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隨著化石資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)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(zhǎng)壽命、機(jī)組體積小、運(yùn)行維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，獲得了越來(lái)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(shí)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(yùn)行遭受了嚴(yán)重的威脅。

統(tǒng)計(jì)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(kāi)路故障。因此，IGBT開(kāi)路故障診斷是風(fēng)電變流器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行的前提，研究風(fēng)電變流器的功率管開(kāi)路故障診斷對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前，變流器開(kāi)路的故障診斷方法從檢測(cè)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(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，其診斷時(shí)間相對(duì)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(shí)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(guò)坐標(biāo)變換、信號(hào)處理或模式識(shí)別等技術(shù)進(jìn)行故障檢測(cè)和故障定位，由于無(wú)需附加額外的硬件，容易實(shí)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(cè)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(duì)逆變器的開(kāi)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(kāi)路故障特性與網(wǎng)側(cè)逆變器的開(kāi)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(shí)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(dòng)化工程學(xué)院、輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)電變流器開(kāi)路故障診斷方法的不足之處，提出了一種基于相電流瞬時(shí)頻率估計(jì)的開(kāi)路故障診斷方法。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先為了實(shí)現(xiàn)相電流瞬時(shí)頻率的在線平滑估計(jì)，研究人員提出一種基于加權(quán)滑動(dòng)Hilbert變換的估計(jì)方法以消除端點(diǎn)效應(yīng)。其次利用歸一化的相電流瞬時(shí)頻率殘差來(lái)構(gòu)造新的檢測(cè)變量檢測(cè)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(kāi)路故障定位方法實(shí)現(xiàn)故障功率管的定位。此外，他們還提出檢測(cè)變量和定位變量的在線快速更新算法，降低計(jì)算量。該方法避免額外的附加硬件，故障特征更為顯著，且無(wú)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(diǎn)：

①提出新的故障檢測(cè)方法：利用變流器相電流的瞬時(shí)頻率來(lái)構(gòu)造故障檢測(cè)變量，故障特征更為顯著，無(wú)需使用Park矢量變換和增加額外硬件配置，且歸一化的檢測(cè)變量，簡(jiǎn)化了檢測(cè)閾值的設(shè)置，避免了智能算法對(duì)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(kāi)路故障定位方法：能夠同時(shí)實(shí)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(jì)算量；

③提出新的瞬時(shí)頻率估計(jì)算法：利用加權(quán)滑動(dòng)Hilbert變換能夠消除“端點(diǎn)”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相電流瞬時(shí)頻率的在線平滑估計(jì)，故障特征更為精細(xì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(bào)》，論文標(biāo)題為“基于相電流瞬時(shí)頻率估計(jì)的永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器開(kāi)路故障診斷”，作者為許水清、陶松兵 等。