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摘要：
针对双馈风电机组变流器可靠性较差，一旦变流器开关管发生故障，整个风电机组可能遭到严重损坏甚至导致停机的问题，提出一种基于状态观测器的双馈风电机组转子侧变流器开关管开路故障检测方法.根据双馈风电机组拓扑结构，结合其感应电机和变流器进行整体建模；构建状态观测器以实现对转子侧电流的在线估计并生成残差；将残差与设定的阈值比较，判断是否有故障发生.仿真结果证明该方法可行且有效.
关键词：
双馈风电机组； 故障检测； 状态观测器； 开关管开路故障； 变流器
中图分类号： TP277
文献标志码： B
收稿日期： 2015[KG*9〗04[KG*9〗15
基金项目：
国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2012AA051601）； 长沙市科技局计划（K130102111）
作者简介：
毛永梅（1991—），女，山西中阳人，硕士研究生，研究方向为双馈风电机组的故障诊断，（Email）[email protected]；
彭涛（1965—），女，湖南汉寿人，教授，博导，博士，研究方向为复杂系统、设备的故障诊断，（Email） [email protected]
0引言
随着风力发电产业投资的逐年增加，风能将成为未来能源开发中的重要项目，并且影响未来新能源发展的趋势.目前，双馈异步发电机以其调速范围宽、有功和无功功率可独立调节以及所需励磁变流器容量较小等优点占领大部分风电市场份额.与其他机械部件相比，变流器稳定性能较差，如果变流器存在故障而未引起足够重视，将导致双馈风力发电机无法正常工作，甚至造成整个风电系统的严重损坏.因此，实时监测双馈风电变流器的运行状态并及时检测故障，是提高双馈风电机组运行可靠性和产品寿命的关键.
变流器故障类型主要有功率开关管开路故障、功率开关管短路故障、无驱动信号故障和单相桥臂短路故障等，其中最常见的是功率管的开路和短路故障.功率管发生短路时容易造成过流而引发系统的保护动作，因此这种故障模式可以很快被检测出来.功率管发生开路故障时通常不会造成过流而引发系统保护，往往难以被及时检测出来，但是如果长时间在故障状态运行，会使系统部件产生不可逆的损坏，严重影响系统的运行性能和设备的使用寿命.因此，对双馈风电机组变流器开关管的开路故障检测至关重要.
常见的故障检测方法可分为3类：基于模型的方法、基于信号处理的方法和基于人工智能的方法.基于模型的方法利用对系统内部结构的深层认识，需要被诊断对象的精确数学模型.基于模型的方法又可分为观测器方法、等价空间方法和参数估计方法，其中应用最广的是观测器方法.部分学者通过建立双馈风电机组中感应电机的数学模型，采用基于观测器的方法对风电机组故障进行检测；也有学者通过建立三相变流器的数学模型，采用基于观测器的方法对三相变流器的开关管开路故障进行检测.迄今为止，结合双馈风电机组中的感应电机和变流器的整体模型，进行基于观测器方法的双馈风电变流器开路故障检测方面的研究还未见报道.
本文提出一种基于状态观测器的双馈风电变流器开关管开路故障检测方法.结合双馈风电机组中的感应电机和变流器进行整体建模，在此基础上构建状态观测器以实现对转子侧电流的在线估计生成残差；然后将残差与设定阈值比较，判断是否有故障发生；最后对变流器开关管故障检测的准确性和有效性进行仿真验证.
1双馈风电机组建模
双馈风电机组的拓扑结构见图1，主要由双馈感应电机DFIG，滤波电感，转子侧变流器，网侧变流器和中间直流电容等组成.双馈异步发电机定子直接连接电网，转子通过双PWM变换器与电网连接.当双馈发电机以额定转速运行时，转子功率通过转子回路上的变流器传输到电网上，定子功率可直接传输到电网上.图1中，us为定子侧电压，is为定子侧电流，ur为转子侧电压，ir为转子侧电流，if为网侧变流器三相电流，udc为中间直流电压.
