风电系统中机侧整流器故障仿真与特性分析

Fault Simulation and Characteristic Analysis of Machine-Side Rectifier in Wind Power System

摘要: 本文以风力发电控制系统中变流器开关管为研究对象，对其开路故障进行特性分析。首先对风电系统中机侧整流器进行数学建模分析，并介绍了主要控制策略；然后以此为基础建立了直驱式永磁风力发电系统机侧变流器MATLAB仿真模型；分析了整流器功率开关管开路故障的作用原理；最后分别模拟了单管和双管在不同桥臂上的开路故障，并分析了各类型开路故障对系统关键参数的影响。分析结果表明风力发电系统中变流器开路故障对系统影响较大，必须采取一定的措施进行防止。

Abstract: This article takes the switching device of the inverter in the wind power control system as the re-search object and conducts characteristic analysis on its open-circuit fault. Firstly, the mathematical modeling and analysis of the machine-side rectifier in the wind power system are carried out, and the main control strategies are introduced. Then, based on this, a direct-drive permanent magnet wind power generation system machine -side inverter MATLAB simulation model is established. The principle of the open-circuit fault of the power switch of the rectifier is analyzed. Finally, the open-circuit faults of single and double switches on different bridge arms are simulated respective-ly, and the influence of each type of open-circuit fault on the key parameters of the system is ana-lyzed. The analysis results show that the open-circuit fault of the inverter in the wind power gener-ation system has a significant impact on the system and certain measures must be taken to prevent it.

1. 引言

长期以来，化石能源的使用导致环境污染和能源安全问题日益严重。相比之下，风能作为一种清洁的可再生能源，具有广阔的商业化前景 [1] [2] 。永磁直驱型风力发电机组使用电力电子全功率变流器进行电能传输，在实际运行中，变流器系统往往是最容易出现故障的部分，尤其是整流模块和逆变模块中的IGBT元件出现故障的频率最高，故障后的运行特性直接影响着系统的稳定运行和电网安全。

针对变流器故障问题，国内外学者做了大量研究。文献 [3] 以变流器单管故障为研究对象，初步分析了电流运行特性，并得到电流曲线，验证了单管故障时变流器对系统运行特性的影响。文献 [4] 提出定子电流分析法，并通过建立混合逻辑动态健康模型，分析了变流器开路故障时定子电流的动态变化特性。文献 [5] 利用逆变器开路时电流有效值与瞬时值变化特性用以判断逆变器单双管开路故障的定位。文献 [6] 首先分析了变流器开路故障后的系统运行特性，提出基于电流信号与总谐波畸变率分层针对方法，最后运用BP神经网络对故障分离。

本文主要对风力发电控制系统中的整流器进行了建模，并对功率开关管开路故障的作用原理进行了深入分析。通过在MATLAB软件中对PWM整流器的多种典型故障进行仿真，并对其特性进行分析。研究结果将为之后的故障诊断和容错控制研究提供基础和参考。

2. 风力发电控制系统建模

当前，永磁直驱同步发电机因其独特的优点已成为风力发电领域最具前景的发电机型之一。相较于传统的双馈风电系统，它避免了齿轮传动机构所带来的高故障率以及强噪声的缺陷，同时也提高了发电效率。永磁直驱风力发电系统主要由风轮机、永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator，简称PMSG)、变流器以及控制系统组成 [7] 。下图1是典型的直驱式风电系统结构图。

Figure 1. Structure diagram of permanent magnet direct-drive wind power generation system

图1. 永磁直驱风力发电系统结构图

2.1. 机侧变流器拓扑结构及数学模型

在直驱风力发电系统中与永磁同步发电机定子相连的PWM变换器以整流状态工作(称为整流器)，连接电网的PWM变换器以逆变状态工作(称为逆变器)。虽然整流器与逆变器在结构上一样，但在工作状态上却有所不同。下图2是机侧三相桥式PWM整流器拓扑结构图。

