开绕组无刷双馈发电机系统变流器故障诊断

施 隆，金 石，周党生，王金松



开绕组无刷双馈发电机系统变流器故障诊断

施 隆1，金 石1，周党生2，王金松3

（1. 沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870；2. 深圳市禾望电气股份有限公司，广东 深圳 518055；3. 中船重工电机科技股份有限公司，太原 030027）

功率开关器件开路是风力发电系统中的常见故障。本文对基于直接功率控制策略的开绕组无刷双馈发电机（OW-BDFG）系统中双两电平变流器功率开关器件的开路故障诊断方法进行研究。详细分析了双两电平变流器单相开路故障类型，以单个变流器单相故障、两个变流器均单相故障为例，将正常运行与故障后的控制绕组相电压进行对比分析，实现故障诊断和故障类型辨别。仿真结果验证了所提方法的有效性。

无刷双馈发电机；开绕组；变流器故障诊断；直接功率控制

0 前言

无刷双馈发电机因其无刷化结构，低维护成本，所需变流器容量小，以及高可靠性等优势在风力发电领域得到广泛关注[1-5]。在大型风力发电领域，如海上风力发电系统中，由于工作环境较为恶劣，因此系统的高可靠性成为安全可持续运行的前提。风力发电机组通常由发电机、控制器、变流器与一系列传感器构成，其中任何环节出现故障都会对系统产生影响：轻则影响风力发电系统性能，重则使全部系统瘫痪。因此这些环节的可靠性都应得到足够重视。

功率变换器是现代交流电机驱动系统中不可或缺的组成部分。由于功率变换器中的功率开关器件经常需要频繁开通或关断，且常受自身工作环境和系统能量流动的影响，因而功率变换器尤其是机侧逆变部分，常常成为系统中易发生故障的薄弱环节。许多具有检测和保护功能的电路包括过电压、过电流保护电路，驱动保护电路以及缓冲电路等已经集成在现代智能功率模块中，这在一定程度上保障了变流器的安全稳定运行。但海上风力发电环境复杂，诸多扰动都可造成功率开关器件保护电路的失效。因此，通过附加手段对功率开关器件进行故障诊断对提高系统可靠性具有重要意义。

功率开关器件的开路和短路故障诊断方法主要分为两大类：基于电压信号的故障诊断方法和基于电流信号的故障诊断方法。早期的功率器件故障诊断方法主要针对开环系统，主要包括电流矢量轨迹斜率法、电流矢量瞬时频率法[6]、平均电流Park矢量法[7]、归一化直流法[8,9]、负载电流分析法[10,11]、简单直流法[12]等。随着控制系统的发展及对系统高性能、高稳定性的需求，闭环系统在工业应用中的比重逐步增多，相应的功率开关器件故障诊断方法也逐步涌现[13,14-16]。

本文以开绕组无刷双馈磁阻风力发电机为控制对象，该发电机的控制绕组为开绕组结构，系统采用双两电平变流器馈电形式。详细分析双两电平变流器单相开路故障类型，以单个变流器单相故障、两个变流器均单相故障为例，对基于直接功率控制的开绕组无刷双馈发电机系统控制绕组机侧变流器功率开关器件的开路故障诊断方法进行研究。分析故障后控制绕组的相电压，实现功率器件的开路故障诊断和故障类型辨别。

1 OW-BDFG系统结构及数学模型

无刷双馈发电机定子上有两套极对数不同的绕组，通常将极对数较多的一套绕组直接连接电网，称作功率绕组；将极对数较少的一套绕组连接变流器，用于控制电机运行，称作控制绕组。所谓开绕组结构，是指将控制绕组中性点打开后形成三相独立绕组，其两端分别连接一个变流器。采用这种结构可以独立控制三相控制绕组的电压、电流，并增强系统的容错能力，开绕组无刷双馈发电机系统结构如图1所示。

