海上風(fēng)電機(jī)組故障容錯(cuò)運(yùn)行研究現(xiàn)狀分析

魏書榮，何之倬，符 楊，黃蘇融，張 路

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

海上風(fēng)電機(jī)組故障容錯(cuò)運(yùn)行研究現(xiàn)狀分析

魏書榮1,2，何之倬2，符 楊2，黃蘇融1，張 路2

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

海上風(fēng)電場(chǎng)可及性差，運(yùn)行條件惡劣。風(fēng)電機(jī)組故障率高，故障修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)且維護(hù)困難，一旦故障停運(yùn)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。統(tǒng)計(jì)并對(duì)比分析海上風(fēng)電機(jī)組和陸上風(fēng)電機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，歸納海上風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的故障特點(diǎn)，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的電氣類故障及其對(duì)系統(tǒng)的影響。分別從軟件容錯(cuò)、硬件容錯(cuò)兩個(gè)方面總結(jié)現(xiàn)有海上風(fēng)電機(jī)組容錯(cuò)運(yùn)行的研究現(xiàn)狀，歸納目前海上風(fēng)電機(jī)組的容錯(cuò)方案，分析現(xiàn)有容錯(cuò)方案的應(yīng)用可行性。進(jìn)一步指出現(xiàn)階段海上風(fēng)電機(jī)組故障容錯(cuò)存在的主要問題，并對(duì)將來的研究熱點(diǎn)進(jìn)行了展望。

海上風(fēng)電；海上風(fēng)電機(jī)組；電氣故障；硬件容錯(cuò)；軟件容錯(cuò)

0 引言

海上風(fēng)電具有風(fēng)速高、風(fēng)資源持續(xù)穩(wěn)定、單機(jī)容量大、無噪聲限制、不占用土地、更接近電網(wǎng)負(fù)荷中心便于并網(wǎng)與利用等巨大優(yōu)勢(shì)，其規(guī)?；l(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展的重要任務(wù)[1-3]。中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮?，根?jù)最新的海上風(fēng)能資源普查結(jié)果，30 m水深以內(nèi)的海域風(fēng)能資源約4.9億kW。除了豐富的海上風(fēng)能資源外，中國(guó)東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源需求大；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)，風(fēng)電并網(wǎng)條件好。為促進(jìn)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃和可再生能源專項(xiàng)規(guī)劃中提出了海上風(fēng)電的發(fā)展目標(biāo)，即到2020年建成裝機(jī)容量為3 000×104 kW 的目標(biāo)。國(guó)家能源局在發(fā)布的《全國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案(2014-2016)》中布局44個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目，共計(jì)1 053萬kW裝機(jī)容量。隨著技術(shù)瓶頸和電價(jià)政策的逐一突破，我國(guó)海上風(fēng)電將迎來井噴式增長(zhǎng)，正面臨黃金發(fā)展十年。

隨著海上風(fēng)電的迅猛發(fā)展，作為與影響風(fēng)電全壽命周期度電成本的4項(xiàng)關(guān)鍵要素(項(xiàng)目投資、運(yùn)維成本、發(fā)電量和財(cái)務(wù)成本)息息相關(guān)的主要因素[4]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在海洋惡劣環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行問題越發(fā)受到關(guān)注。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有以下特點(diǎn)：①故障率高。受海洋高濕度、強(qiáng)腐蝕運(yùn)行環(huán)境的影響，發(fā)電機(jī)組各部件故障率高。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障表現(xiàn)出故障部件集中、小部件可能導(dǎo)致大停運(yùn)的特點(diǎn)。②故障維修困難。海上風(fēng)電場(chǎng)可進(jìn)入性差，維護(hù)要通過船舶或直升飛機(jī)才能靠近，有時(shí)甚至2~3個(gè)月根本無法進(jìn)行維護(hù)。如需更換大型設(shè)備，須租用逾1 000萬/次的船只，受船只數(shù)量限制，修護(hù)極其困難。③故障停運(yùn)損失巨大。以東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)一期示范項(xiàng)目為例，一臺(tái)3 MW的海上雙饋風(fēng)電機(jī)組停機(jī)一個(gè)月的發(fā)電量損失達(dá)58萬kWh。由于海上風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量越來越大，隨著6 MW、10 MW等更大機(jī)型投入運(yùn)行，在豐富的海上風(fēng)能資源下，長(zhǎng)時(shí)間的故障停運(yùn)將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

上述因素的影響使得海上風(fēng)電機(jī)組的故障容錯(cuò)運(yùn)行受到國(guó)內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)風(fēng)力發(fā)電故障研究主要集中在電網(wǎng)故障下提高風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力[5-7]。如何能有效降低風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部故障帶來的損失，避免重大事故發(fā)生是風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行的重要保證。迫切需要及早發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組的電氣缺陷，通過故障辨識(shí)及預(yù)警，及時(shí)提供有效的容錯(cuò)機(jī)制以優(yōu)化運(yùn)行情況，使其在無法維修時(shí)還能繼續(xù)發(fā)電，盡量減少停機(jī)損失。

