تشخیص عیب مدار باز مبدل پشت‌به‌پشت ژنراتور DFIG توربین باد سرعت متغیر با استفاده از ترکیب روش‌های مدل - پایه و سیگنال - پایه

نویسندگان

دانشگاه شهید رجائی

چکیده

پایش وضعیت و عیب‌یابی توربین باد، موجب افزایش قابلیت اطمینان و در دسترس بودن توربین می‌شود. مدار باز شدن ترانزیستور دو قطبی گیت – عایق (IGBT) در مبدل توربین باد موجب تضعیف جریان خروجی مبدل می‌شود و در نتیجه عملکرد تولید توان توربین باد دچار اختلال می‌شود. در این مقاله، عیب مدار باز گیت IGBT در مبدل پشت‌به‌پشت توربین بادی مبتنی بر ژنراتور القایی دوسو تغذیه در ابتدا آشکارسازی و سپس مکان‌یابی شده است. روش پیشنهادی ارزان‌قیمت است و برای آشکارسازی و تعیین مکان عیب از سنسور اضافه، استفاده نمی‌کند. آشکارسازی عیب بر اساس استراتژی مدل-پایه است، برای تولید مانده از یک مشاهده‌گر مبتنی بر مدل کالمن بر اساس استخراج ماتریس حالت جریان‌های سه ‌فاز از ژنراتور القایی دوسو تغذیه سمت شبکه و سمت روتور استفاده شده است و سپس ارزیابی مانده انجام می‌شود. مکان عیب بر اساس استراتژی سیگنال-پایه و استخراج ویژگی میانگین از سیگنال زمانی تعیین شده است. برای ارزیابی ساختار پیشنهادی از یک شبیه‌ساز توربین بادی 5/2 مگاوات بر اساس داده واقعی، استفاده شده است. شبیه‌سازی‌ها نشان داد که روش پیشنهادی، عیوب چندگانه و هم‌زمان را در یک شاخه یا شاخه‌های متفاوت سمت شبکه و روتور تشخیص می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