4结束语
针对正常状态和转子侧变流器功率管开路故障
状态下双馈风电机组的运行状态进行分析，提出基于状态观测器的开关管开路故障检测方法.结合双馈风电机组中的感应电机和变流器建立整体的模型，在此基础上，利用观测器对转子侧变流器中电流大小进行估计，并与该路实际电流值进行比较，根据生成的残差大小判断是否有故障发生，并通过设定阈值消除功率管开关延时、测量噪声等影响.该方法原理简单，能快速准确地检测出转子侧变流器的开关管开路故障，并且不受闭环控制策略的影响，性能可靠且具有良好的适应性.
参考文献：
[1]
包耳. 风力发电技术的发展现状[J]. 可再生能源， 2004（2）： 5355.
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ZHOU Donghua， HU Yanyan. Fault diagnosis technique for dynamic systems[J]. Acta Automat Sinica， 2009， 35（6）： 748758.
[7]李辉， 赵猛， 赵斌， 等. 双馈风电机组关键传感器的故障诊断方法[J]. 中国电机工程学报， 2011， （6）： 7378.
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[10]OUYESSAAD H， CHAFOUK H， LEFEBVRE D. Doubly fed induction generator fault diagnosis using unknown input TakagiSugeno observer[C]//Proc 2013 Int Conf Control， Decision & Inform Technol（CoDIT）. Hammamet： IEEE， 2013： 530535.
[11]DING Xiangyu， POON J， CELANOVIC I， et al. Fault detection and isolation filters for threephase ACDC power electronics systems[J]. IEEE Trans Circuits & Sys I： Regular Papers， 2013， 60（4）： 10381051.
[12]王江， 胡龙根， 赵忠堂. 基于观测器的方法在三相逆变器故障诊断中的应用[J]. 电源技术应用， 2001， 4（6）： 264267.
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[13]LI X， SUN Y， SU M， et al. Coordinated control for unbalanced operation of standalone doubly fed induction generator[J]. Wind Energy， 2014， 17 （2）： 317336.
（编辑武晓英）
针对双馈风电机组变流器可靠性较差，一旦变流器开关管发生故障，整个风电机组可能遭到严重损坏甚至导致停机的问题，提出一种基于状态观测器的双馈风电机组转子侧变流器开关管开路故障检测方法.根据双馈风电机组拓扑结构，结合其感应电机和变流器进行整体建模；构建状态观测器以实现对转子侧电流的在线估计并生成残差；将残差与设定的阈值比较，判断是否有故障发生.仿真结果证明该方法可行且有效.
关键词：
双馈风电机组； 故障检测； 状态观测器； 开关管开路故障； 变流器
中图分类号： TP277
文献标志码： B
收稿日期： 2015[KG*9〗04[KG*9〗15
基金项目：
国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2012AA051601）； 长沙市科技局计划（K130102111）
作者简介：
毛永梅（1991—），女，山西中阳人，硕士研究生，研究方向为双馈风电机组的故障诊断，（Email）[email protected]；
彭涛（1965—），女，湖南汉寿人，教授，博导，博士，研究方向为复杂系统、设备的故障诊断，（Email） [email protected]
0引言
随着风力发电产业投资的逐年增加，风能将成为未来能源开发中的重要项目，并且影响未来新能源发展的趋势.目前，双馈异步发电机以其调速范围宽、有功和无功功率可独立调节以及所需励磁变流器容量较小等优点占领大部分风电市场份额.与其他机械部件相比，变流器稳定性能较差，如果变流器存在故障而未引起足够重视，将导致双馈风力发电机无法正常工作，甚至造成整个风电系统的严重损坏.因此，实时监测双馈风电变流器的运行状态并及时检测故障，是提高双馈风电机组运行可靠性和产品寿命的关键.
变流器故障类型主要有功率开关管开路故障、功率开关管短路故障、无驱动信号故障和单相桥臂短路故障等，其中最常见的是功率管的开路和短路故障.功率管发生短路时容易造成过流而引发系统的保护动作，因此这种故障模式可以很快被检测出来.功率管发生开路故障时通常不会造成过流而引发系统保护，往往难以被及时检测出来，但是如果长时间在故障状态运行，会使系统部件产生不可逆的损坏，严重影响系统的运行性能和设备的使用寿命.因此，对双馈风电机组变流器开关管的开路故障检测至关重要.