本文結(jié)合海上風(fēng)電機(jī)組的故障特點(diǎn)，主要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子繞組開路，輕微短路故障以及變流器故障，分析其容錯(cuò)運(yùn)行現(xiàn)狀并比較不同容錯(cuò)方案的可行性，進(jìn)一步討論了目前海上風(fēng)電機(jī)組容錯(cuò)研究存在的主要問題和發(fā)展前景。

1 海上風(fēng)電機(jī)組的故障特點(diǎn)

1.1 海上風(fēng)電機(jī)組的故障統(tǒng)計(jì)與分析

歐洲地區(qū)是海上風(fēng)電發(fā)展最早，也是海上風(fēng)電發(fā)展最成熟的地區(qū)。本文收集了荷蘭濱海埃赫蒙德海上風(fēng)電場(chǎng)[8-9]的運(yùn)行資料，對(duì)歐洲地區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

荷蘭濱海埃赫蒙德(Egmond aan Zee)海上風(fēng)電場(chǎng)(OWEZ)是荷蘭第一個(gè)大型海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。該風(fēng)電場(chǎng)于2006年建成，坐落在荷蘭北海岸，擁有36臺(tái)3 MW Vestas海上風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量108 MW，距離海岸線10~18 km，可以向當(dāng)?shù)?0萬多戶家庭用戶供電。

該海上風(fēng)電場(chǎng)2007~2009年的運(yùn)行數(shù)據(jù)指出，2007年全年總計(jì)發(fā)電量為330.06 MWh，風(fēng)電機(jī)組每月的平均可用率在 65%~95%之間具有較大的波動(dòng)。具體如圖1(a)所示。2007年屬于該風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的第二年，風(fēng)電機(jī)組早期故障停運(yùn)主要是由于風(fēng)力機(jī)變速箱引起的。在2009年，該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組的34臺(tái)變速箱全部更換，并且另有8臺(tái)發(fā)電機(jī)組也由于不同的故障而更換。更換后的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可用率有了一定的改善，機(jī)組可用率大致可以維持在70%~90%之間，如圖1(b)所示，全年平均可用率達(dá)到83.5%。但是由于受到風(fēng)速的影響，2009年全年上網(wǎng)電量為315.211 MWh。

圖 1 風(fēng)電場(chǎng)每月的可用率Fig. 1 Availability of wind farms per month

文獻(xiàn)[8]對(duì)該海上風(fēng)電場(chǎng)2007~2009年三年的運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)了共13組部件的停運(yùn)率及停運(yùn)引起的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。從圖2可以看出，該海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的早期，控制系統(tǒng)故障是海上風(fēng)電機(jī)組中停運(yùn)率最高的設(shè)備，風(fēng)電機(jī)組中33%左右的停運(yùn)來自于控制系統(tǒng)，而齒輪箱則是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)的主要原因，導(dǎo)致機(jī)組全年10%左右的時(shí)間處于停運(yùn)狀態(tài)[8]。

圖3統(tǒng)計(jì)了13年間歐洲陸上風(fēng)電的故障率和停機(jī)率[10]。從圖3可以看出，電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)屬于陸上機(jī)組的高故障率部件，而齒輪箱、傳動(dòng)鏈等則屬于故障率相對(duì)低的大型部件。但前者故障后造成的停機(jī)時(shí)間相對(duì)較短，而后者會(huì)造成更長(zhǎng)時(shí)間的停運(yùn)，從而表現(xiàn)出對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行更大的影響。

圖2統(tǒng)計(jì)的是部件的停運(yùn)率，圖3統(tǒng)計(jì)的則是部件的故障率，因此兩組數(shù)據(jù)不能直接對(duì)比。但可以看出，兩者的數(shù)據(jù)分布大致相似，都具有如下特點(diǎn)：① 高故障率或者是高停運(yùn)率的部件導(dǎo)致的系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間較短，其中電氣系統(tǒng)(接線開關(guān)、變流器、控制系統(tǒng)等)的故障率或是停運(yùn)率較高。② 使系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)的是齒輪箱和發(fā)電機(jī)的故障，這一點(diǎn)在圖2的海上風(fēng)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)中非常明顯。

圖 2 荷蘭濱海埃赫蒙德海上風(fēng)電場(chǎng)故障統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Stop rate and downtime data from OWEZ

圖 3 歐洲陸上風(fēng)力機(jī)故障率和停機(jī)時(shí)間Fig. 3 Failure rate and downtime data from European onshore wind turbines

1.2 電力電子變流器故障特點(diǎn)

