基于自适应卡尔曼滤波器的风电变流器故障诊断
发布时间：2021-04-16 12:29
风电产业的迅猛发展,对风力发电系统中各组成部件装置的可靠性和稳定性提出了更高的要求。由于永磁直驱式风力发电系统省去了升速齿轮箱,有效地提高了风电系统的可靠性与安全性,降低了维护成本,已成为如今风力发电技术的重要模式。而作为电网与电机接口的变流器既是风电系统的核心部件,也是最脆弱的环节。在恶劣的环境、温度变化和交变电磁的干扰等因素的影响下,由于其稳定性较差,组件和模块容易发生故障。因此,永磁直驱式风力发电系统的变流器状态监测与故障诊断具有重要意义。本文围绕变流器绝缘栅双极性晶体管（IGBT）开路故障诊断方法展开研究,主要进行了以下几方面的工作:（1）在永磁直驱风力发电系统变流器的基础上,深入讨论IGBT开路故障对永磁同步电机定子及变流器电流的影响,设计基于各相电流的故障诊断框架。（2）本文所采用的故障诊断方法的基础在于对dq坐标系中电流的准确获取,从而准确获取abc三相电流。因此,以机侧变流器故障为出发点,根据永磁同步电机的数学模型设计龙伯格观测器。搭建永磁直驱风力发电系统模型模拟各故障类型,验证算法的可行性。（3）由于龙伯格观测器在风的随机性、负荷变化以及其他随机过程等干扰工况下,其观...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
016~2021年风力发电装机预测
① 半导体故障如图 1.2（a）所示，风电变流器故障有 34％源于半导体和焊接故障，26％源于印刷电路板故障[6]。而文献[7]中的研究表明风电变流器故障约 38％是由电力电子引起和 53％控制电路导致的，如图 1.2（b）所示。由于门控制电路中的故障通常导致开关断路故障，因此将导致很大比例的功率开关故障。根据制造商提供的用户手册可知，风力发电系统中的变流器采用的主要功率半导体包括丝焊的 IGBT模块，压装 IGBT 模块和 IGCT 模块[8]。对于功率半导体故障而言，最为常见的是由绝缘栅双极型晶体管引发。其故障类型可分为磨损故障、短路故障和开路故障。开路和短路故障会对变流器系统造成不可挽回的和不可逆的损坏，虽然 IGBT 短路故障，会导致过电流并且使得驱动系统立即被关闭。但现已可以通过驱动模块集成的保护电路实现监控，且 IGBT 可以在 10μs 内处理短路电流。然而，开路并不会立即导致系统关机，并且可能在很长一段时间内未被发现，这可能会导致正常的开关过载，进而导致变频器或其他驱动组件发生潜在的次级故障，以及导致波纹输出。因此，开路成为 IGBT 故障的研究热点。
PWM 变流器的基础上进行研究的，在提出故障诊断方法之前，对其变流器的故障进行分析。本文采用永磁直驱风电系统如图2.1所示，机侧变流器与网侧变流器背靠背连接。每个变流器包括6个带有反向并联续流二极管的IGBT。直流链路执行两个变流器之间的解耦，并为两者提供单独的控制。图2.1 永磁直驱式风力发电系统结构图Fig.2.1 Diagram of Permanent magnet direct-drive wind power system在图2.1中，风机将风能转化为机械能，带动永磁同步发电机转动，将机械能转化成频率变化的交流电，然后通过机侧变流器整流为直流电，并由网侧变流器逆变为频率恒定的交流电，最后经由变压器送入电网，实现变速恒频[39]。两个变流器通过相对独立的控制系统完成各自的功能。机侧变流器的主要功能是调节电机转速、转矩或功率，从而实现对风能的最优捕获；网侧变流器的主要功能是实现机侧能量传递，保持直流母线电压稳定，控制动态
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于极大似然估计的新息自适应滤波算法[J]. 张玉龙,王茁,杨巍. 传感器与微系统. 2018(01)