Figure 2. Three-phase bridge PWM rectifier topology structure

图2. 三相桥式PWM整流器拓扑结构

在进行分析之前，需要对变流器进行一些假设：发电机的三相电动势为三相平衡的正弦波；三相绕组完全对称；电路中所有IGBT器件被视为理想的功率器件，通断状态可以用开关函数描述 [8] 。

结合图2根据电路原理的基尔霍夫电压定律，可以得到三相电压的回路方程：

$\{\begin{array}{l}{u}_a=-R{i}_a-L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}+u_{sa}\hfill \\ u_b=-R{i}_b-L\frac{\text{d}{i}_b}{\text{d}t}+u_{sb}\hfill \\ u_c=-R{i}_c-L\frac{\text{d}{i}_c}{\text{d}t}+u_{sc}\hfill \end{array}$ (1)

式中，

$\{\begin{array}{l}{u}_{sa}=u_{aP}+u_{PO}\hfill \\ u_{sb}=u_{bP}+u_{PO}\hfill \\ u_{sc}=u_{cP}+u_{PO}\hfill \end{array}$ (2)

式中， $u_{aP}$ 、 $u_{bP}$ 、 $u_{cP}$ 分别表示图2中a、b、c三个节点与P点之间的电压，而 $u_{PO}$ 则表示P点与参考点O之间的电压。同时， $u_{sa}$ 、 $u_{sb}$ 、 $u_{sc}$ 表示参考点O处的电压值。

为方便分析，设各桥臂开关函数S_K为：

$S_K=\{\begin{array}{l}1上桥臂导通，下桥臂关断\hfill \\ 0上桥臂关断，下桥臂导通\hfill \end{array},\left(K=a,b,c\right)$ (3)

将式(3)带入式(2)、式(1)中可得

$\{\begin{array}{l}R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=S_a{U}_{dc}+u_{PO}-u_a\hfill \\ R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=S_b{U}_{dc}+u_{PO}-u_b\hfill \\ R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=S_c{U}_{dc}+u_{PO}-u_c\hfill \end{array}$ (4)

对于直流电流有

$S_a{i}_a+S_b{i}_b+S_c{i}_c=i_1+i_L$ (5)

由式(5)，可知

$C\frac{\text{d}{u}_{dc}}{\text{d}t}=\left(S_a{i}_a+S_b{i}_b+S_c{i}_c\right)-i_L$ (6)

式中， $i_L=-\left(U_{dc}-E_L\right)/R_L$ ，负号说明电流与参考方向相反。

由于系统中的整流器输出的三相电压、三相电流为三相对称，因此：

$\{\begin{array}{l}{u}_{\text{a}}+u_{\text{b}}+u_{\text{c}}=0\hfill \\ i_{\text{a}}+i_{\text{b}}+i_{\text{c}}=0\hfill \end{array}$ (7)

联立式(4)、式(7)可得：

$u_{PO}=-\frac{S_a+S_b+S_c}{3}{U}_{dc}$ (8)

2.2. 系统控制策略

直驱风力发电系统采用的是背靠背式变流器的控制策略。该策略采用双闭环控制，其中外环控制直流母线电压和无功功率，内环控制电流。通过调节d、q轴电流分量，可以分别控制有功和无功功率的大小。当使用并网PWM变换器来控制直流母线电压时，定子PWM变换器需要承担最大风能跟踪的任务 [9] 。通常情况下，根据当前的风速，控制永磁同步发电机(PMSG)的转速达到最佳值。机侧变流器采用转速–电流双闭环控制方法，以实现风力发电机的最大功率点跟踪和转矩控制。外环控制电机转速跟踪给定值，电流环给定参考电流 $i_d=0$ 。通过转子磁场定向控制策略，实现永磁同步发电机(PMSG)的有功功率和无功功率的解耦控制，如下图3所示是直驱式PMSG机侧整流器的控制框图。