文獻(xiàn)[10]中指出在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電力電子變流器的故障占電氣故障的15%，但這個(gè)數(shù)據(jù)是在整個(gè)WEPM數(shù)據(jù)庫中(含有直接并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組)得出的，因此對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，變流器的故障率要更高。WEPM數(shù)據(jù)庫首次對(duì)變流器部件進(jìn)行了分析，指出變流器一半的故障是由半導(dǎo)體器件引起的，然而這個(gè)數(shù)據(jù)是在1997~2005年獲得的，如今其可靠性是有所提高的。所以為了獲得更多關(guān)于變流器可靠性的數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[11]統(tǒng)計(jì)了其他應(yīng)用領(lǐng)域中變流器的故障率及故障特點(diǎn)，得出如下結(jié)論：功率半導(dǎo)體器件和直流電容是變流器最薄弱的環(huán)節(jié)，一半以上的故障是由它們引起的。電力電子變流器作為維持風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的最基本部件，其可靠性就顯得尤為重要。

變流器故障主要有變流器誤動(dòng)作、過電壓、過電流、過熱、欠電壓等。變流器過電壓一般是指轉(zhuǎn)換過程中，中間直流回路過電壓，這將對(duì)中間直流回路濾波電容器壽命產(chǎn)生直接影響。變流器負(fù)載突降會(huì)使負(fù)載側(cè)向變流器中間直流回路回饋能量，造成直流側(cè)短時(shí)間內(nèi)能量的集中回饋，可能會(huì)超過中間直流回路及其能量處理單元的承受能力引發(fā)過電壓故障。過電流故障是由于變流器負(fù)載發(fā)生突變，負(fù)荷分配不均，輸出短路等原因引起的。輸入電源缺相時(shí)，整流回路故障會(huì)導(dǎo)致欠壓故障。由于以上原因會(huì)引起變流器的開關(guān)管斷路、短路故障和直流電容的損壞[12]。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障特點(diǎn)

海上風(fēng)力機(jī)每年的故障率可達(dá)50%，以發(fā)電機(jī)、變速箱、變流器的故障為主[13]。由于長(zhǎng)期運(yùn)行在高濕度、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下，直接影響了發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣，加上絕緣體的自然老化和絕緣擊穿等原因，導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障。常見的故障主要有定、轉(zhuǎn)子繞組開路和短路故障、軸承故障和氣隙偏心等故障[14]。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大和電壓等級(jí)的提高，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的比重也越來越大，發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行直接影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定性。圖 4統(tǒng)計(jì)了發(fā)電機(jī)的故障分布，其中軸承的故障率為40%，定子的故障率為38%，轉(zhuǎn)子的故障率為10%，其他故障占12%[15]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組故障及其診斷方法也有較多的研究[16-19]。

圖4 發(fā)電機(jī)故障分布Fig. 4 Distribution of generator fault

在工程上機(jī)械故障通常是難以修復(fù)的，只能根據(jù)機(jī)械損壞的狀態(tài)來評(píng)估機(jī)械部件還能持續(xù)使用多長(zhǎng)時(shí)間。而輕微電氣故障可以通過優(yōu)化控制算法和硬件重構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。

2 海上風(fēng)電機(jī)組容錯(cuò)技術(shù)

容錯(cuò)，顧名思義就是允許出錯(cuò)，工程上指在系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)必須將發(fā)生故障的部件從系統(tǒng)中隔離開，然后采取相應(yīng)措施維持其規(guī)定功能，或在可接受的性能指標(biāo)變化下，繼續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

故障容錯(cuò)可以從硬件容錯(cuò)、軟件容錯(cuò)兩方面考慮。硬件容錯(cuò)主要指故障后的硬件系統(tǒng)重構(gòu)，著眼于風(fēng)力發(fā)電機(jī)本體的容錯(cuò)設(shè)計(jì)和變流器的結(jié)構(gòu)容錯(cuò)等。軟件容錯(cuò)主要考慮故障容錯(cuò)控制，著眼于故障后的控制策略與算法優(yōu)化。

2.1 硬件容錯(cuò)

2.1.1 備份式冗余設(shè)計(jì)

備份式冗余設(shè)計(jì)是在原來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入冗余硬件開關(guān)代替故障開關(guān)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[20]提出了一種應(yīng)用在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)中帶有冗余橋臂的變流器拓?fù)洹．?dāng)檢測(cè)到開路故障時(shí)，立即移除故障開關(guān)的門極信號(hào)實(shí)現(xiàn)隔離故障；當(dāng)短路故障時(shí)，快速熔斷器斷開實(shí)現(xiàn)故障橋臂的隔離，觸發(fā)導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的雙向晶閘管(TRIAC)將冗余開關(guān)連接到電路中，如圖5所示。圖中直流母線的兩個(gè)電容器可用于測(cè)量極電壓，進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)[21]通過FPGA實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制。

