对风电变流器可能的故障进行分析和分类,对各个 开路故障进行仿真,并对故障波形进行分析。 运用小波神经网络建立风电变流器的故障诊断系统。采用小波变换提取风电变 流器的故障特征,结合输出电流的平均值参数,构造故障特征向量,将所有的故障特 征向量列成表。将故障特征向量表作为神经网络的输入,目标输出量作为输出量 对 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 好的神经网络进行训练,运用训练好的神经网络对故障进 行识别。 采用编写风电变流器故障监视系统的界面。通过与 混合编程技术将风电仿真模型和故障监视界面连接,对系统进行仿真验证。 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中作了明确 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名: 踏硼洳西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 摘 要 永磁直驱风电系统由于结构简单、技术可靠和维护成本低等优点,得到了 广泛的应用。其结构中虽然省去了双馈风电系统中故障率较高的齿轮箱,但全 功率变流器也是故障率很高的部件之一,研究其故障诊断监视系统对风电系统 的安全稳定运行具有重要意义。目前的风电故障诊断监视系统仍 有人力耗费 大、受环境影响大、诊断不准确等问题需要解决。 本文以风电变流器主电路拓扑结构为二极管整流器升压斩波器电压源 型逆变器的永磁直驱风力发电系统为研究对象,建立一套风电变流器的 故障诊断监视系统。 首先,本文建立永磁直驱风电系统模型,选取风电变流器的三相输出电流 来提取故障特征。在/软件下对风力发电系统正常运行以及种 断路故障状态分别进行仿真,得到正常运行和不同故障下的电流波形。采用小 波分析对三相输出电流进行分解、重组,提取各相能量值,同时结合电流平均 值参数,构造故障特征向量,并将所有的故障特征向量列表。 其次,本文选取基于小波分析和电流平均值参数构造的故障特征向量作为 神经网络的输入量。根据故障特征向量表和期望特征,确定神经网络的 结构,对确定好的神经网络进行学习练,并利用训练好的神经网络对含有噪 声的故障现象进行测试,验证了系统具有较强的稳定性。 最后,本文采用编写故障诊断监视系统的监视界面。然后通过 的仿真工具包将的风电模型和监视界面链接起来,系统能够 实时显示仿真模型中风电变流器的故障,并进行仿真验证。 本文将小波变换良好的时频局域化特性和神经网络的自学习功 能相结合, 运用于故障诊断系统,使得整个系统具有较强的逼近能力和容错 能力。 关键词:风电变流器;永磁直驱;故障诊断;小波神经网络西南交 通大学硕士研究生学位论文 第页, , . , 。.. , . , . .. ., , . ./, . 。 , , , . ,.. ., ,. ,. , ’ ,西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 . ,. : ; .; ;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 目 录 第章 绪论. .风力发电的发展现状??.. .研究风力发电系统故障诊断的目的与意义...??.. .风力发电系统的故障诊断研究现状? .本文主要内容及篇章安排. .研究方法??.. 第章永磁直驱风力发电系统的建模?一 .引言??. .风力机的模型分析? .机侧变流器的结构及其控制?.. .网侧逆变器的结构及其控制.风电系统的整体模型.永磁直驱风 力发电系统的仿真分析.. .本章小结 第章风电变流器的故障仿真 .引言?....:??. .风电变流器的故障分析.. .风电变流器的故障仿真.. .本章小结第章基于小波分析的风电变流器故障特征的提取? .引言?.. .小波变换及小波分析..小波基的选择? ..多分辨率分析? .. 算法的信号分解过程??.. .. 算法的信号重建过程??.. .风电变流器输出电流波形的小波变换??. .风电变流器故障特征的提取?. .本章小结第章基于神经网络的风电变流器的故障识别??. .引言?.. .神经网络. 神经网络的原理及算法??.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .. 神经网络的基本知识?. .. 神经网络的基本结构?. .. 神经网络的学习算法?. ..基于数值优化方法的网络训练算法.神经网络的设计?. .神经网络的训练与学习.. .故障的仿真测试?. .。本章小结第章故障诊断监视界面的设计??一 .引言?.. . 基础.基于的监视界面设计. 与的混合编程. .故障仿真.本章小结??一总结与展望? 致谢??. 参考文献??. 附录?.. 攻读硕士期间的成果?..西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章 绪论 .风力发电的发展现状 近年来,随着日益加剧的化石能源危机、环境污染和温室效应等问题, 风力发电越来越受世界各国的重视,已成为目前世界上增长最快的可再牛能 源【】。我国总体思路是:发展并推广先进的节能技术、提高能源的综合利用率、 积极发展可再生能源技术、优化能源结构,走低碳经济的发展道路。目前, 在国家政策的支持下,我国风电行业已经进入高速发展的阶段,风力发电在 电力系统中所占比例也越来越高。 