常见的故障检测方法可分为3类：基于模型的方法、基于信号处理的方法和基于人工智能的方法.基于模型的方法利用对系统内部结构的深层认识，需要被诊断对象的精确数学模型.基于模型的方法又可分为观测器方法、等价空间方法和参数估计方法，其中应用最广的是观测器方法.部分学者通过建立双馈风电机组中感应电机的数学模型，采用基于观测器的方法对风电机组故障进行检测；也有学者通过建立三相变流器的数学模型，采用基于观测器的方法对三相变流器的开关管开路故障进行检测.迄今为止，结合双馈风电机组中的感应电机和变流器的整体模型，进行基于观测器方法的双馈风电变流器开路故障检测方面的研究还未见报道.
本文提出一种基于状态观测器的双馈风电变流器开关管开路故障检测方法.结合双馈风电机组中的感应电机和变流器进行整体建模，在此基础上构建状态观测器以实现对转子侧电流的在线估计生成残差；然后将残差与设定阈值比较，判断是否有故障发生；最后对变流器开关管故障检测的准确性和有效性进行仿真验证.
1双馈风电机组建模
双馈风电机组的拓扑结构见图1，主要由双馈感应电机DFIG，滤波电感，转子侧变流器，网侧变流器和中间直流电容等组成.双馈异步发电机定子直接连接电网，转子通过双PWM变换器与电网连接.当双馈发电机以额定转速运行时，转子功率通过转子回路上的变流器传输到电网上，定子功率可直接传输到电网上.图1中，us为定子侧电压，is为定子侧电流，ur为转子侧电压，ir为转子侧电流，if为网侧变流器三相电流，udc为中间直流电压.
4结束语
针对正常状态和转子侧变流器功率管开路故障
状态下双馈风电机组的运行状态进行分析，提出基于状态观测器的开关管开路故障检测方法.结合双馈风电机组中的感应电机和变流器建立整体的模型，在此基础上，利用观测器对转子侧变流器中电流大小进行估计，并与该路实际电流值进行比较，根据生成的残差大小判断是否有故障发生，并通过设定阈值消除功率管开关延时、测量噪声等影响.该方法原理简单，能快速准确地检测出转子侧变流器的开关管开路故障，并且不受闭环控制策略的影响，性能可靠且具有良好的适应性.
参考文献：
[1]
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[6]周东华， 胡艳艳. 动态系统的故障诊断技术[J]. 自动化学报， 2009， 35（6）： 748758.
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[7]李辉， 赵猛， 赵斌， 等. 双馈风电机组关键传感器的故障诊断方法[J]. 中国电机工程学报， 2011， （6）： 7378.
LI Hui， ZHAO Meng， ZHAO Bin， et al. Fault diagnosis methods for key sensors of doubly fed wind turbine[J]. Proc CSEE， 2011， 31（6）：7378.
[8]BOULKROUNE B， GALVEZCARRILLO M， KINNAERT M. Combined signal and modelbased sensor fault diagnosis for a doubly fed induction generator[J]. IEEE Trans Contr Sys Technol， 2013， 21（5）： 17711783.
[9]LU Q， BREIKIN T. Observer based fault detection for stator interturn short circuit in wind turbine DFIGs[C]//Proc 2010 Int Conf Modelling， Identification & Control （ICMIC）. Okayama： IEEE， 2010： 483488.
[10]OUYESSAAD H， CHAFOUK H， LEFEBVRE D. Doubly fed induction generator fault diagnosis using unknown input TakagiSugeno observer[C]//Proc 2013 Int Conf Control， Decision & Inform Technol（CoDIT）. Hammamet： IEEE， 2013： 530535.
[11]DING Xiangyu， POON J， CELANOVIC I， et al. Fault detection and isolation filters for threephase ACDC power electronics systems[J]. IEEE Trans Circuits & Sys I： Regular Papers， 2013， 60（4）： 10381051.
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WANG Jiang， HU Longgen， ZHAO Zhongtang. An application of observerbased method to fault diagnosis for three phase inverter[J]. Power Supply Technologies & Applications， 2001， 4（6）：264267.
[13]LI X， SUN Y， SU M， et al. Coordinated control for unbalanced operation of standalone doubly fed induction generator[J]. Wind Energy， 2014， 17 （2）： 317336.
（编辑武晓英）