圖5 帶有冗余橋臂的變流器拓?fù)銯ig. 5 Fault-tolerant converter topologies with redundant leg

在故障的情況下，這種冗余拓?fù)淠軌虮ＷC系統(tǒng)性能不受影響。文獻(xiàn)[20]基于馬爾可夫鏈模型來判斷所提出的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)故障的脫機(jī)效率。根據(jù)可靠性分析，這種方法能在不停機(jī)的情況下保證系統(tǒng)的最佳性能，尤其適合海上風(fēng)力發(fā)電。然而，冗余備份增加了開關(guān)器件數(shù)量，電路拓?fù)鋸?fù)雜，器件相對(duì)故障率也會(huì)增加，同時(shí)成本提高。并且這種拓?fù)渲贿m用于變流器故障，并不能解決電機(jī)繞組的開路、短路故障。

2.1.2 變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是在故障后改變?cè)瓉淼耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，配合適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，工程中應(yīng)用最多的是背靠背PWM功率變流器組成的雙PWM變流器。由于永磁同步發(fā)電系統(tǒng)和雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，以下分別總結(jié)了兩種系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

(1) 永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容錯(cuò)拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[22-24]對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(PMSG)的變流器容錯(cuò)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，功率是單方向全功率流通，因此，IGBT開路故障后，機(jī)側(cè)容錯(cuò)可以通過IGBT反并聯(lián)二極管構(gòu)成的整流電路實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)側(cè)逆變器容錯(cuò)更加復(fù)雜多變，需要配合有效的控制策略，因此對(duì)網(wǎng)側(cè)逆變器的容錯(cuò)做了更多深入的研究。

網(wǎng)側(cè)逆變器容錯(cuò)拓?fù)浞桨钢饕梢韵聨追N：①將網(wǎng)側(cè)變壓器的星形中點(diǎn)通過 TRIAC與直流母線電容中點(diǎn)相連，如圖6所示。TRIAC在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)是關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)側(cè)變流器某相故障后，隔離故障橋臂，導(dǎo)通TRIAC。這種方案只需增加一個(gè)硬件開關(guān)就實(shí)現(xiàn)了故障容錯(cuò)，可以有效降低系統(tǒng)的容錯(cuò)成本。②網(wǎng)側(cè)變流器故障后，觸發(fā) TRIAC導(dǎo)通，將變壓器星形連接的中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)的一相連接，即五橋臂結(jié)構(gòu)。這種方案的缺點(diǎn)是不適用兩側(cè)變流器同時(shí)故障，優(yōu)點(diǎn)在于減少了冗余開關(guān)，在不增加直流電壓等級(jí)的情況下，可以在有限的運(yùn)行范圍內(nèi)保持良好的驅(qū)動(dòng)操作。這也使得它成為提高PMSG驅(qū)動(dòng)器可靠性方案中極有吸引力的方案。③三相四開關(guān)電路拓?fù)?。與前兩種方案相比，這種方案減少了電力變壓器，增加了兩個(gè)TRIAC。當(dāng)監(jiān)測(cè)到某相故障并隔離故障橋臂后，觸發(fā)該相 TRIAC導(dǎo)通直接與直流母線中點(diǎn)連接。方案①③由于與電容中點(diǎn)相連，故障相電流流過電容，會(huì)引起電容電壓的波動(dòng)，因此需要配合適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償策略。

圖6 帶有容錯(cuò)變流器的永磁同步發(fā)電系統(tǒng)Fig. 6 Fault-tolerant converter topologies in PMSG

文獻(xiàn)[25]在研究變流器故障容錯(cuò)的基礎(chǔ)上，考慮到電機(jī)和變壓器繞組故障，提出了一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7。在這個(gè)系統(tǒng)中僅需要增加兩個(gè)開關(guān)SW1、SW2。系統(tǒng)中某相故障后，隔離故障相，觸發(fā)SW1、SW2導(dǎo)通，將電機(jī)與變壓器的中性點(diǎn)相連接，形成五橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于引出了電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)，SW1、SW2導(dǎo)通后，會(huì)出現(xiàn)零序電流，因此需要考慮消除零序分量。這種方案減少了冗余開關(guān)數(shù)量，既適用于兩側(cè)變流器一相橋臂故障，也適用于發(fā)電機(jī)和變壓器一相繞組故障。

圖7 故障容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 7 Fault-tolerant converter topologies