图1 OW-BDFG系统结构示意图

无刷双馈发电机定子上的功率绕组与控制绕组需要通过转子来实现电磁耦合，磁阻式转子结构较为简单，转子可形成r个磁阻磁极，当功率绕组极对数为p、控制绕组极对数为c时，转子极数与功率绕组和控制绕组极对数之间满足以下关系：r=p+c。

由于无刷双馈发电机定子上有两套电压、电流频率不同的绕组，因此需建立两套角频率不同的旋转坐标系。旋转坐标系及电流、磁链矢量如图2所示。旋转坐标系的参考轴均为功率绕组A相绕组轴线（假设功率绕组A相绕组轴线与控制绕组a相绕组轴线重合），其中，将功率绕组转换到dpqp旋转坐标系下，其位置角为；将控制绕组转换到dcqc旋转坐标系下，其位置角为r-。为dpqp坐标系旋转角速度；ω-ω为dcqc坐标系旋转角速度。pc为控制绕组交链功率绕组磁链，为pc与c之间的夹角。p、c分别为功率绕组磁链和控制绕组磁链，p、c分别为功率绕组电流矢量和控制绕组电流矢量。

图2 旋转坐标系及电流、磁链矢量图

经推导，功率绕组和控制绕组在各自旋转坐标系下的磁链表达式分别为：

功率绕组和控制绕组在各自旋转坐标系下的电压方程分别为：

2 OW-BDFG的直接功率控制原理

本文中无刷双馈发电机的控制绕组采用开绕组结构，其两端各连接一个两电平变流器且为共母线连接方式，电路拓扑结构如图3所示。控制绕组电压由两个变流器功率开关器件的开关状态共同决定，控制绕组三相电压可以表示为：

机侧变流器1和机侧变流器2均有8种开关状态，因此双变流器共有64种开关状态。双变流器形成的控制绕组电压矢量如图4所示，其中零矢量10个，有效矢量54个，可形成19种不同的有效矢量和零矢量，它们分布在19个不同的位置。

图4 双两电平变流器合成电压空间矢量图

在忽略铜耗的情况下，可认为电磁功率与机械功率近似相等。因此无刷双馈发电机的电磁转矩以及与机械功率的关系可分别表示为：

式中，为pc与c之间的夹角，如图2所示。在并网情况下功率绕组直接连接电网，因此p大小近似为常数，改变式（5）中c的幅值以及即可改变电磁转矩以及输出功率。经研究发现，对于功率绕组有功功率的控制可通过改变来实现；对于功率绕组无功功率的控制可通过改变c的幅值来实现。结合图5可得如下结论：若c处于扇区内，则采用电压矢量+1或+2可增加功率绕组有功功率；采用电压矢量-1或-2可减小功率绕组有功功率；采用电压矢量+2、+3或-2可增加功率绕组无功功率；采用电压矢量、+1或-1可减小功率绕组无功功率。

图5 ypc与yc空间矢量图

3 机侧变流器功率开关器件的开路故障诊断

对于本文的开绕组无刷双馈发电机系统而言，不同位置的功率开关器件发生开路故障，对系统产生的影响也不同。故障诊断方法对系统结构以及所采用的控制策略具有很强的依赖性，因此，往往需对具体系统进行详细分析来获得合适的故障诊断方法。对于图3所示的开绕组拓扑结构，任一变流器可能出现的单相故障情况见表1。

表1 双两电平变流器单相故障类型

如果某变流器有两相桥臂均发生故障，那么该变流器只有两种开关状态，此时无法调制出BDFG运行所需的圆形磁链矢量。因此本文仅研究表1所示的单相故障下开绕组BDFG系统故障诊断及容错运行技术。本章分别以变流器1的a1相故障、变流器1的a1相与变流器2的a2相均故障以及变流器1的a1相与变流器2的b2相均故障三种情况为例，对基于直接功率控制的开绕组无刷双馈发电机系统变流器故障诊断技术进行研究。

