海上直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)非對稱故障主動識別方法

湯哲

（中國船級社質(zhì)量認(rèn)證有限公司，北京 100006）

海上風(fēng)電的能源利用效率高于陸地風(fēng)電，海上風(fēng)電系統(tǒng)具有資源狀況穩(wěn)定、接近負(fù)載中心、高發(fā)電量、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。然而，受到海洋氣候等諸多不確定因素的影響，其運(yùn)行與維護(hù)環(huán)境更為復(fù)雜。近年來，眾多學(xué)者針對海上直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)的故障識別進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]提出基于儲能和序分量控制的風(fēng)電系統(tǒng)非對稱故障檢測方法，在傳統(tǒng)故障檢測約束條件中結(jié)合非對稱故障下的電壓跌落程度，平衡母線有功功率，完成故障檢測。文獻(xiàn)[2]提出基于變流器容錯特性的風(fēng)電系統(tǒng)故障檢測方法，采用容錯控制算法提取故障的負(fù)序特征，將負(fù)序特征輸入到徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中完成故障檢測。上述兩種方法雖然能夠完成風(fēng)電系統(tǒng)的故障檢測，但是由于風(fēng)電系統(tǒng)中設(shè)備多、管理復(fù)雜，如果不進(jìn)行基頻信號的去除，則會降低故障檢測的精度。為此提出海上直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)非對稱故障主動識別方法。

1 風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，變流器輸出功率與直流輸入功率大小一致，線路有功功率為0[3]，線路兩端電壓不變；當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行時，線路兩端電壓會出現(xiàn)非對稱跌落，此時變流器直流輸出功率減小，而風(fēng)機(jī)輸出功率保持不變，多出的功率則被支撐電容吸收，導(dǎo)致線路兩端電壓升高[4-5]。多出功率的計(jì)算公式為：

式中，P1、P2分別表示變流器輸出功率和風(fēng)機(jī)輸出功率；C1-2、U1-2分別表示1-2 線路段的電容與電壓。

由于直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種三相同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)電壓非均勻性的降低只會導(dǎo)致正序電壓分量振幅的降低，從而導(dǎo)致負(fù)序電壓、電流分量和零序分量的出現(xiàn)[6-8]。將其寫入矢量，并將其轉(zhuǎn)換成正序的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可以得到：

2 非對稱故障主動識別

2.1 信號基頻消除處理

由于故障電流中諧波頻率對應(yīng)的波動幅值比電流基波幅值要小，所以直接對電流分析很難確定故障特征頻率，因此，采用主動學(xué)習(xí)方法消除信號基頻。

如果在連續(xù)時間內(nèi)存在故障信號I(t)，那么主動學(xué)習(xí)方式是對I(t)進(jìn)行卷積變換，變換過程可以描述為：

式中，?(t)表示信號幅值包絡(luò)；θ表示瞬時相位。式（5）中兩項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式為：

根據(jù)信號解析結(jié)果，可獲取調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)解調(diào)，消除原始信號中的基頻。

2.2 非對稱故障主動識別過程

根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析結(jié)果與基頻消除結(jié)果，設(shè)計(jì)非對稱故障主動識別流程，如下所示：

步驟1：監(jiān)測風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分類、比對、分析[11]。在分類問題中，采用對數(shù)似然函數(shù)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，如下：

式中，n表示數(shù)據(jù)總量；fi(x)表示主動學(xué)習(xí)輸出[12]。采用逆向擴(kuò)散法調(diào)整主動學(xué)習(xí)參數(shù)，逆向擴(kuò)散法中參數(shù)梯度的計(jì)算公式為：

式中，λk表示第k次學(xué)習(xí)更新的系數(shù)；r(x)表示偏導(dǎo)函數(shù)[13]。k次學(xué)習(xí)更新后的梯度平均值為：