(2) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容錯(cuò)拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[26-28]將6/5橋變流器結(jié)構(gòu)應(yīng)用在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)中，如圖8所示。系統(tǒng)中增加三個(gè)TRIAC(Ta、Tb、Tc)。當(dāng)機(jī)側(cè)a相發(fā)生故障，隔離故障橋臂，觸發(fā)該相的Ta導(dǎo)通，則網(wǎng)側(cè)變流器的a相橋臂作為兩側(cè)變流器的共享橋臂，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?shí)現(xiàn)理想輸出。這種方案與前文圖6所示的拓?fù)湎囝愃疲圆贿m用于兩側(cè)變流器同時(shí)故障，且增加了開關(guān)的使用頻率，潛在地提高了功率開關(guān)的故障率。

圖8 6/5橋臂容錯(cuò)變流器Fig. 8 6/5-leg fault-tolerant converter

文獻(xiàn)[29]將三相四開關(guān)電路拓?fù)鋺?yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的容錯(cuò)運(yùn)行中，如圖 9所示。通過TRIAC將故障相與直流中點(diǎn)相連并對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的單相開路故障容錯(cuò)分別進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖9 與直流中點(diǎn)相連的四開關(guān)變流器Fig. 9 Four-switch topology with dc-link midpoint connection

2.1.3 多相電機(jī)

多相電機(jī)具有較低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，更高的容錯(cuò)性能和較小的單相額定功率[30]。這些理想的特性使多相電機(jī)在大功率和高可靠性的系統(tǒng)中具有很大的發(fā)展?jié)摿?。包括五相電機(jī)[31]、六相電機(jī)[32-34]、九相電機(jī)[35]、十二相電機(jī)[36]、甚至十八相電機(jī)[37]，其中的大多數(shù)都和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)。由于近年來風(fēng)力機(jī)容量的不斷增加和可靠性要求的提高(尤其是海上風(fēng)電場(chǎng))，使得多相電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加突出。大功率變流器常常是由許多單元級(jí)聯(lián)而成，大功率電機(jī)的繞組通常也由許多并聯(lián)的線圈組成。因此，電機(jī)和電力電子電路可以通過重新配置應(yīng)用在多相發(fā)電系統(tǒng)中，并且不需要增加硬件。當(dāng)一相故障或缺失，功率損失比一般電機(jī)小的多。

具有背靠背結(jié)構(gòu)變流器的多相變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，機(jī)側(cè)通常是兩電平或三電平的電壓源變流器(VSCs)[30]。多相發(fā)電機(jī)的研究也集中于n相VSCs或二極管整流器的應(yīng)用，這完全取決于電機(jī)的類型。一種六相多級(jí)感應(yīng)發(fā)電機(jī)[34]如圖10所示。圖10(a)中是兩個(gè)并聯(lián)三相 VSCs驅(qū)動(dòng)的六相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這是一種典型的非對(duì)稱六相電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)的拓?fù)洹D10(b)則是對(duì)稱六相發(fā)電系統(tǒng)(永磁同步電機(jī))，機(jī)側(cè)是兩個(gè)串聯(lián)的三相變流器，網(wǎng)側(cè)是三電平中點(diǎn)嵌位變流器，并與直流環(huán)節(jié)的中點(diǎn)相連，這種結(jié)構(gòu)既可以用于永磁同步電機(jī)也可以用于感應(yīng)電機(jī)。然而直流環(huán)節(jié)與網(wǎng)側(cè)變流器的三線連接時(shí)需要慎重考慮其經(jīng)濟(jì)性，尤其是在網(wǎng)側(cè)變流器放置較遠(yuǎn)的情況下[28]，當(dāng)然，在高壓直流輸電的海上風(fēng)電場(chǎng)中可以考慮這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的增加，大功率高可靠性的需求日益增強(qiáng)，高壓直流輸電的優(yōu)勢(shì)不斷凸顯。文獻(xiàn)[38]詳細(xì)研究了基于無變壓器概念的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并可以實(shí)現(xiàn)100 kV的直流輸出。該系統(tǒng)中每三相繞組組成一個(gè)三相發(fā)電機(jī)模塊，且每組的三相定子繞組之間電氣隔離。三相定子繞組連接到一個(gè)VSC模塊。VSC模塊串聯(lián)到直流側(cè)，即在沒有變壓器的情況下，定子繞組上有較小的交流電壓而變流器將會(huì)輸出很高的直流電壓。這種拓?fù)浞浅＿m合直流并網(wǎng)的遠(yuǎn)距離海上風(fēng)力發(fā)電[38]。

圖10 六相感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)Fig. 10 Six-phase generator system

2.2 軟件容錯(cuò)

2.2.1 脈寬調(diào)制算法改進(jìn)

脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是變流器控制的核心技術(shù)，而空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)具有電壓利用率高，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電力電子變換和交流傳動(dòng)領(lǐng)域。SVPWM是在矢量空間用有限的靜止矢量去合成和跟蹤調(diào)制波的空間旋轉(zhuǎn)矢量，使合成的空間矢量含有調(diào)制波的信息。傳統(tǒng)的六開關(guān)PWM變流器的8個(gè)靜止矢量按一定的規(guī)律切換可以在矢量空間用合成旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量來逼近電壓矢量圓，從而形成SVPWM波形。

