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隨著化石資源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源受到全世界的重視，因此，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于取消了沉重的增速齒輪箱，具有高效率、低噪聲、長壽命、機(jī)組體積小、運行維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點，獲得了越來越多的關(guān)注。

在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，采用由電力電子器件構(gòu)成的雙脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）變流器實現(xiàn)全功率并網(wǎng)。然而由于工作環(huán)境大多比較惡劣，風(fēng)電機(jī)組的安全運行遭受了嚴(yán)重的威脅。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，風(fēng)電機(jī)組中的變流器故障率最高，其主要故障是功率器件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的開路故障。因此，IGBT開路故障診斷是風(fēng)電變流器系統(tǒng)實現(xiàn)可靠運行的前提，研究風(fēng)電變流器的功率管開路故障診斷對風(fēng)電系統(tǒng)安全運行至關(guān)重要。

目前，變流器開路的故障診斷方法從檢測變量上主要分為基于電壓量的診斷方法和基于電流量的診斷方法。

基于電壓量的故障診斷方法是利用變流器輸出的電壓波形或結(jié)合變流器機(jī)理來進(jìn)行故障檢測和定位，其診斷時間相對短、可靠性較高，但依賴于模型的準(zhǔn)確度，需要額外的硬件，實現(xiàn)難度較高，且閾值關(guān)聯(lián)性較低。

基于電流的診斷方法是利用相電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換、信號處理或模式識別等技術(shù)進(jìn)行故障檢測和故障定位，由于無需附加額外的硬件，容易實現(xiàn)，已成為目前最廣泛使用的變流器故障診斷方法。但是相關(guān)文獻(xiàn)研究所提出的故障診斷方法直接利用歸一化相電流構(gòu)造故障檢測變量，故障特征易受干擾，且算法復(fù)雜度較高。

此外，目前這些方法大多針對逆變器的開路故障診斷，而風(fēng)電變流器包括機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器，機(jī)側(cè)整流器的開路故障特性與網(wǎng)側(cè)逆變器的開路故障特性相比，故障特性不明顯，故障診斷難度更大，使得現(xiàn)有的逆變器故障診斷方法難以同時適用于機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器。

因此，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院、輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室的研究人員根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)電變流器開路故障診斷方法的不足之處，提出了一種基于相電流瞬時頻率估計的開路故障診斷方法。

圖1 實驗平臺

首先為了實現(xiàn)相電流瞬時頻率的在線平滑估計，研究人員提出一種基于加權(quán)滑動Hilbert變換的估計方法以消除端點效應(yīng)。其次利用歸一化的相電流瞬時頻率殘差來構(gòu)造新的檢測變量檢測故障的發(fā)生。然后提出基于改進(jìn)相電流均值法的多功率管開路故障定位方法實現(xiàn)故障功率管的定位。此外，他們還提出檢測變量和定位變量的在線快速更新算法，降低計算量。該方法避免額外的附加硬件，故障特征更為顯著，且無需使用Park矢量變換和大量故障樣本。

該故障診斷算法有如下優(yōu)點：

①提出新的故障檢測方法：利用變流器相電流的瞬時頻率來構(gòu)造故障檢測變量，故障特征更為顯著，無需使用Park矢量變換和增加額外硬件配置，且歸一化的檢測變量，簡化了檢測閾值的設(shè)置，避免了智能算法對大量訓(xùn)練樣本的需求；

②提出基于改進(jìn)相電流均值法的多功率管開路故障定位方法：能夠同時實現(xiàn)機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器各21種故障定位，提出的定位變量在線快速更新算法，減少了計算量；

③提出新的瞬時頻率估計算法：利用加權(quán)滑動Hilbert變換能夠消除“端點”效應(yīng)，實現(xiàn)相電流瞬時頻率的在線平滑估計，故障特征更為精細(xì)。實驗結(jié)果驗證了該故障診斷算法的有效性和魯棒性。

本文編自2022年第2期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于相電流瞬時頻率估計的永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器開路故障診斷”，作者為許水清、陶松兵 等。