[2]变流器故障特征提取与维数约简方法研究[J]. 梁金平,董唯光,毛向德. 计算机工程. 2015(12)
[3]基于状态观测器的双馈风电机组变流器开关管开路故障检测[J]. 毛永梅,彭涛,韩华,赵帅,李哲君. 计算机辅助工程. 2015(03)
[4]变流器故障诊断技术综述[J]. 王智弘,李东辉. 大功率变流技术. 2014(05)
[5]变流器开路故障下永磁直驱风电系统运行分析[J]. 黄科元,刘静佳,黄守道,廖武,易韵岚. 电力系统自动化. 2014(14)
[6]卡尔曼滤波理论在电力系统中的应用综述[J]. 李江,王义伟,魏超,张鹏. 电力系统保护与控制. 2014(06)
[7]基于Sage-Husa的线性自适应平方根卡尔曼滤波算法[J]. 周勇,张玉峰,张超,张举中. 西北工业大学学报. 2013(01)
[8]基于小波神经网络的风电变流器故障诊断系统[J]. 褚召伟,李春茂,何登,严肃. 电气技术. 2012(09)
[9]改进强跟踪滤波算法及其在汽车状态估计中的应用[J]. 周聪,肖建. 自动化学报. 2012(09)
[10]基于新息协方差的自适应渐消卡尔曼滤波器[J]. 徐定杰,贺瑞,沈锋,盖猛. 系统工程与电子技术. 2011(12)
博士论文
[1]基于卡尔曼滤波算法的感应电机无传感器直接转矩控制技术研究[D]. 张金良.华南理工大学 2016
硕士论文
[1]基于自适应强跟踪滤波器的电网基波频率跟踪研究[D]. 杨梦臣.哈尔滨理工大学 2016
[2]基于状态观测器的LCL型三相PWM整流器控制系统研究[D]. 钟瑞龙.华中科技大学 2015
[3]基于忆阻神经网络的风电变流器故障诊断[D]. 王训.天津理工大学 2015
[4]基于先验模型的流量矩阵估计新方法研究[D]. 龙利雄.电子科技大学 2013
[5]基于知识库的变流器故障诊断研究[D]. 陈昭宇.上海交通大学 2013
[6]风电变流器监测系统开发与故障诊断研究[D]. 郭抒.东华大学 2013
[7]风电变流器主电路故障诊断监测系统研究[D]. 褚召伟.西南交通大学 2012
[8]基于Matlab/Simulink的直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真[D]. 常波.南京理工大学 2012
[9]3MW风电系统变流器装置的故障诊断[D]. 肖竹.沈阳工业大学 2011
[10]双馈风电变流器的控制与开路故障诊断研究[D]. 荣先亮.重庆大学 2010
本文编号：3141429
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
016~2021年风力发电装机预测
① 半导体故障如图 1.2（a）所示，风电变流器故障有 34％源于半导体和焊接故障，26％源于印刷电路板故障[6]。而文献[7]中的研究表明风电变流器故障约 38％是由电力电子引起和 53％控制电路导致的，如图 1.2（b）所示。由于门控制电路中的故障通常导致开关断路故障，因此将导致很大比例的功率开关故障。根据制造商提供的用户手册可知，风力发电系统中的变流器采用的主要功率半导体包括丝焊的 IGBT模块，压装 IGBT 模块和 IGCT 模块[8]。对于功率半导体故障而言，最为常见的是由绝缘栅双极型晶体管引发。其故障类型可分为磨损故障、短路故障和开路故障。开路和短路故障会对变流器系统造成不可挽回的和不可逆的损坏，虽然 IGBT 短路故障，会导致过电流并且使得驱动系统立即被关闭。但现已可以通过驱动模块集成的保护电路实现监控，且 IGBT 可以在 10μs 内处理短路电流。然而，开路并不会立即导致系统关机，并且可能在很长一段时间内未被发现，这可能会导致正常的开关过载，进而导致变频器或其他驱动组件发生潜在的次级故障，以及导致波纹输出。因此，开路成为 IGBT 故障的研究热点。