Figure 3. Control block diagram of direct-drive PMSG machine-side rectifier

图3. 直驱式PMSG机侧整流器控制框图

3. 整流器功率开关管开路故障分析

IGBT作为整流器中重要的组成器件，在整流器故障发生时，开关管容易发生故障，而相应的反并联二极管不易发生故障，因此本文只考虑对IGBT功率元件发生开路故障时进行研究 [10] 。下面以A相桥臂为例，分析二极管在发生故障和正常模式下的整流器工作状态变化。下图4是整流器A相的简单结构图。

Figure 4. Structure diagram of the operating state of phase A rectifier bridge arm

图4. 整流器A相桥臂工作状态结构图

1) 当A相桥臂工作在正常模式时。开关管与反并联二极管共同作用完成A相电流在电机与直流端的流动，当 $i_a>0$ 时，电流经S2、D1流向直流端；当 $i_a<0$ 时，电流经S1、D2流向电机。

2) 当A相上桥臂S1发生开路故障时。若 $i_a>0$ ，电流可以经过D1、S2完成续流；若 $i_a<0$ 时，电流 $i_a$ 只有在满足反并联二极管导通条件时才能续流。因此，A相正半轴电流波形不受S1开路故障的影响，而负半轴会受到一定的影响，可以分别得到 $u_{aP}$ 和 $u_{sa}$ 如式(9)和式(10)：

$u_{aP}=\{\begin{array}{l}{S}_a{U}_{dc},i_a>0\\ 0,i_a<0\end{array}$ (9)

$u_{sa}=\{\begin{array}{l}\left(2S_a-S_b-S_c\right)U_{dc}/3,i_a>0\\ -\left(S_b-S_c\right)U_{dc}/3,i_a<0\end{array}$ (10)

与正常运行时相比，S1发生开路故障系统机侧整流器回路方程改变为：

$\{\begin{array}{l}R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=-\left(S_b+S_c\right)U_{dc}/2-u_a\hfill \\ R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=\left(2S_b-S_c\right)U_{dc}/3-u_b\hfill \\ R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=\left(-S_b+2S_c\right)U_{dc}/3-u_c\hfill \end{array}$ (11)

3) 当A相下桥臂S2发生开路故障时。若 $i_a>0$ 时，电流只能通过D1续流，同样地，只有在满足反并联二极管导通条件时电流i_a才能续流；若 $i_a<0$ ，电流可以经过D2、S1续流。因此，在S2发生故障时A相负半轴电流波形不受S2开路故障的影响，而正半轴会受到一定的影响，可以分别得到 $u_{aP}$ 和 $u_{sa}$ 如式(12)和式(13)：

$u_{aN}=\{\begin{array}{l}{U}_{dc},i_a>0\\ S_a{U}_{dc},i_a<0\end{array}$ (12)

$u_{sa}=\{\begin{array}{l}\left(2-S_b-S_c\right)U_{dc}/3,i_{sa}>0\hfill \\ \left(2S_a-S_b-S_c\right)U_{dc}/3,i_{sa}<0\hfill \end{array}$ (13)

与正常运行时相比，S1发生开路故障系统机侧整流器回路方程改变为：

$\{\begin{array}{l}R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=\left(2-S_b-S_c\right)U_{dc}/3-u_a\hfill \\ R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=\left(-1+2S_b-S_c\right)U_{dc}/3-u_b\hfill \\ R{i}_a+L\frac{\text{d}{i}_a}{\text{d}t}=\left(-1-S_b+2S_c\right)U_{dc}/3-u_c\hfill \end{array}$ (14)

4) 当A相上下桥臂S1、S2同时发生开路故障时。不管电流正向或者反向流动，在整个电流周期内都无法通过电路进行流通，只能依赖二极管D1、D2续流。因此，在A相正负半轴电流的波形都会受到影响。根据前面分别分析A相上下桥臂故障可知，当S1、S2同时故障， $i_a<0$ 时机侧整流器回路方程改变与式(11)同式； $i_a>0$ 时机侧整流器回路方程改变与式(14)同式。