當(dāng)監(jiān)測(cè)到變流器某一個(gè)開關(guān)器件短路或斷路后，短時(shí)間內(nèi)并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，只是會(huì)降低系統(tǒng)的性能和可靠性。變流器中某一個(gè)IGBT故障后，由于其反并聯(lián)的二極管仍是完好的，變流器仍可以在三相條件下運(yùn)行，但電壓矢量會(huì)產(chǎn)生畸變。

文獻(xiàn)[39]對(duì)不同扇區(qū)正常和故障后的電壓矢量進(jìn)行了分析，得出合成電壓矢量畸變?cè)?，最終給出了發(fā)生畸變的兩種情況：一種由零矢量引起的畸變，另一種是由零矢量和有效矢量共同引起的畸變。因此可用一個(gè)正常矢量來補(bǔ)償代替發(fā)生畸變的矢量。這種單純使用軟件容錯(cuò)的方法只適用于變流器的單個(gè)IGBT故障。

2.2.2 矢量控制

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，矢量控制是把電流分解為d軸電流和q軸電流，分別加以控制。通過前饋解耦控制得到d-q坐標(biāo)系下電壓參考值，再經(jīng)過坐標(biāo)變換得到電壓指令信號(hào)，進(jìn)行PWM調(diào)制。因此在運(yùn)用矢量控制的容錯(cuò)系統(tǒng)中，一般是對(duì)PWM調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn)，使系統(tǒng)良好穩(wěn)定運(yùn)行。

(1) 四開關(guān)PWM調(diào)制

前文四開關(guān)三相電路拓?fù)渲?，由于一相電流流過直流電容中點(diǎn)，將引起直流電壓波動(dòng)和輸出電流畸變。而導(dǎo)致母線電容中點(diǎn)電壓波動(dòng)的最主要原因則是故障相電流對(duì)母線電容的充放電，由式(1)可以看出，波動(dòng)電壓與電流幅值成正比，與電容值C和電流頻率ω成反比，這也是四開關(guān)三相系統(tǒng)低頻特性差的原因[40]。因此可以通過加大電容值或加大增加電機(jī)運(yùn)行頻率來減小直流電壓的波動(dòng)。

在實(shí)際系統(tǒng)中電容容量是有限的，為了減小或消除不平衡電壓對(duì)逆變器輸出電壓的影響，最好在程序中對(duì)基本電壓矢量的作用時(shí)間進(jìn)行修正，對(duì)不平衡電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

四開關(guān)SVPWM也是在矢量空間上用靜止的矢量合成電壓矢量圓，但四開關(guān)變流器只有四個(gè)開關(guān)矢量，且沒有零矢量。一般用兩個(gè)相反矢量或采用有效矢量來等效零矢量的作用[41-42]。文獻(xiàn)[43]提出了一種自適應(yīng)的空間矢量調(diào)制方法，可以補(bǔ)償直流電壓波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但也需要復(fù)雜的計(jì)算和高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[44-45]提出的四開關(guān)SVPWM控制策略在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)只需要三個(gè)開關(guān)狀態(tài)，是一種簡(jiǎn)捷有效的補(bǔ)償策略。文獻(xiàn)[46]揭示了四開關(guān)逆變器 SVPWM 控制的實(shí)質(zhì)是以兩路相位相差π/3電角度的正弦波為隱含調(diào)制函數(shù)的SPWM控制，并提出了七段式實(shí)現(xiàn)方法和過調(diào)制方法，以減少開關(guān)頻率和提高直流電壓的利用率。

(2) 五橋臂變流器PWM調(diào)制

文獻(xiàn)[26]提出了兩種五橋臂變流器的PWM控制策略，即雙零序信號(hào)注入法。將零序信號(hào)分別加入五個(gè)參考電壓矢量，零序信號(hào)不會(huì)改變輸出的線電壓和相電壓，只是作為一個(gè)自由度減少電流諧波和提高直流電壓的利用率。

2.2.3 直接功率控制與直接轉(zhuǎn)矩控制

雙饋電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是通過電壓矢量來控制轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈同時(shí)按要求快速變化，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵就是建立磁鏈和逆變器開關(guān)模式之間的關(guān)系。直接功率控制(DPC)的控制思想源自于電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略[39]，在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡故障時(shí)，DPC仍然能夠保持有功、無功功率(電磁轉(zhuǎn)矩)恒定。大型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，這兩種控制方法存在很多缺點(diǎn)，例如直接轉(zhuǎn)矩控制低速性能差，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大；直接功率控制在電網(wǎng)不平衡的情況下會(huì)造成電流畸變嚴(yán)重、諧波大等問題，很多文獻(xiàn)都對(duì)這兩種方法進(jìn)行了優(yōu)化[47-48]。DTC和DPC避免了復(fù)雜的解耦運(yùn)算，對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感，簡(jiǎn)單易行。