目前的风力发电机组主要是恒速恒频型和变速恒频型两种类型,其中的 变速恒频风力发电技术已经成为风力发电技术的主要发展方向。风力发电机 组的单机容量随着风电技术的发展已经越来越大,陆地的风力发电机组单机 容量在.、,近海风力发电机组已经达到以上【】。在目前的变 速恒频风电系统中,双馈式风电系统仍占据着主流地位,然而直驱式风电系 统也得到了越来越广泛的应用。在双馈型风电系统中,其变流器的容量只占 风电系统的额定功率的%滑差功率左右,电机运行速度高,重量和体积比 较小,因此生产成本比较低;直驱型发电系统需要采用全功率变流器,变流 器的容量为系统的额定功率,所需要的低速永磁直驱发电机的重量和体积又 比较大,因而生产成本比较高。大量的应用表明,在双馈型风电系统中的增 速齿轮箱却是风电系统中最容易出现故障的部件之一,并且维护比较复杂, 噪音较大:在永磁直驱式风电系统中,风力机能够直接驱动多极低速永磁同 步发电机进行发电,然后通过风电变流器将电能转换,最后并入电网,但是 省去了传统的双馈风力发电系统中我国难以自主生产的最容易出现故障的齿 轮箱,这样既提高了生产效率,又抑制了噪声。不需要通过外部励 磁,即使 在低风速下发电也可以保持较高的效率,并且风电系统在电网电压故障条件 下也容易实现不间断并网运行,因此永磁直驱式风电系统得到了非常快的发 展。 由于永磁直驱风力发电系统中风力机与永磁同步发电机直接相连,省去 了传统风电机组中故障率很高的升速齿轮箱,然后通过全功率变流器对输出 的电能进行变换与调节,从而实现了风力发电机组的并网。这种方式既有效 地提高了风电机组运行时的可靠性与安全性,又较大程度地降低了维护成本, 己成为如今风力发电技术的重要模式。其中不可控整流/变换器并网 逆变器和背靠背双 变换器两种拓扑是永磁直驱 风力发电系统目前的优选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 【。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 通过增加/变换器,可以实现输入侧的功率因数校 ,,提高发电机运行时的效率;同时当风速发生变化时,通过不 可控整流器得到的直流电压也在不停地变化,而经过/变换电路的调节 可以保持直流侧母线电压的稳定,而且还能对永磁同步发电机,的电磁转矩和转速进行有效地控制,实 现风力发电系统运行在变速恒频状态,使它具有最大的风能捕捉功能。许多 的/变换器使用的是电路,这是当今主流的一种拓扑结构,在小功 率和兆瓦级的直驱型风电系统中均有广泛应用,德国风电公司的直驱 型风电系统,国内的合肥阳光电源小型并网风力系统变流器如 使用这种拓扑。 .研究风力发电系统故障诊断的目的与意义 随着科学技术的进步,风力发电系统的容量不断地增大,大功率变流器 的拓扑结构越来越复杂。随着设备的自动化程度越来越高,其故障率也越来 越大,设备的故障诊断也变得越来越重要。大部分的大型风力发电机组都位 于比较偏远的近海、草原和戈壁滩地区,而且分布面积宽广、数量众多。由 于要受到恶劣的自然环境的影响,以及风力发电机组与电力电子装置越来越 复杂,风力发电机组很容易损坏和发生故障,从而影响到生产【。相对于风力 发电机组中的发电机或者其他的机械部件,风电变流器的稳定性是相对较差 的。变流器功率开关的断路故障虽然在短时间内不会导致系统崩溃,但是如 果长时间运行于这种故障状态下,将会使系统的部件产生不可逆的损坏博】。因 此,对于风电变流器进行状态监测和故障诊断,可以使风电系统稳定性得到 很大的提高桫。 为了防止故障事故的进一步恶化,减少由于出现故障所造成的财产损失; 为了减少被迫停机的时间与次数,减少风电机组的维护修理的费用,防止因 维修而使发电量的减少,提高风力发电系统的可用性,在风力发电系统有早 期故障征兆的时候,应积极主动的采取调节措施。采用风力发电故障诊断系 统对风力发电系统的运行状态进行实时监测,对其故障现象进行处理分析, 用得到的故障特征来显示风电机组的故障原因与位置,指导风电 系统的维修 和维护。风电变流器变量的状态监测和故障诊断非常重要,风电变流器中的 任何一个部件的故障都会导致停机甚至损坏整台风力发电机组,而停机时间 则会对发电收益造成很大的损失。因此,风电变流器的故障诊断和容错控制 对于减少停机时间、提高风电系统的稳定性和减少收益损失都具有重要的意 义,研究风电变流器故障诊断系统是十分必要的.?。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .风力发电系统的故障诊断研究现状 系统的状态监测及故障诊断技术是把监测获得的数据,通过计算机的数 据库和专家系统进行分析、判断,然后对设备的状态作出评估,能够预测故 障位置,并能确定最佳的检修时间。风电变流器的运行状态监测是故障诊断 的基础,如今,国内外较典型的状态监测方式主要有三种:离线定期监测; 离线分析的状态监测监测方式;自动状态监测方式。第一种监测方式主 要运用于小型风电机组;第二、三种监测方式运用于大型风力发电机。 目前国内的风电场,主要通过维护人员对风力发电机组监测系统的显示 以及定时巡视检查的方式对传动系统的运行状态进行监视。目前主流的监测 系统进行安全保护时,一般是在设备出现明显故障的时候才会有显示和报警, 不提供故障初发时期的信息;由于风电场机组环境条件差和分布范围广等影 响,人工巡查方法难以及时发现设备早期故障。