由于本文中系统采用直接功率控制策略，开关器件故障会对变流器输出电压造成影响，进而影响发电机输出功率，功率的畸变反过来又影响电压矢量的选择，进而影响功率器件的开关状态与变流器输出电压，所以诸多适用于开环系统的故障诊断方法以及适用于某些特定控制策略下的故障诊断方法不再适用。因此本文直接测出控制绕组相电压波形，将故障后的控制绕组相电压与正常运行时相对比，找到故障信号特征，得出故障信息。

当变流器正常工作时，共母线连接方式使电路拓扑等同于三相全桥逆变电路，以控制绕组a相为例，其电路结构如图6所示，其工作原理与普通单相全桥逆变电路相同。控制绕组两端电压为两个桥臂中点电压之差，如公式（4）所示。将开绕组无刷双馈发电机系统中的变流器母线电压设置为80V，即d=80V。必须保证同相的上、下桥臂开关信号相反。当Sa1和Sa2’开通、Sa1’和Sa2关断时，a=80V；当Sa1和Sa2’关断，Sa1’和Sa2开通时，a=-80V。

图6 控制绕组a相电路拓扑结构

在Sa1两端各串联一个理想开关器件，并将Sa1与上下两个理想开关器件视为一个整体，在0.6s时将上下两个理想开关器件的开通信号置零来模拟Sa1的内部开路故障，将m、n两点之间电压作为Sa1的集射极间电压，如图7所示。

图7 Sa1开路故障示意图

图8所示为变流器1的Sa1开路故障前后控制绕组a相电压波形。从图8可以看出，故障发生后，控制绕组a相电压为20V或-80V。图9显示了变流器1的Sa1与变流器2的Sa2均开路故障前后控制绕组a相电压波形。从图9可以看出，故障发生后，控制绕组a相电压为20V或-20V。图10和图11分别绘出了变流器1的Sa1与变流器2的Sb2均开路故障前后控制绕组a相和b相电压波形。

图8 变流器1的Sa1开路故障前后控制绕组a相电压

图9 变流器1的Sa1与变流器2的Sa2均开路故障前后控制绕组a相电压

图10 变流器1的Sa1与变流器2的Sb2均开路故障前后控制绕组a相电压

从图8~11可知，无论是单个变流器单相开关器件故障、两个变流器同相开关器件均故障，还是两个变流器不同相开关器件均故障，与故障相桥臂相连的控制绕组电压均出现异常，不同故障类型下的控制绕组相电压具有不同的故障特征，具体情况见表2。

图11 变流器1的Sa1与变流器2的Sb2均开路故障前后控制绕组b相电压

表2 不同故障发生后的控制绕组相电压

由表2可知，通过检测出控制绕组相电压的异常值，即可实现故障诊断和故障类型辨别。上述三种故障类型的诊断方法分别如图12~14所示。对故障类型I而言，控制绕组相电压随时间连续变化，其异常值在20V上下波动，因此在检测异常值时需设定一定范围，本文在检测20V时设置的电压范围为0~40V，在检测-20V时设置的电压范围为-40~0V，在检测-80V时设置的电压范围为-100~-60V。

图12 故障类型I诊断方法流程图

图13 故障类型II诊断方法流程图

图14 故障类型III诊断方法流程图

故障类型辨别方法的仿真结果如图15~17所示。

图15 故障类型I诊断方法仿真结果

图16 故障类型II诊断方法仿真结果

图17 故障类型III诊断方法仿真结果

若发生某种故障，则相应的故障类型诊断结果为1，即若表2中故障类型I发生，则图12~14的故障诊断结果分别为1、0、0；若故障类型II发生，则图12~14的故障诊断结果分别为0、1、0；若故障类型III发生，则图12~14的故障诊断结果分别为0、0、1，因此故障诊断结果（1，0，0）、（0，1，0）、（0，0，1）分别代表了表2中所列的三种故障类型。

由上述故障诊断仿真结果可知，本文所提的故障诊断方法可分别在0.001s、0.01s、0.001s之内诊断出表2所列的三种故障，并识别出其类型，诊断时间较短，避免了二次故障的发生，提高了系统可靠性。