5) 当A相上桥臂S1和B相上桥臂S3同时发生开路故障时，根据相电流流向，机侧整流器回路方程改变如下表1所示：

Table 1. Rectifier circuit equation in case of open circuit fault in S1 and S3 simultaneously

表1. S1和S3同时发生开路故障时整流器回路方程

6) 当A相上桥臂S1和C相下桥臂S6同时发生开路故障时，根据相电流流向，机侧整流器回路方程改变如下表2所示。

根据变流器实际运行故障数据可知，单个或两个IGBT元器件同时出现开路故障是最为普遍的故障模式，当发生三个或更多的IGBT元器件开路时，变流器将会完全停止运行，从而导致设备失效。因此本文只针对前面两种情况进行故障分类，大致分为七大类。具体如下表3所示。

第1大类：仅上桥臂中一个开关管出现开路故障，包含3个子类。

第2大类：仅下桥臂中一个开关管出现开路故障，包含3个子类。

第3大类：同一相桥臂上下两个开关管同时故障，细化分为3个子类。

第4大类：任意两相上桥臂各有一个开关管同时故障，包含3个子类。

第5大类：任意两相下桥臂各有一个开光管同时故障，包含3个子类。

第6大类：任意两相中上下桥臂各有一个开关管同时故障，包含6个子类。

第7大类：整流器正常运行，无开关管出现故障。

Table 2. Rectifier circuit equation in case of open circuit fault in S1 and S6 simultaneously

表2. S1和S6同时发生开路故障时整流器回路方程

Table 3. Classification of open circuit faults in three-phase rectifier circuits

表3. 三相整流电路开路故障分类

4. 故障仿真与特性分析

4.1. 机侧整流器仿真模型

本文利用MATLAB/Simulink工具搭建了直驱式PMSG风力发电系统机侧整流器的仿真模型如图5所示，并以此为研究对象分析功率开关管开路故障的运行特性。

Figure 5. Direct-drive PMSG wind power generation system rectifier Simulink simulation model

图5. 直驱式PMSG风力发电系统整流器Simulink仿真模型

仿真模型和实验系统中主要参数如下表4所示：

Table 4. Simulation model main parameters

表4. 仿真模型主要参数

下面是正常状态下的仿真运行结果，在仿真模型中设置风速从0时刻8 m/s突变到1 s时刻额定风速12 m/s。图6是发电机输出三相定子电流变化情况，从图中可以看出发电机输出的波形是标准正弦波，电流幅值随着风速变化，电能输出稳定。

Figure 6. Three-phase current output from the generator

图6. 发电机输出的三相电流

从图7中看出，发电机的机械转矩和输出功率跟随风速变化而改变，在风速为8 m/s时发电机输出功率约为0.592 MW，转矩约为−3.15 × 10⁵ N/m；在风速跃变为额定风速时发电机输出功率约为1.992 MW，转矩约为−7.05 × 10⁵ N/m，符合理论值。

4.2. 开路故障仿真与特性分析

1) 仅有一个IGBT发生开路故障时

在仿真时以A相为例，风速为8 m/s，系统在运行到1 s时机侧变流器A相上/下桥臂开路，可以得到如下图8所示的开路故障波形图。

Figure 7. Mechanical torque and power generation

图7. 机械转矩与发电功率

(a) (b)

Figure 8. Current waveform under single-tube fault

图8. 单管故障下的电流波形

Figure 9. Power generation under single-tube fault

图9. 单管故障下的发电输出功率

由图8可以看出，当机侧变流器发生单管开路故障时，机侧三相电流波形会发生畸变。其中以A相桥臂(故障相)的电流波形畸变最为严重，并且周期内还会出现短暂的电流为零的情况，B、C两相都受到不同程度的影响，但是受影响相对较小，电流波形的变化规律符合上述中对故障导通的分析。同时机侧故障时电流谐波含量会明显增加。从图9可知，故障后输出功率相较于故障前出现低频震荡，但只是略小于正常状态下的输出功率，说明机侧变流故障时对发电机输出功率影响能力不大。

