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针对风速波动的风力发电系统变流器开路故障鲁棒诊断方法
Robust Diagnosis Method for Open-Circuit Faults in Wind Power System Converters with Special Attention to Wind Speed Fluctuations
| 作者 | Ying Zhu · Bin Sun · Zhinong Wei |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 风电变流技术 |
| 技术标签 | 储能系统 故障诊断 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 风力发电变流器 开路故障诊断 实时电流幅值归一化 风自适应采样 混合深度学习架构 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种用于风力发电变流器开路故障(OCF)的鲁棒故障诊断框架,重点解决两大挑战对故障诊断的影响,即风速波动(由塔影效应、风切变和复杂环境条件引起)和噪声干扰。本文的主要贡献包括:1)采用派克变换的实时电流幅值归一化(RCAN)机制,用于动态信号校正;2)一种风自适应采样(WAS)策略,用于同步数据采集;3)一种新颖的混合深度学习架构,结合用于时间分析的改进门控循环神经网络(IGRNN)和用于空间特征提取的马尔可夫转移场残差网络(MTF - ResNet)。该方法通过WAS采样处理经RCAN归一化后的三相电流,然后通过IGRNN和MTF - ResNet分支并行进行时空特征提取。利用注意力机制整合这些特征以进行最终的故障分类。实验结果表明,该方法性能显著提升,在风速波动条件下、信噪比(SNR)为10dB时,诊断准确率超过97%,在可靠性和鲁棒性方面优于传统方法。
English Abstract
This paper proposes a robust fault diagnosis framework for open-circuit faults (OCF) in wind power converters, focusing on addressing the impact of two major challenges on fault diagnosis: wind speed fluctuations (induced by tower shadow effects, wind shear, and complex environmental conditions) and noise interference. The key contributions of this paper include: 1) A real-time current amplitude normalization (RCAN) mechanism using Park transformation for dynamic signal correction, 2) A wind-adaptive sampling (WAS) strategy for synchronized data acquisition, and 3) A novel hybrid deep learning architecture combining improved Gated Recurrent Neural Network (IGRNN) for temporal analysis and Markov Transfer Field Residual Network (MTF-ResNet) for spatial feature extraction. The method processes RCAN normalized three-phase current through WAS sampling, followed by parallel temporal-spatial feature extraction via IGRNN and MTF-ResNet branches. An attention mechanism integrates these features for final fault classification. Experimental results demonstrate significant performance improvements, achieving over 97% accuracy at 10dB signal-to-noise ratio (SNR) under fluctuating wind conditions, outperforming conventional approaches in reliability and robustness.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对风电变流器开路故障的鲁棒诊断技术具有显著的跨领域应用价值。尽管研究聚焦风电系统,但其核心方法论与阳光电源的光伏逆变器、储能变流器等电力电子设备的故障诊断需求高度契合。
该技术的创新点在于通过实时电流幅值归一化(RCAN)机制和风速自适应采样策略,有效应对了动态工况下的信号波动问题。这对阳光电源的分布式光伏系统尤为重要——光照强度的快速变化、云层遮挡等环境因素与风速波动在本质上具有相似的随机性和非平稳特征。将IGRNN时序分析与MTF-ResNet空间特征提取相结合的混合深度学习架构,为处理复杂工况下的多维度故障特征提供了新思路,可直接迁移至光储系统的IGBT开路故障、直流侧异常等典型故障场景。
技术成熟度方面,该方法在10dB信噪比下仍能达到97%以上的准确率,显示出良好的抗干扰能力,这对工业现场应用至关重要。然而,深度学习模型的计算复杂度可能对边缘侧实时诊断形成挑战,需要在模型轻量化与诊断精度间寻求平衡。
对阳光电源而言,核心机遇在于将此技术整合到智慧运维平台中,提升全生命周期设备健康管理能力。特别是在大型地面电站和工商业储能项目中,预测性维护可显著降低非计划停机损失。建议重点关注算法的嵌入式部署优化、多故障类型扩展以及与现有SCADA系统的融合,以构建差异化的智能诊断竞争优势。