式中，φ表示梯度衰減系數(shù)；t表示更新時間。

步驟2：判斷是否存在故障、預(yù)警狀態(tài)，如果有，則進(jìn)行下一步，如果沒有，則繼續(xù)監(jiān)測[14]。

步驟3：采用電壓幅度和時間寬度雙重標(biāo)準(zhǔn)的主動辨識方法，以改善故障識別可靠性。

對輸入的線電壓誤差進(jìn)行分析，得到的邏輯變量為：

式中，vt表示線電壓誤差閾值。如果α=0，說明風(fēng)電系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；如果α=1 或α=-1，說明風(fēng)電系統(tǒng)中存在線電壓誤差，存在非對稱故障[15-16]。非對稱故障會導(dǎo)致兩個線電壓同時發(fā)生大幅度變化，因此可以采用電壓幅值和時間寬度雙重標(biāo)準(zhǔn)的主動識別方法進(jìn)行誤差檢測：

式中，αA、αB、αC分別表示A、B、C 相邏輯變量，如果E≥1，說明風(fēng)電系統(tǒng)可能存在線電壓誤差；如果E＜1，則說明風(fēng)電系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。為了避免出現(xiàn)誤判，設(shè)定了時間寬度標(biāo)準(zhǔn)，定義的故障檢測時間為：

式中，η表示時間因子；Te表示信號采集周期。結(jié)合上述兩個公式，可構(gòu)建風(fēng)電系統(tǒng)非對稱故障的主動識別表達(dá)式，如下：

式中，te表示誤差計(jì)時時間長度。

步驟4：確認(rèn)發(fā)生的錯誤，并呼叫對應(yīng)錯誤處理模塊來處理。

步驟5：完成非對稱故障的主動識別。

3 實(shí) 驗(yàn)

選用背對背PWM 變換器結(jié)構(gòu)的海上直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)作為研究對象，背對背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠使電能雙向流動，將交流電的頻率和振幅轉(zhuǎn)換成電能，可以滿足實(shí)驗(yàn)測試的要求。

3.1 故障數(shù)據(jù)

當(dāng)海上直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行至0.6 s 時，變流器突然故障，流經(jīng)變流器的三相電流、直流分量以及諧波畸變程度如圖1 所示。

圖1 變流器實(shí)際故障數(shù)據(jù)分析

以圖1 所示的實(shí)際故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，展開實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法和所提出的非對稱故障主動識別方法得到的檢測數(shù)據(jù)如圖2、3、4 所示。

圖2 三相電流故障數(shù)據(jù)分析

由圖2 可知，文獻(xiàn)[1]方法只發(fā)現(xiàn)了C 相故障問題，未發(fā)現(xiàn)A 相、B 相故障問題；文獻(xiàn)[2]發(fā)現(xiàn)B 相、C相故障問題，未發(fā)現(xiàn)A 相故障問題；使用非對稱故障主動識別方法能夠發(fā)現(xiàn)A 相、B 相、C 相的故障問題。

由圖3 可知，文獻(xiàn)[1]方法下A、B、C 三相直流分量由0 A降到-0.65 A、由0 A降到-1.00 A、由0 A 升到0.5 A，與實(shí)際值變化范圍不一致；文獻(xiàn)[2]方法下C 相直流分量變化范圍與實(shí)際值基本一致，A、B兩相直流分量分別由0 A 降到-0.35 A、由0 A 降到-0.75 A，與實(shí)際值變化范圍不一致；使用非對稱故障主動識別方法A 相與C 相直流分量變化幅度與實(shí)際值一致，B 相直流分量由0 A 降到-0.50 A，與實(shí)際數(shù)據(jù)僅存在0.05 A 的誤差。

圖3 直流分量故障數(shù)據(jù)分析

由圖4 可知，使用非對稱故障主動識別方法A相與C 相諧波畸變程度與實(shí)際值一致，B 相諧波畸變程度與實(shí)際值存在0.05 的誤差；使用其余兩種方法諧波畸變程度均與實(shí)際值不一致。

圖4 諧波畸變程度數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)束語

為了提高海上風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提出了海上直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)非對稱故障主動識別方法。該方法根據(jù)非對稱故障下系統(tǒng)運(yùn)行特性，通過時間寬度雙重標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)故障主動識別。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所研究方法應(yīng)用的有效性，為風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的可靠性應(yīng)用提供了技術(shù)支持。