2) 当两个IGBT发生开路故障时

a) 同一相桥臂上两个IGBT故障：以A相为例，系统在运行到1 s时机侧变流器A相上下两桥臂开路，可以得到如下图10所示的开路故障波形图。

Figure 10. Current waveform under S1, S2 fault

图10. S1、S2故障下的电流波形

b) 任意两相上桥臂故障：以A相和B相为例，系统在运行到1 s时机侧变流器A相上桥臂与B相上桥臂开路，可以得到如下图11所示的开路故障波形图。

Figure 11. Current waveform under S1, S3 fault

图11. S1、S3故障下的电流波形

c) 任意两相上、下桥臂中各有一个故障：以A相和B相为例，系统在运行到1 s时机侧变流器A相上桥臂与B相下桥臂开路，可以得到如下图12所示的开路故障波形图。

Figure 12. Current waveform under S1, S4 fault

图12. S1、S4故障下的电流波形

由图10~12可以看出，当两个IGBT出现开路故障时，在故障区间内，故障相电流会出现与单管故障类似的表现特征，即单管故障与双管故障发生时故障相电流都会出现短暂电流为零的情况；不同的是双管故障时相电流甚至会出现半相缺失现象。同时由于存在重合区间作用，在故障相电流发生畸变时，非故障相的电流波形出现畸变的情况更加明显。

由于发生开路故障时开关管无法导通，这会严重影响电机的运行状态。原本的控制策略在故障区间无法实现既定的目标控制。图13~15是仿真过程中开路故障下的运行参数变化。由图13可以看出当发生多管故障时，机械转矩在故障区间内明显降低，转矩波动剧烈。由于受机械转矩的影响，发电机输出功率也会明显降低，相较与单管故障时波动幅度更大。这种情况可能会对发电机的性能产生负面影响。图14为风能利用系数C_p变化趋势，当故障发生时，电机转速波动较大，导致系统无法保持在最佳叶尖速比的工况下，从而降低了系统对风能的利用率。开路故障降低了系统运行稳定性和经济性。图15为定子电流d q轴分量，当正常运行时系统可以控制i_d = 0 A保证输出的无功功率为零，但故障发生时，由于故障相电流会发生畸变甚至时半相缺失，引入直流分量后，导致i_d产生剧烈波动，同时i_q也跟着大幅波动。无功功率不能保持为零，有功功率又受到故障干扰，影响电机的稳定性。

Figure 13. Mechanical torque and generating power under two IGBT failures

图13. 两个IGBT故障下的机械转矩与发电功率

Figure 14. Wind energy utilization when two IGBT faults

图14. 两个IGBT故障时风能利用率

Figure 15. Current change of d and q axis under two IGBT failures

图15. 两个IGBT故障下的d q轴电流变化

5. 总结

本文以直驱式风力发电系统仿真模型为研究对象，对其中的机侧整流器单管和双管开路故障进行仿真分析。通过仿真结果可以得出以下结论：

当发生单管开路故障时，会改变故障相桥臂上的电流通路，使得故障开关管在自身作用区间内无法完成电流流通，故障相电流波形畸变严重，而对发电机输出影响不大；当发生双管开路故障时，故障相电流会出现半相缺失和短暂电流为零情况，同时无功功率不能保持为零，发电机输出功率产生很大波动，影响整个系统的风能利用效率。

本文根据仿真实验结果与分析，变流器的开路故障降低了系统运行稳定性和经济性，容易引发其他类型的故障，严重时可能会停机。因此对于变流器开路故障必须要进行相应的故障诊断及故障后的容错控制，提高风力发电系统故障时的运行性能。

基金项目

盐城工学院研究生科研与实践创新计划项目(SJCX22_XY017)。