因此,对风电系统的运行状 态采用先进的监测技术进行实时监测,及早发现故障现象,准确判断故障产 生的原因和部位,合理安排维修或更换 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,避免临时的检修行为,对于边 远地区或海上风电场的机组更加重要,因为恶劣天气条件可能阻碍及时的检 修活动,会造成附加损失。总之,风电机组的状态监测对于提高系统运行的 可靠性、安全性和经济性具有重要的意义。 西方的故障诊断技术研究比较早,美国最先开始研究故障诊断技 术,日 本和欧洲随后也认识到开展故障诊断技术的重要性,积极进行研究【引。国外 的状态监测和故障诊断技术已经有了较高的水平的发展,如美国 公司的系统和 公司的系统等引,对于 风力发电机的监测设备,德国的普鲁夫公司已经有研制;德国 的公司的风力发电机监测服务做得很专业,他们主要从事故障监测和 诊断服务【 。文献】采用神经网络对齿轮箱和发电机进行建模并预测, 采用多方法对不同部件的诊断结果进行综合分析,给出机组整体的运 , 行状态。文献 建立了齿轮箱和发电机的硬件实验台,通过小波分析方 法处理高速采集的振动信号,但其与实际齿轮箱的运行状态有较大差别。 由于国内的风力发电行业发展比较晚,因此在线监测和故障诊断系统在 国内的风力发电机组上的应用还处于研究阶段。文献】完成了风电机组传动 链、塔架的状态监测及故障诊断系统的研制工作,利用该系统对 风 电机组实施全方位的实时的状态监测,对机组故障进行及时诊断和预警。文献】采用非线性状态估计 ,方法建 立了齿轮箱的温度模型,并利用该模型对齿轮箱的温度进行预测。文献】 提出了基于波形直接分析的神经网络风电变流器的故障诊断方法。文献】西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 研究了基于多隐含层的神经网络的风电变流器故障诊断。文献】提出了基于 网的风电变流器故障诊断。文献提出了基于小波神经网络的双馈型 风电变流器故障诊断。这些为我国故障诊断技术在风力发电机组上的应用起 了巨大的推动作用。上面的研究方法针对风电系统中不同的部件进行了状态 监测和故障诊断研究,很多针对的是双馈型风力发电系统进行故障监测,本 文主要研究的是永磁直驱风力发电系统风电变流器的故障诊断监测系统。 综上所述,由于风力发电机组恶劣的工作环境,导致其破坏率可能高达 %一%,同时对风力发电机组进行定期检修和维护的难度比较大、 费用也 很高。因此对风力发电机组的状态进行监视和故障诊断就显得十分重要。 .本文主要内容及篇章安排 风力发电系统很庞大,对其状态监测和故障诊断的研究更是一个复杂而 宏大的研究课题。本文主要研究一种主电路为不可控整流变换电压源 型逆变器的风电变流器的主电路故障诊断监测系统。本文的主要结构为: 第一章为绪论。首先介绍风力发电技术的发展与现状,然后论述研究风 电系统故障诊断监测系统的意义、研究方法以及国内外研究概况。 第二章对永磁直驱风力发电系统的建模。首先分析了风力机、机侧变流 器和网侧逆变器的结构数学模型及控制方式。然后根据模型和控制方式在 /环境下建立永磁直驱风力发电系统的仿真模型,并对整体模 型和控制策略进行仿真验证。 第三章对风电变流器的故障仿真。首先对风电变流器的可能故障进行分 析和分类,然后对各个故障进行仿真,并举例对故障波形进行分析。 第四章为基于小波分析的风电变流器故障特征的提取。首先对小波分析 理论进行阐述,并选择合适的小波基对故障波形进行小波分解,通过小波变 换提取故障能量,结合电流平均值参数,得出表征故障现象的故障特征向量, 并将所有的故障特征向量列表。 第五章为基于神经网络的风电变流器的故障识别。首先介绍神经网络的 基本知识,采用基于算法改进的神经网络进行故障识别,然后设计用于风 电变流器故障诊断的神经网络,并对网络进行训练学习,最后对含有噪声的 非样本数据进行仿真识别。 第六章为风电变流器的故障监视界面的设计。首先对基本知识 进行介绍,然后采用编写监视界面,使用的将 环境下的风电模型链接起来,进行动态地仿真验证,最后对工作进行总结与 展望。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .研究方法 本论文采用理论研究与专业实践相结合的研究方法,采用工程中常用的 风电系统的数据进行仿真,并对实际中故障率较高的地方进行仿真,运用既 具有小波变换良好的时频局域化特性和又拥有神经网络的自学习功能的小波 神经网络对故障信号进行特征提取和识别,具有较强的逼近能力和容错能力, 提高了抗干扰性,采用软件编写故障监视界面,通过与 环境下的风电模型链接起来,能够实时显示故障现象。 本文的整体研究路线如图.所示。 一一 塞自 图.本文的设计整体路线西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章永磁直驱风力发电系统的建模 .引言 目前主流的变速恒频风力发电系统主要有永磁直驱和双馈两种类型。由 于风力发电系统在整个电网中所占的比例越来越大,所以风电系统在电网故 障下的连续运行能力显得越来越重要。然而永磁直驱风电系统的 低压穿越能 力比较强,同时还能为电网提供无功功率的支持。 永磁直驱风电系统中目前普遍采用的拓扑结构如图.所示,图.的 变流器采用的是整流器后接电压源型逆变器;图.的变流器 使用是二极管整流器升压斩波器电压源型逆变器。由于直驱式风力 发电系统的功率不需要双向流动,因此可采用不可控整流代替可控整流【.】。 而且采用不可控整流的变流器还能省去个,更加经济。 电网 图.广泛采用的永磁直驱风力发电系统拓扑图 本文采用的永磁直驱风力发电系统的拓扑图如图?所示。主要包括风 力机、风电变流器等。