[1] Blaabjerg, F., Marco, L., and Ke, M., "Power Electronics Converters for Wind Turbine Systems," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 48, No. 2, pp.708-719, 2012. [2] Leung, D., Yang, Y., "Wind Energy Development and its Environmental Impact: a Review," Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol. 16, No. 1, pp. 1031-1039, 2012. [3] رفان، محمدحسین؛ دمشقی، عادل؛ کمرزرین، مهرنوش، «پیشگویی گام بلند سرعت باد مبتنی بر مدل ترکیبی RNNGA) »، نشریه مهندسی و مدیریت انرژی، سال ششم، شماره 2، صفحه 2-11، تابستان 1395. [4] Wilkinson, M. R., Condition Monitoring of Offshore Wind Turbines, Ph.D. Thesis, University of Newcastle, UK, 2008. [5] Christopher, J., Condition Monitoring Techniques for Wind Turbines, Ph.D. Thesis, University of Durham, 2011. [6] Zaggout, M. N., Wind Turbine Generator Condition Monitoring via the Generator Control Loop, PhD thesis, University of Durham, 2013. [7] Mendes, A. M. S., Cardoso, A. J. M., Saraiva, E. S., "Voltage Source Inverter Fault Diagnosis in Variable Speed AC Drives, by Park’s Vector Approach, "in Proc. 7th Int. Conf. Power Electron. Variable Speed Drives, pp. 538-543, 1998. [8] Trabelsi, M., Boussak, M., Gossa, M., "Multiple IGBTs Open Circuit Faults Diagnosis in Voltage Source Inverter Fed Induction Motor Using Modified Slope Method", in Proc. 19th Int. Conf. Electr. Mach., Vol. 6, pp. 6-8, Sep. 2010. [9] Rothenhagen, K., Fuchs, F.W., "Performance of Diagnosis Methods for IGBT Open Circuit Faults in Three Phase Voltage Source Inverters for AC Variable Speed Drives", in Proc. Eur. Conf. Power Electron. Appl., Vol. 10, pp. 1-10, 2005. [10] Rothenhagen, K., Fuchs, F. W., "Performance of Diagnosis Methods for IGBT Open Circuit Faults in Voltage Source Active Rectifiers," in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., pp. 4348-4354, 2004. [11] Jung, S.M., Park, J.S., Kim, H.W., Cho, K.Y., Youn, M.J., "An MRAS-Based Diagnosis of Open-Circuit Fault in PWM Voltage-Source Inverters for PM Synchronous Motor Drive Systems," IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 28, No. 5, pp. 2514-2526, 2013. [12] Mendes, A. M. S., Marques Cardoso, A. J., "Voltage Source Inverter Fault Diagnosis in Variable Speed AC Drives, by the Average Current Park’s Vector Approach," in Proc. IEMDC, pp. 704–706, 1999. [13] Rothenhagen, K., Fuchs, F. W., "Performance of Diagnosis Methods for IGBT Open Circuit Faults in Three Phase Voltage Source Inverters for AC Variable Speed Drives, " in Proc. Eur. Power Electron. Appl. Conf, pp. 1–10. 2005. [14] Rothenhagen, K., Fuchs, F. W., "Performance of Diagnosis Methods for IGBT Open Circuit Faults in Voltage Source Active Rectifiers," in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf, pp. 4348–4354, 2004. [15] Peuget, R., Courtine, S., Rognon, J. P., "Fault Detection and Isolation on a PWM Inverter by Knowledge-Based Model," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 6, pp. 1318–1326, 1998. [16] Freire, N.M.A., Estima, J.O., Marques Cardoso, A.J., "Open-Circuit Fault Diagnosis in PMSG Drives for Wind Turbine Applications," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 9, pp. 3957-3967, 2013. [17] Lee, J.S., Lee, K.B., Blaabjerg, F., "Open-Switch Fault Detection Method of a Back-to-Back Converter Using NPC Topology for Wind Turbine Systems," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 51, No. 1, pp. 325-335, 2015. [18] Freire, N.M.A., Estima, J.O., Marques Cardoso, A.J., "Open-Circuit Fault Diagnosis in PMSG Drives for Wind Turbine Applications," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 9, pp. 3957-3967, 2013. [19] Das, P.S., Kim, K.H., "Real-Time Multiple Open-Switch Fault Diagnosis in Three-phase AC/DC PWM Converter for PMSG Based Grid-Connected Wind Power Generation System, " International Journal of Control and Automation, Vol.7, No.9, pp.329-344, 2014. [20] Das, P.S., Kim, K.H., "Voltage-based On-Line Fault Detection and Faulty Switch Identification under Multiple Open-Switches in Grid-Connected Wind Power Converter," International Journal of Control and Automation, Vol. 7, No. 11, pp. 401-416, 