4 结论

本文详细分析了开绕组无刷双馈发电机采用的双两电平变流器拓扑结构，给出了双变流器馈电时的电压空间矢量分布，在此基础上分析了无刷双馈发电机的直接功率控制原理。详细分析了双两电平变流器的单相开路故障类型，以变流器1的a1相故障、变流器1的a1相与变流器2的a2相均故障以及变流器1的a1相与变流器2的b2相均故障为例，对基于直接功率控制的开绕组无刷双馈发电机系统变流器故障诊断技术进行研究，采用检测控制绕组相电压方法实现功率器件开路故障的诊断及故障类型的辨别。所提方法可提高系统可靠性，避免系统发生重大事故。

[1] S. Ademi, M. G. Jovanović, M. Hasan. Control of brushless doubly-fed reluctance genetators for wind energy conversion systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2015, 30(2): 596-604.

[2] S. Ademi, M. G. Jovanović. High-efficiency control of brushless doubly-fed machines for wind turbines and pump drives[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 81(5): 120-132.

[3] 程明, 韩鹏, 魏新迟. 无刷双馈风力发电机的设计、分析与控制[J]. 电工技术学报, 2016, 31(19):37-53.

[4] Fengge Zhang, Siyang Yu, Hao Wang, Yutao Wang, Dapeng Wang. Overview of research and development status of brushless doubly-fed machine system[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2016, 2(2):1-13.

[5] 张凤阁, 王凤翔, 徐隆亚. 磁阻和笼型转子无刷双馈电机的统一等效电路和转矩公式[J]. 中国电机工程学报, 1999(11):28-31.

[6] Peuget R, Courtine S, Rognon J P. Fault Detection and Isolation on a PWM Inverter by Knowledge-Based Model[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(6): 1318-1326.

[7] Mendes A M S, Cardoso A J M. Voltage Source Inverter Fault Diagnosis in Variable Speed AC Drives by the Average Current Park’s Vector Approach[C]//Proceedings of the IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 1999:704-706.

[8] Abramik S, Sleszynski W, Nieznanski J, et al. A diagnostic method for on-line fault detection and localization in VSI-fed AC drives[C]//Proceedings of the 10th European Conference on Power Electronics and Applications. 2003, 8:2-4.

[9] Rothenhagen K, Fuchs F W. Performance of Diagnosis Methods for IGBT Open Circuit Faults in Voltage Source Active Rectifiers[C]//Proceedings of the 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004:4348-4354.

[10] Sleszynski W, et al. Open-Transistor Fault Diagnostics in Voltage-Source Inverters by Analyzing the Load Currents[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(11):4681-4688.

[11] Sleszynski W, et al. Open-Transistor Fault Diagnostics in Voltage-Source Inverters by Analyzing the Load Currents[C]//Proceedings of the IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, 2007:70-73.

[12] Gilreath P, Singh B N. A New Centroid Based Fault Detection Method for 3-Phase Inverter-Fed Induction Motors[C]//Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2005: 2663-2669.

[13] Zhan H L, Zhu Z Q, Odavic M, et al. A novel zero-sequence model-based sensorless method for open-winding PMSM with common DC bus[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(11): 6777-6789.

[14] Jorge O. Estima, Antόnio J. Marques Cardoso. A New Algorithm for Real-Time Multiple Open-Circuit Fault Diagnosis in Voltage-Fed PWM Motor Drives by the Reference Current Errors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(8):3496-3505.

[15] Yan H, Xu Y, Zou J, et al. A Novel Open-Circuit Fault Diagnosis Method for Voltage Source Inverters with Single Current Sensor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, PP(99):1-1.

[16] Sobanski P, Orlowska-Kowalska T. Rotor-Flux-Based diagnosis method for igbt open-circuits faults in a field-oriented-control induction motor drive[C]// Power Electronics and Motion Control Conference. IEEE, 2016:1079-1084.

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-），沈阳工业大学电气工程学院在读硕士研究生，研究方向为特种电机及其控制技术，电力电子与电力传动。