本章将依次对各个分模块进行建模和仿真。 .风力机的模型分析 在风力发电机组中,风力机的主要作用是将空气的动能转变成为机械能,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 再由发电机将机械能转变成电能,是整个风力发电系统能量转换的首要部件。 风力机将流动的空气中所具有的动能截获,并将风轮叶片迎风所扫掠的面积 内的一部分空气的动能转换为有用的机械能,风力机对整个风力 发电系统装 置有效输出功率的大小起决定性的作用,也对机组的安全稳定运行有直接地 影响【】.。 风力机的作用是将风能转换为机械能,其动力模型体现了风速与风力机 之间的机械功率关系。风力机输入功率为【】: . ? 只?跏 二 式中,为空气的密度/,为风力机的叶片扫掠面积,为空 气进入风力机扫掠面以前的风速/。 由于通过风轮旋转面的风能不是全部都能被风轮吸收利用,因此需要定 义一个风能利用系数,用来表示风力机从自然界的风能中吸收能量的大小 程度【: 赢 式中,为风力机实际获得的机械功率,单位为。 叶尖速比是表征风力机特性的一个重要参数,用旯表示。它是叶片的叶尖 线速度与上游风速之比,如式.所示。 五:??:丝 .以一一 式中,为风力机的机械角速度,单位为/,为风轮转速,单位为 /,为风轮的半径,单位为,为风轮的上游风速,单位为/。 桨距角是桨叶弦长与安装平面之间的夹角,用‖表示。当风速小于额定 风速时,‖,风速发生变化时,通过改变发电机的转子转速,使风能利用 系数恒定在。。,捕获最大风能。在风速大于额定风速时,调节桨距角可以 减少叶轮输入功率,使发电机输出功率稳定在额定功率。下文的所有讨论中 全部默认风力机处于可以说成处于最大风能捕获状态,即‖。 风力机的机械转矩和风力机获得的机械功率分别为式.和式 。 乙:要胪五, 己乙国式中, 允,‖为风能利用系数,为风轮的半径,为空气的密度,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 为叶尖速比,彩为风力机的机械角速度。 对于风能利用系数,旯,历,可以用以下公式表示【】: 生 , . 旯,‖;三气 ~ ?/, 、 一:? 去厕一器 .‖ 九 ‖ 式中,.,,.,,一,.。将式 ?代入式?即可得到允,‖,如果‖为定值,则。值只与旯有关。 .机侧变流器的结构及其控制 机侧变流器主要由不可控整流器和电路组成,主电路如图.所示。 图.机侧变流器的主电路图 风力机的功率在不停的变化,永磁同步发电机发出的三相交流电 的频率 和幅值都是不规则的,经过不可控整流器变为直流电,但是直流 电压并不稳 定。由于不可控整流器具有非线性特性,导致整流器的输入侧电 流特性畸变 很严重,谐波含量也比较大,这些都会使发电机功率因数降低,发 电机的转 矩发生振荡。而且当风速较低时同步发电机的输出电压值比较低,无法回馈 能量至电网,因此实际的使用中,通常会在电路的直流侧增加一个斩波 电路,低速运行时将不控整流器输出的直流电压值通过斩波电路升高, 采用升压电路风力发电机可以运行在很宽的调速范围内【。同时, 升压电路还能够对永磁同步发电机的输出侧进行功率因数校正,通过功 率因数校正技术,改变功率开关管的占空比,使发电机能输出与输出电压同 步的正弦电流。由于电路具有输入电流连续、拓扑结构简单,效率高等 特点,单相电路大都采用此种结构。同时如果没有升压电路,也 会使很高的无功功率被系统消耗,从而造成电网电压的波动。 永磁发电机产生的电动势与发电机的转速成比例,为了最大利用风能, 转速需要即时的根据风速的变化而发生变化。由于缺乏励磁控制,永磁发电 机和二极管整流器组成的系统是完全不可控的,因此要通过调节斩波器第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 的占空比,控制不控整流后的直流电压和电流,能够改变直驱的输出电流, 而改变发电机的电磁转矩,达到调节发电机转速,使其能跟随风速的大小变 化来捕捉最大风能,从而可以实现在电机侧的最大功率跟踪。其控制电路结 构图如图.所示【。 不控整流器 斩波器 图.机侧变流器的电路控制框图 机侧变流器的控制电路主要由速度外环和电流内环组成,通过速度外环 调节最大捕捉风能的转速来控制输入转速,从而调节给定电流,来控 制输入电流,调节输入的电流值,用来跟踪最优的参考电流,从而达到跟 踪风力机的最大功率点的目的。 .网侧逆变器的结构及其控制 网侧逆变器采用三相电压源型逆变器 ,拓扑结 构,如图?所示。与传统的相控逆变器方式相比,三相网侧电流谐波 小,网侧功率因数可以通过控制达到单位值【】。当电网的电压下 降、无功功 率不足、出现严重的负序环境或者发生故障时,电网侧的逆变器可以对电网 进行无功功率补偿。 图.三相电压源型逆变器结构拓扑图 分析三相的控制,需要建立三相的数学模型。假设:直流电第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 源的平稳性良好;大功率开关管为理想器件,没有过渡过程;斩 波器直流母线电压保持稳定:网侧的滤波电感是线性的,不考虑饱和。 根据图.三相电压源型逆变器的拓扑图,利用、,得到在三 相静止坐标系的微分方程如下【.。 哮巳础冲。 哮%砌冲 哮剐。础一。 警 可以看出,上面的数学模型中包含时变的交流量不利于控制系统的设计, 因此,可以将由三相静止坐标系转换到同步旋转坐标系,将交流量变成直流 量,从而实现控制上的解耦。首先转换到口一‖坐标系,可得到在一‖坐 标系下的数学模型。 哮%一尺乞一%%三堕和一尺移一妇% 盟弘?