文獻(xiàn)[23]將DTC和DPC分別應(yīng)用在永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的故障容錯(cuò)控制中，并重新制定開關(guān)表，從而穩(wěn)定直流電壓，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低諧波。其中DTC和DPC的控制核心仍是對(duì)四開關(guān)拓?fù)涞碾妷菏噶靠刂七M(jìn)行合理的改進(jìn)。

2.2.4 滯環(huán)電流控制

電流滯環(huán)跟蹤控制是將三相電流給定信號(hào)和檢測(cè)到的三相電流信號(hào)比較，若實(shí)際電流大于給定值，則通過變流器使之減小，反之增大，電流波形圍繞給定值變化，并將偏差限制在一定范圍內(nèi)。

在容錯(cuò)系統(tǒng)中，若沒有零序通路，即系統(tǒng)與網(wǎng)側(cè)不共地，由于此時(shí)只需控制正常的兩相橋臂就可間接地控制第三相。A相故障隔離后的三相電流如式(2)，B、C相電流相位位移π/3，幅值為原來的倍。因此只要控制兩相電流相位相差即可。文獻(xiàn)[22]和文獻(xiàn)[24]重新對(duì)參考電流進(jìn)行計(jì)算，并引入直流電壓波動(dòng)反饋，將參考電流和測(cè)量的實(shí)際電流差值進(jìn)行滯環(huán)比較，產(chǎn)生PWM信號(hào)。

滯環(huán)電流控制通過控制環(huán)寬可使電流快速跟蹤，而且對(duì)電路參數(shù)依賴性小，系統(tǒng)魯棒性好，受電容電壓波動(dòng)影響小。然而，該控制方法不能做到開關(guān)頻率恒定，且存在穩(wěn)態(tài)誤差[49]。

表1系統(tǒng)地總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電發(fā)電機(jī)組的容錯(cuò)現(xiàn)狀，在如今風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的基礎(chǔ)上分析指出容錯(cuò)方案的應(yīng)用可行性。

表1 故障容錯(cuò)方法Table 1 Fault tolerance methods

從表1中可以看出：備份式冗余設(shè)計(jì)在硬件上增加冗余橋臂，代替故障橋臂，無論是在硬件還是在軟件上不會(huì)有太大的改變。多相電機(jī)雖然是現(xiàn)在海上風(fēng)電機(jī)組的研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)在還處在實(shí)驗(yàn)研究階段，未能大范圍的應(yīng)用。大量文獻(xiàn)集中研究風(fēng)電機(jī)組軟件容錯(cuò)和變流器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[20-29]，這些方法也可以運(yùn)用在現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輕微故障容錯(cuò)中。

3 熱點(diǎn)與展望

3.1 容錯(cuò)技術(shù)研究熱點(diǎn)

從國(guó)內(nèi)外研究可以看出，現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容錯(cuò)研究主要集中在以下兩個(gè)方面：

(1) 容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)。在海上風(fēng)力發(fā)電中，主要采用的是雙PWM變流器。其中開關(guān)器件的高故障引起很多學(xué)者的關(guān)注，因此發(fā)電機(jī)組故障容錯(cuò)更是成為研究的熱點(diǎn)問題。

(2) 控制算法的優(yōu)化。許多文獻(xiàn)將三相四開關(guān)電路拓?fù)鋺?yīng)用在故障容錯(cuò)中，并對(duì)其控制算法進(jìn)行了大量的總結(jié)研究，集中研究?jī)?yōu)化四個(gè)開關(guān)電壓矢量及其在每個(gè)周期內(nèi)作用時(shí)間的分配，使這種方案更好地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。

3.2 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容錯(cuò)研究展望

結(jié)合本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障容錯(cuò)技術(shù)的總結(jié)分析，目前海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容錯(cuò)在以下方面還面臨巨大挑戰(zhàn)：

(1) 精確的電機(jī)故障模型?，F(xiàn)階段對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障容錯(cuò)研究主要集中在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只有少數(shù)文獻(xiàn)關(guān)注于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容錯(cuò)。而雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)已成為海上發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型。由于缺乏精確的便于與變流器及控制系統(tǒng)連接的故障模型，導(dǎo)致目前對(duì)DFIG容錯(cuò)運(yùn)行的研究主要針對(duì)變流器故障。事實(shí)上DFIG繞組開路、短路故障的容錯(cuò)研究同樣重要，精確的故障模型是一個(gè)有效的突破口，雖有文獻(xiàn)建立了雙饋電機(jī)的故障模型，但是只考慮了電機(jī)本體，沒有與變流器及其控制系統(tǒng)連接后綜合考慮其并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的故障及容錯(cuò)運(yùn)行特性。