2014. [21] Mina, J. , Pérez, R. , "Fault Isolation based in Structural Analysis and EWMA of the set DFIG/Back-to-Back Converter of a Wind Energy Conversion System," 10th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), Mexico City, Mexico. September 30-October 4, 2013. [22] Zidani, F., Diallo, D., Benbouzid, M.E.H., Naït-Saïd, R., "A Fuzzy-Based Approach for the Diagnosis of Fault Modes in a Voltage-Fed PWM Inverter Induction Motor Drive," IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 55, No. 2, pp. 586-593, 2008. [23] Awadallah, M. A., Morcos, M. M., "Automatic Diagnosis and Location of Open-Switch Fault in Brushless DC Motor Drives Using Wavelets and Neuro-Fuzzy Systems," IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, pp.104-111, 2006. [24] Trabelsi, M., Boussak, M., Gossa, M., "Multiple IGBTs Open Circuit Faults Diagnosis in Voltage Source Inverter Fed Induction Motor Using Modified Slope Method," in Proc. 19th Int. Conf. Electr. Mach., Vol. 6, pp. 6–8, Sep. 2010. [25] Ribeiro, R. L. A., Jacobina, C. B., Silva, E. R. C., Lima, A. M. N., "Fault Detection of Open-Switch Damage in Voltage-Fed PWM Motor Drive Systems," IEEE Transactions on Power Electronics., Vol. 18, No. 2, pp. 587–593, 2003. [26] Freire, N. M. A., Estima, J. O., Cardoso, A. J. M., "A Voltage-Based Approach Without Extra Hardware for Open-Circuit Fault Diagnosis in Closedloop PWM AC Regenerative Drives," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61, No. 9, pp. 4960–4970, 2014. [27] Aktas, M., Turkmenoglu, V., "Wavelet-Based Switching Faults Detection in Direct Torque Control Induction Motor Drives," IET Science, Measurement & Technology, Vol. 4, No. 6, pp. 303–310, 2010. [28] کمرزرین، مهرنوش، طراحی کنترل‌کننده‌ی تطبیقی زاویه پره توربین باد، پایان‌نامه برای درجه کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید بهشتی، صفحه 53-68، 1394. [29] رحیمی، محسن، «تحلیل دینامیک مبدل سمت شبکه و طراحی کنترل‌کنندۀ خازن لینک DC در توربین-ژنراتورهای بادی با ژنراتور القایی دوسو تغذیه (DFIG) »، نشریه مهندسی و مدیریت انرژی، سال ششم، شماره 1، صفحه 16-27، بهار 1395. [30] Mehra, R. K., "On The Identification of Variance and Adaptive Kalman Filtering," IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 15, No. 2, pp.175–184, 1970. [31] Chaer W. S., Bishop R. H., Ghosh, J., "A Mixture-of-Experts Framework for Adaptive Kalman Filtering," IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics - Part B: Cybernetics, Vol. 27, No. 3, pp. 452-464, 1997. [32] Raison, B., Rostaing, G., Rognon, J. P., "Towards a Global Monitoring Scheme for Induction Motor Drives," in Proc. Int. Power Electron. Conf., pp. 1183–1188, 2000. [33] Masrur, M. A., Chen, Z., Zhang, B., Murphey, Y. L., "Model-Based Fault Diagnosis in Electric Drive Inverters Using Artificial Neural Network," in Proc. IEEE Gen. Meeting Power Eng. Soc., pp. 1–7, 2007. [34] Kral, C., Kafka, K., "Power Electronics Monitoring for a Controlled Voltage Source Inverter Drive with Induction Machines," in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., pp. 213–217, 2000. [35] Mamat, M. R., Rizon, M., Khanniche, M. S., "Fault Detection of 3-Phase VSI Using Wavelet-Fuzzy Algorithm," American Journal of Applied Sciences, Vol. 3, No. 1, pp. 1642–1648, 2006. [36] Jlassi, I., Estima O., Khil S. Kh., Bellaaj, N, M., Antonio Cardoso J. M., "Multiple Open-Circuit Faults Diagnosis in Back-to-Back Converters of PMSG Drives for Wind Turbine Systems," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 30, No. 5, pp. 2689-2702, 2015. [37] Zhao, H., Cheng, L., "Open-Circuit Faults Diagnosis in Back-to-Back Converters of DF Wind Turbine," IET Renewable Power Generation, Vol. 11, No. 4, pp. 417-424, 2017. [38] Zhao, H., Cheng, L., "Open Switch Fault Diagnostic Method for Back to Back Converters of Doubly Fed Wind Power Generation System," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 4, pp. 3452 – 3461, 2017. [39] Feire, N. M. A., Estima, J. O., Cardoso A. J. M., "Open-Circuit Fault Diagnosis in PMSG Drives for Wind Turbine Applications," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 9, pp. 3957 – 3967, 2012.