‖移 将式.再转换到?同步旋转坐标系,得到在同步旋转坐标系 下的数学模型。 %一?锄?赴 哮白一尺岛一?上。一%% 等扣‘一屯 令%乃%,%吩%,将两相旋转坐标系中的轴定向在电网电压 的合成矢量上,超前轴。方向上定义为轴,则%,%。 由式.可以看出,输入电流,轴分量之间存在耦合,引入电流和 电压作为前馈进行解耦,并使用调节器作为外环电压控制器以及 内环电流 控制器,单独对,轴进行控制。则网侧变流器的控制框图如图所示 阻。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 蛆分咂盘。 一一? 口 图.网侧变流器的控制框图 网侧逆变器的控制采用的是解耦反馈控制,其策略采用外环为直 流 母线电压和无功功率的给定闭环,内环则使用电流环的双闭环控 制,采用? 轴同步参考坐标系,通过轴电流控制无功功率,通过轴电流控制有功功率。 .风电系统的整体模型 通过由以上的分析可以得出永磁直驱风电变流器的整体模型如图所 示。 图永磁直驱风力发电系统整体控制结构图 在风电系统的机侧整流器和网侧逆变器之间接有升压斩波器,‰。为前级 不可控整流输出的电压,是随着发电机的转速而不断变化的,通过升压斩波 器能将电压稳定在一个相对稳定的值。通过速度外环和电流内环控制升压斩 波器,即调节给定电流来控制输入电流,以此调节输入电流用来跟踪最 优的参考电流,达到跟踪风力机的最大功率点。网侧逆变器采用解耦反西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 馈控制,在?轴同步参考坐标系下,通过轴电流控制无功功率,通过轴 电流控制有功功率,通过锁相环对电网电压相位角进行 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 【】。 通过分析得到,在整个系统,增加一个电路就能将直流输入电压值 提高,此系统的控制结构简单,控制方法灵活,功率开关管的利用率高。由 于逆变器拥有输入电压值稳定,谐波含量低、逆变效果好、经济性能好等优 点。在实际的生产应用中,现在这种结构被广泛地应用于大功率直驱型发电 系纠。 .永磁直驱风力发电系统的仿真分析 本文将在/环境下搭建永磁直驱风力发电机组模型, 其主电路结构及控制策略参照前面的分析以及图风电系统的整体结构。仿 真参数如表.所示,依据仿真参数,建立的风电机组的仿真模型如图.所 示,五,‖模型如图.所示,,一旯的曲线如图所示,风力机的巴模 型如图.所示, 一国曲线如图.所示。 表.仿真参数西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图.风力发电系统的仿真模型 根据式?、得出旯,‖模型图如图所示 图? 尸五,‖模型图 根据模型进行仿真得到风力机的特性的。一允曲线如图所示。 随着桨距角‖的增大,的值会明显缩小,这里只讨论‖的值为恒定值, 值的变化情况。从图中可以看出,随着五的变化,,值也在不停地变 化,大约在达到最大值,最大值大约为.。因此,无论在何种风速 下,只要风力机的叶尖速比旯%,风力机就可以维持干作在。一。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 以风力机的半径尺,空气的密度,风速’,,桨距角夕,风力机的机械 旋转角速度作为仿真输入量;以风力机机械转矩乙,风力机得到的机械功 率己为仿真输出量;利用上面的分析并搭建风力机的模型,取., ,‖进行仿真,仿真模型如图所示。在不同的风速下风力机输 出的机械功率特性曲线己一彩如图?所示。 图?风力机的乞模型 图. 一缈曲线 由图.可以看出在不同的风速下,风力机的输出功率是不相同的,风 速越大,在相同转速下,风速越大则风力机的输出功率也越大;在相同的风速 下,风力机输出的功率随转速的变化而发生变化,在某一转速下 输出功率会达 到最大,转速低于或超出时,输出功率都会下降;随着风速的增大,风力机的 最大输出功率所对应的转速也将增大。图中的虚线表示的是最佳功率曲线,即 在不同风速下风力机的最大输出功率点的连线。控制风力机得到的机械功率来 控制电机转矩,从而调节风机转速,使风轮的转速保持在最佳叶尖速比,可使 为最大值,实现系统追踪最佳功率曲线从而达到最大捕获风能。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 由仿真得到斩波器的直流电压波形和相电压电流波形分 别如图.和图.所示。 畜 弓 图.直流侧电压波形图 由图可以看出,经过短暂时间之后直流电压趋于稳定,等于给定值 ,当风速发生变化时,在给定值附近范围内较小波动。 图. 相电压电流波形图 由图.可以看出,逆变器输出电压稳定而且和电流相位基本相同,输 出电流接近正弦波,功率因数接近,而且随着风力机转速的提高,将 处于更加稳定的运行状态,电流的波形更接近于正弦波。 .本章小结 本章分别建立了风力机的模型、电机侧变流器模型、电网侧变流器模型, 将各分模型组合在一起创建了永磁直驱风电系统的数学模型,并根据建立的 系统模型在/软件中搭建永磁直驱风电系统的仿真模型, 并对风力机的动态性能、全功率变流器的控制结构进行分析,通过输出结果 验证仿真模型的正确性,为第三章风电变流器的故障仿真奠定了坚实的基础。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 第章风电变流器的故障仿真 .引言 由于电力电子装置性能可靠、体积小的优点,在风电系统中发挥了很大 的作用。