(2) 量化的故障預(yù)警門檻。目前對(duì)于風(fēng)電機(jī)組故障診斷的方法較多，但是缺乏故障預(yù)警量化的參照標(biāo)準(zhǔn)。為及時(shí)提供有效的容錯(cuò)機(jī)制，必須量化故障預(yù)警門檻以保證故障辨識(shí)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性及有效性。

(3) 挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的容錯(cuò)潛力。目前故障容錯(cuò)大多采用冗余備份(多相電機(jī)也屬于冗余的一種情況)措施來解決，除結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂以外，還受風(fēng)力機(jī)機(jī)艙空間體積的限制，因此需要深度挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的容錯(cuò)潛力，在現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的微小改變的基礎(chǔ)上大大提高機(jī)組的容錯(cuò)能力。

(4) 缺乏評(píng)估容錯(cuò)能力的指標(biāo)體系。目前仍沒有一套完整的容錯(cuò)指標(biāo)來評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行能力，而更多的是采用可靠性來評(píng)估。而提高系統(tǒng)可靠性的一個(gè)基本方法就是使用容錯(cuò)技術(shù)，即一個(gè)系統(tǒng)在出現(xiàn)運(yùn)行性故障時(shí)能夠依靠系統(tǒng)內(nèi)在的能力保持系統(tǒng)連續(xù)正常的運(yùn)行?，F(xiàn)階段大多數(shù)容錯(cuò)性能研究是將故障前和故障容錯(cuò)后的一些性能進(jìn)行對(duì)比分析，例如，對(duì)比故障前后電流電壓幅值，轉(zhuǎn)矩、直流電壓的脈動(dòng)以及功率輸出等。而對(duì)于大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，更要考慮故障容錯(cuò)后系統(tǒng)的等效停運(yùn)率是否能降低，容錯(cuò)拓?fù)渌黾拥挠布杀灸芊裨谟?jì)及電能損失后仍具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，風(fēng)電機(jī)組能否安全可靠持續(xù)運(yùn)行。這些方面都是減少故障率，降低維修成本的關(guān)鍵，因此，很有必要建立一套以耐久性為導(dǎo)向的故障容錯(cuò)指標(biāo)體系。這也將是今后容錯(cuò)研究的一個(gè)方向。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)比分析了陸上與海上風(fēng)電機(jī)組的故障數(shù)據(jù)，總結(jié)了海上風(fēng)電的故障特點(diǎn)及容錯(cuò)技術(shù)的必要性。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了適用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容錯(cuò)方法，并對(duì)現(xiàn)有的硬件容錯(cuò)和軟件容錯(cuò)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后，指出現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容錯(cuò)技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展方向，為今后海上風(fēng)力發(fā)電故障容錯(cuò)研究提供參考。

致謝

本文的研究得到了“電氣工程”上海市Ⅱ類高原學(xué)科和上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助，謹(jǐn)此致謝！

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(編輯 魏小麗)

Research status and prospect of offshore wind turbine fault tolerance

WEI Shurong1,2, HE Zhizhuo2, FU Yang2, HUANG Surong1, ZHANG Lu2
(1. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China; 2. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Offshore wind farms have poor accessibility and bad operation conditions. Offshore wind turbines have high failure rate, long repair time and it is difficult to maintain. It will cause huge economic loss once wind turbines fail to shutdown. The history operating data of offshore and onshore wind turbines are counted and deeply analyzed, fault characteristics of key components in the offshore wind turbine are generalized. The electric faults in wind turbines and its influence on the system are analyzed. The research status of existing fault-tolerant operation in offshore wind turbines are summarized from two aspects of hardware and software fault tolerance respectively, fault-tolerant schemes of offshore wind turbines are concluded, and the application feasibility of existing fault-tolerant schemes is analyzed. The main problems of offshore wind power fault tolerance at the present stage are pointed out and the research focus in the future is prospected.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177098).

offshore wind power; offshore wind turbines; electrical fault; hardware fault-tolerance; software fault-tolerance

10.7667/PSPC151108

2015-06-30；

2015-08-04

魏書榮(1980-)，女，博士，副教授，主要從事海上風(fēng)電優(yōu)化規(guī)劃與故障容錯(cuò)研究；E-mail: wsrmail@163.com

何之倬(1990-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向 為 海 上 風(fēng) 力 發(fā) 電 機(jī) 組 故 障 容 錯(cuò) ； E-mail: carolhecha@sina.com

符 楊(1965-)，男，博士，教授，主要從事電力系統(tǒng)分析、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究及海上風(fēng)電優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。E-mail: fudong@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177098）；上海市綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(13DZ2251900)；上海市科委科技創(chuàng)新項(xiàng)目(14DZ1200905)