PWM 变流器的基础上进行研究的，在提出故障诊断方法之前，对其变流器的故障进行分析。本文采用永磁直驱风电系统如图2.1所示，机侧变流器与网侧变流器背靠背连接。每个变流器包括6个带有反向并联续流二极管的IGBT。直流链路执行两个变流器之间的解耦，并为两者提供单独的控制。图2.1 永磁直驱式风力发电系统结构图Fig.2.1 Diagram of Permanent magnet direct-drive wind power system在图2.1中，风机将风能转化为机械能，带动永磁同步发电机转动，将机械能转化成频率变化的交流电，然后通过机侧变流器整流为直流电，并由网侧变流器逆变为频率恒定的交流电，最后经由变压器送入电网，实现变速恒频[39]。两个变流器通过相对独立的控制系统完成各自的功能。机侧变流器的主要功能是调节电机转速、转矩或功率，从而实现对风能的最优捕获；网侧变流器的主要功能是实现机侧能量传递，保持直流母线电压稳定，控制动态
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于极大似然估计的新息自适应滤波算法[J]. 张玉龙,王茁,杨巍. 传感器与微系统. 2018(01)
[2]变流器故障特征提取与维数约简方法研究[J]. 梁金平,董唯光,毛向德. 计算机工程. 2015(12)
[3]基于状态观测器的双馈风电机组变流器开关管开路故障检测[J]. 毛永梅,彭涛,韩华,赵帅,李哲君. 计算机辅助工程. 2015(03)
[4]变流器故障诊断技术综述[J]. 王智弘,李东辉. 大功率变流技术. 2014(05)
[5]变流器开路故障下永磁直驱风电系统运行分析[J]. 黄科元,刘静佳,黄守道,廖武,易韵岚. 电力系统自动化. 2014(14)
[6]卡尔曼滤波理论在电力系统中的应用综述[J]. 李江,王义伟,魏超,张鹏. 电力系统保护与控制. 2014(06)
[7]基于Sage-Husa的线性自适应平方根卡尔曼滤波算法[J]. 周勇,张玉峰,张超,张举中. 西北工业大学学报. 2013(01)
[8]基于小波神经网络的风电变流器故障诊断系统[J]. 褚召伟,李春茂,何登,严肃. 电气技术. 2012(09)
[9]改进强跟踪滤波算法及其在汽车状态估计中的应用[J]. 周聪,肖建. 自动化学报. 2012(09)
[10]基于新息协方差的自适应渐消卡尔曼滤波器[J]. 徐定杰,贺瑞,沈锋,盖猛. 系统工程与电子技术. 2011(12)
博士论文
[1]基于卡尔曼滤波算法的感应电机无传感器直接转矩控制技术研究[D]. 张金良.华南理工大学 2016
硕士论文
[1]基于自适应强跟踪滤波器的电网基波频率跟踪研究[D]. 杨梦臣.哈尔滨理工大学 2016
[2]基于状态观测器的LCL型三相PWM整流器控制系统研究[D]. 钟瑞龙.华中科技大学 2015
[3]基于忆阻神经网络的风电变流器故障诊断[D]. 王训.天津理工大学 2015
[4]基于先验模型的流量矩阵估计新方法研究[D]. 龙利雄.电子科技大学 2013
[5]基于知识库的变流器故障诊断研究[D]. 陈昭宇.上海交通大学 2013
[6]风电变流器监测系统开发与故障诊断研究[D]. 郭抒.东华大学 2013
[7]风电变流器主电路故障诊断监测系统研究[D]. 褚召伟.西南交通大学 2012
[8]基于Matlab/Simulink的直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真[D]. 常波.南京理工大学 2012
[9]3MW风电系统变流器装置的故障诊断[D]. 肖竹.沈阳工业大学 2011
[10]双馈风电变流器的控制与开路故障诊断研究[D]. 荣先亮.重庆大学 2010
本文编号：3141429
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