由于其大量的使用,研究电力电子装置的故障诊断在风力发电系统 中的意义也越来越重要。目前风电变流器中的电力电子开关大都使用绝缘栅 双极晶体管 ,,当功率开关管两端的电压 超过了最大集.射极间的电压,或者电流超过了最大集电极电流,或者运行时 功率超过正常工作温度下允许下的最大耗散功率】,这些都可能会使功率开 关管超出耐受极限而击穿或者烧毁,甚至永久性损坏。当功率开关管的故障 严重或者扩大后,风力发电系统也就没法正常工作了,直驱式风力发电机发 出的电也将无法输送到电网【 。所以对风电变流器的故障点进行诊断和监视 是很重要的。 .风电变流器的故障分析 风电系统的故障按发生的位置可分为输入级故障、内部结构故障和输出 级故障。输入级故障包括风力机和发电机;输出级故障主要是指电网的故障; 内部结构故障是指风电变流器本身的故障,其主要由直流环节故障整流器和 直流变换环节故障,逆变器故障,控制系统故障等组成【。 风电变流器常见的故障类型包括:短路、断路、过压、欠压、过 流、过 热、缺相、通讯故障等,其中功率开关的短路故障和断路故障是比较典型的 两种。 本论文所讨论的风电变流器的主电路结构为不可控整流后接斩波 器再接,其主回路拓扑结构如图.所示,其主电路主要包括个整流二 极管、个、个电容和个电感。 不控整流器 斩渡器 逆变器 锌 勺辞 辞 本, 臀 川 ...............一 刊 丕 ?一爷 他一爷 爷 图.永磁直驱风电变流器主回路拓扑结构图 本文主要研究的是风电变流器的内部直流环节故障和逆变器故障,其故障 模式主要考虑断路和短路两种。第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 断路故障主要有以下种类型:开关元器件通常由基极驱动,然而由 于驱动电源的失效、元件击穿或开断路,造成的功率半导体开关元件的基极 驱动电路故障。表现为开关元件的断路。功率开关的基极电路故障会引起 逆变桥臂两个开关元器件的断路故障。变流器中电容击穿、漏气爆炸、电 感饱和、电阻器烧断等导致直接造成逆变器失效【 ,这种故障称为元件失效 故障,会产生断路故障。 短路故障主要有以下种类型:逆变器桥臂的绝缘损坏或者并联在元 件两端的吸收回路短路,造成开关元件的反向击穿,引起功率半导体开关 元件的短路故障。这种故障会造成其他元件的破坏,因此逆变器一般都会有 相对应的保护措施去避免其发生桥臂直通故障,当开关元件发生短路故障时, 系统的保护电路会将同桥臂上的另一个开关元件强行关断,此时该桥臂上就 只会有一个开关元件导通。逆变器控制电路中的元件性能变差或 者其电磁 兼容性变差也会导致开关元件基极驱动出现故障,这将会使逆变器的电压输 出波形变差,造成其他的元器件过载,这种称为功率半导体开关元件的间歇 性短路故障。逆变器中任何元件短路后造成的另一元件的开关应力增大, 使其短路破坏,称为逆变桥臂两开关元件的短路故障。 假定最多只能同时两只功率管发生故障,而且变换器和不会 同时发生故障,则风电变流器的元件断路故障模式有如下六大类,共种情 况: 第一大类:无故障,即正常运行; 第二大类:单只功率开关管故障,分别为?六种故障; 第三大类:上下桥臂中的两只功率开关管同时发生故障,分别为,, 三种故障; 第四大类:同一半桥的两只功率开关管同时发生故障,分别为,, ,,,六种故障; 第五大类:交叉的两只功率开关管同时发生故障,分别为,,, ,,六种故障。 第六大类:变换器中的一只元件断路,分别为、、、四种故障。 结合以上的分析,本文只考虑、、、、、、、、、 十个元器件的断路情况,并根据其所处的位置,分别定义为变换 器 和两种,具体定义为、、、和、、、、、 。其故障点位置分布如图.所示。西南交通大学硕士研究生学位 论文 第 页 不控整流器 斩波器 逆变嚣 ? 、? 孓 /一 么 ..二 ?么 ? : ? ??曲 ?. : 一 / ? ? ?? ? ? 么?/ 玲邗帑他帑 图.永磁直驱风电变流器主回路故障点位置分布图 .风电变流器的故障仿真 风电变流器的内部故障主要是由于电气元件的断路故障造成的,如功率 开关管的故障或控制信号故障。由于风电变流器的内部信息不容易获取,因 此采用采集其输入或输出电流、电压作为检测对象。针对断路故障诊断的研 究,目前也取得了不少成果,根据诊断变量和诊断方式的差异,断路故障诊 断方法大致可分为以下三种:基于电压信号的断路故障诊断法刀、智能故障 诊断法【】和基于电流信号的断路故障诊断法【。,表.对这三种方法进行 了对比,从表中可以看出,电流法在进行断路故障诊断时无需增加额外的硬 件设备,而且在计算量和实时性方面都比较好,所以本文选择三相电流信号 作为诊断功率开关断路故障的主要对象【】。 表.诊断技术总结 对于功率管的断路故障仿真可采用将触发脉冲置,电容电感的断 路故障 采用断路器设置。下面我们分别就正常运行和个具体故障进行仿真,得到 具体的三相输出电流波形,并对波形进行分析。下面仅罗列出风电变流器元 件断路故障模式中六大类中的各个类型中的一两个例子。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 正常运行情况 图.正常运行时电流波形 正常运行时三相电流波形稳定且是正弦波形。 一只功率管故障情况,这里以断路、断路为例。 图. 断路电流波形 当逆变器断路时,相电流上半部分几乎为,、相电流基本上还 是正弦波,只是上半部分的幅值上升%左右。 图. 断路电流波形 当逆变器断路时,相电流下半部分几乎为,、相电流基本上还 是正弦波,只是下半部分的幅值增加%左右。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 上下桥臂中的两只功率管同时发生故障,断路、断路为例 图 、断路电流波形 当逆变器断路时,相电流急剧衰减到很小的正弦波,、相电 流还是正弦波,只是幅值有%的增加。 图. 、断路电流波形 当逆变器断路时,相电流急剧衰减到很小的正弦波,、相电 流还是正弦波,只是幅值有%的增加。 同一半桥两只功率管同时发生故障,、断路、、断路为例 舢? ? 耋茎 ? 耄耄? . 伽? ? 皇. , 。 ? 伽? ? 茎耄? 薹? :................................................ / , 图. 、断路电流波形 当逆变器、断路时,、相电流上半部分几乎为,相电流还 是正弦波,只是幅值的上半部分上升%左右。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 图 、断路电流波形 当逆变器、断路时,、相电流下半部分几乎为,相电流还 是正弦波,只是幅值的下半部分幅值增加%左右。 交叉的两只功率管同时发生故障,、断路、、断路为例。 图. 、断路电流波形 当逆变器、断路时,相电流上半部分几乎为,相电 流还是正弦波,只是幅值有%的增加,相电流下半部分几乎为。 图. 、断路电流波形 当逆变器、断路时,相电流下半部分几乎为,相电 流上半部分几乎为、相电流还是正弦波,只是幅值有%的增加。西 南交通大学硕士研究生学位论文 第页 变换器中的一只元件发生故障 图. 断路时电流波形 当变换器功率管断路时,三相电流衰减,但速度不是很快。 图. 断路电流波形 当变换器续流二极管断路时,三相电流快速衰减。 图.电容断路电流波形 当变换器滤波电容断路时,三相电流谐波增大。 从以上的三相输出电流波形中可以看出,在不同的故障类型下电流的波 形是不同的。但是仅从波形中分析变流器的故障现象还是很麻烦的,我们需西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 要提取它们的故障特征来进行识别,并达到故障信息的监视效果。 .本章小结 本章就风电变流器的故障机理进行阐述,重点对功率开关的短路和断路 两种典型故障的原因进行分析,只对直流部分和逆变器的个器件进行断路 仿真。通过对故障信号的采集方法进行分析,决定采用三相输出电流进行故 障现象的分析,并对正常运行和故障进行时仿真,得出了组电流波形文 章只是举例列出部分,为风电变流器的故障特征的提取奠定了基础。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章基于小波分析的风电变流器故障特征的提取 .引言 目前很多的故障诊断技术采用傅里叶变换 ,由于传统 的傅里叶变换存在缺少时变信息、泄漏和栅栏效应等缺点,在信号分析时不 能同时在时域和频域中提供较高的分辨率,因此在某些领域中的应用受到了 限制。而小波变换技术的多分辨率分析在信号特征提取,特别是在故障信号 的故障特征提取方面得到了广泛应用,在稳态、暂态信号测量、谐波测量等 方面已经取得了较好的研究成果并且正在不断地拓展应用领域【。 小波分析对信号的自适应能力以及良好的时频定位特性,使其能够对各 种时变信号进行有用分解,为故障诊断技术提供新的、强有力的分析手段【。 小波变换具有线性变换,无干扰项,多分辨率分析等特点,这些特点使其在 非平稳信号的局部化分析中有突出的优点。由于这些优点,本章采用小波变 换对风电变流器的故障信号进行故障特征的提取,并用于故障诊断。 .小波变换及小波分析 小波变换 的定义是把某一称作为基本小波的函数 做位移后,再在不同尺度口下与待分析的信号,做内积: . ,下 沙。竺 ?? 等效的频域表达式是: ? 缈。口?弦归 . 尝 么刀。?“ 式中和少国分别是和的傅里叶变换。 数学家.构造出第一个真正的小波基,并与.合作建立了基 于多尺度分析的构造小波基的统一方法之后,小波分析才有了蓬勃的发展。 小波分析方法是一种窗口大小固定,但形状可以改变,时间窗口和频率 窗口都可以改变的时频局域化的分析方法。适合对于时变信号和非平稳信号 进行处理分析。由于低频部分具有比较低的时间分辨率和比较高的频率分辨 率,在高频部分具有比较低的频率分辨率和比较高的时间分辨率,对信号的 自适应性强,被誉为数学显微镜。 由此可见,小波变换具有如下特点和作用【。 多分辨率.特点,可以从粗到细地逐渐观察信号。 选择合适的基本小波,使,,在时域上能够有限支撑,国在频域上第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 能够相对集中,小波变换就可以在时域和频域上都具有良好的表现信号局部 特征的能力,这样就有利于对信号的瞬态或者奇异点进行检测。 我们可以把小波变换看成在不同尺度下用基本频率特性为国的带 通滤波器对信号进行滤波。如果的傅里叶变换是沙国,由傅里叶变换的 尺度特性,得到二的傅里叶变换为吵口缈,因而这组滤波器具有恒定的 。。 口 品质因数,相对恒定的带宽带宽与中心频率之比等优点。 ..小波基的选择 由于小波函数的多样性特点,在工程应用中,小波分析与傅里叶变换相 比,最优小波基的选择是一个很重要的问题,这是因为对于相同的问题,采 用不相同的小波基分析会产生不相同的结果。目前判定小波基优劣的主要方 法是对用小波分析方法处理信号得到的结果与理论结果的误差来确定。 虽然根据的标准不一样,小波函数就会有不同的类型,但是一个重要的 经验是根据待分析信号和小波函数的相似性选取,而且要考虑小波的支撑长 度、对称性、消失矩、正则性和相似性。 波和波是比较常用的小波。小波分析中最早用的具有 紧支撑的正交小波函数,就是/、波,它是最简单的小波函数,对于 函数的可以使用如下定义: ?,?三 ?委?矧 其他 波虽然其结构简单,而且具有紧支撑、正则性和对称性等优点, 但其在时域上是不连续的,也不是广泛使用的小波基。 波简写为,是小波的阶数。除了,都没有明 确的表达式。,波具不但有正则性,还有阶消失矩,而且光滑度随的 增加而增加。但它的有效支撑长度等于?,并且不具有对称性除外。 在本文中结合风电变流器的输出电流特点,选用波作为小波基。 ..多分辨率分析 多分辨率是小波分析中的重要概念,它是从函数空间的高度研究函数, 将一个函数表示成为一个低频成分与不同分辨率下的高频成分。然而,多分 辨率能够为构造小波的提供统一的框架,并且能够为函数的分解与重构提供第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 快速算法。 基本思想:将空间足用它的子空间巧,形表示,其中巧,形分别称 为尺度空间和小波空间。小波空间形是巧,?,之间的差,表示为匕,形?, 它能够捕捉巧,逼近?时所丢失的信息。巧称为逼近空间,我们可以把平方可 积的函数?看成是某一逐级逼近的极限情况。每次逼近都是采用一 个低通平滑的函数钗对做平滑的结果,在逐级平滑时,低通平滑函数 以也做逐级逼近,这就是多分辨率,即采用不同的分辨率来逐级逼近待分 析的函数。 空间尺中的多分辨率分析是指中对于下列条件满足的一个空间 序列?/。 .一致单调性:?% 圪? .伸缩规贝性:厂??,。?%,? .平移不变性:/?%??%,? .渐进完全性:巧;巧尺 .正交基存在性,‘脊在妒?嘭使得妒一刀是的正交基,即 妒,刀?,妒一”妒万/。如果妒一刀是的正交 ;; 基,则伊,妒?是子空间巧的正交基。 .. 算法的信号分解过程 根据多分辨率理论,提出了关于小波分解与重构的快速算法,称 为 算法,其在小波分析中的重要作用等同于在傅立叶分析中的作 用。 它标志着小波分析在广阔的领域得到了应用。 在多分辨率分析中,我们得出一个重要结论:厂?掣’% 当时 ?。’‰。 由于 ? 《”鼻厂,仍。,,仍。 因为/与妒。。正交,所以厂,仍。,所以 《”?毫’‰。,,仍。,?纸。,仍。,游’ 、一 / ?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 其中 妒‘互一后渺一刀衍 ‰。,,仍。砩万 设兰三一七贝,, 去.畦砸小埘础 一女, 将代入?得 、 ‖?‖掣?‰:。,‖ 式 中的《”是离散平滑逼近,式? 的硪”是离散细节信号。 .. 算法的信号重建过程 由于匕,形巧 所以得到一,厂:?《川。?硪’’ 七 七 又由 ? 《川’一,/,,哆。 所以 砖。’?%。。一:。,《力?扛.磷力 七 ?~?,,,一后磷’ 青七仍。,‰。讲 ? 磷?‰:帅’ .风电变流器输出电流波形的小波变换 风电变流器的正常输出电流为三相正弦波,但是由第三章的故障仿真输 出波形可以看出,在故障的时候会出现很多的畸变信号和非周期信号,采用 傅里叶变换对此类问题已经不好解决,但是小波变换对奇异点却非常的敏感, 当信号发生突变时,通过小波变换分析后,该信号在一定的尺度范围内会突 变并出现峰值,而且还会显现出与噪声不同的特性。因此,通过对风电变流 器的输出电流信号进行小波分解,可以得到它的故障信息,从而达到提取其 故障特征的目的。从信号滤波的角度看,正交小波的分解过程就是通过一个 高通滤波器和一个低通滤波器对要分解的信号进行滤波,得到一组高频信号 与一组低频信号,并且对低频信号继续分解,持续分解一直到第 层,每次分西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 解后得到的高频信号和低频信号的长度都只有原来信号长度的 一半,两者的 长度相加等于原来信号的长度,看作是对信号在滤波后采取的隔 点采样,分 解产生的结果是原信号的任何信息既不损失,也不冗余【】。 利用软件,可以简单快速地实现小波变换运算,下面利用对 输出相电流采用波进行层分解,小波分解如图..所示。 故障时相电流小波分解圈 暑.号 % 名 ?????丽??万???名 .广.??????????????????? .厂??????????????????? 刁 。。’。。‘。。。。。。。。。。 ;卜。。一 也,??石??丽广?矿??苟??矗 ??畜??丽??百??蔚?矗 图.正常运行时相电流小波分解图 故?时相电藐小教分解图 篙 卫 . 兽甚 昌 . .??????.?????... . ; .. / 图. 断路故障时相电流小波分解图 故障时相电流小波分解图 旦 匾盈亚巫刁 。 广??????????????????????? %。?’?????州 ? 。咕??矿??布??百广??酊?嘣 “ ???????,????????????????????????????????? 名 。占??五广?方??荀???茹?吲 岫’???????.一 二二 髻 ; ’。’。“’???。?。?’?。?. :??????????????????一司???高????布??矿??而。 / 图. 断路故障时相电流小波分解图西南交通大学硕士研究生学 位论文 第页 ‘, 。 一, 、‘ 急电,、。一咄心。一、?啦? 曼 一、? 沁一\咿一一心:。“??:”心 ‘呼??萄???广??矿?弓。 ;器。二二蔓二二正三五二荭二五 号