引言

在全球向清洁能源加速转型的大背景下，风力发电作为重要的可再生能源利用形式蓬勃发展。风力发电机组变流器作为连接风力机与电网的关键枢纽，负责实现电能的转换与控制，其稳定运行直接关系到整个风电机组的发电性能与电网兼容性。然而，由于风电场环境恶劣、运行工况复杂多变，变流器故障频发，严重影响机组的可用性与发电效益。因此，开展变流器故障诊断与容错控制技术研究刻不容缓，对推动风电产业持续健康发展意义重大。

一、风力发电机组变流器工作原理概述

风力发电机组变流器主要由整流器、直流环节和逆变器组成。在发电过程中，风力机带动发电机产生的交流电，首先经整流器转换为直流电，稳定直流母线电压后，再由逆变器将直流电逆变为符合电网要求的交流电并入电网。通过对功率半导体器件的精确控制，变流器实现频率、电压等电能参数的灵活变换，确保风力发电系统与电网的无缝对接^[1]。

二、风力发电机组变流器常见故障类型分析

（一）功率器件故障

IGBT 模块是变流器核心功率器件，承受高电压、大电流冲击。在长期运行、频繁开关及过应力条件下，IGBT 易出现开路、短路故障。开路故障致使相电流缺失，引起转矩脉动与功率失衡；短路故障瞬间引发极大过流，若保护不及时，将烧毁器件甚至损坏整个变流器。

（二）直流侧电容故障

直流侧电容用于平衡直流母线电压、缓冲能量波动。随着运行时间增长，电容受温度、电场等因素影响，可能出现容量衰减、等效串联电阻增大、开路或短路问题。容量衰减导致电压波动加剧，影响变流器调制精度；严重的开路或短路故障直接破坏直流母线稳定性，使变流器无法正常工作。

（三）驱动电路故障

驱动电路负责为 IGBT 提供精确的驱动信号，以保证其正常开通与关断。若驱动电路出现故障，如驱动信号失真、幅值异常或隔离失效，将导致 IGBT 工作失常，引发变流器输出异常，甚至造成功率器件损坏。

（四）控制电路故障

控制电路依据传感器反馈信号，生成控制指令调控变流器运行。一旦控制芯片、电路板等硬件出现故障，或者控制算法软件出现漏洞、死机等情况，变流器将失去有效控制，输出电能质量恶化，无法满足并网要求。

三、风力发电机组变流器故障诊断方法研究

（一）基于解析模型的故障诊断

1.状态观测器法

构建变流器状态观测器，利用系统输入输出信息估计内部状态变量，将估计值与实际测量值对比，生成残差信号。正常运行时残差接近零，当故障发生，残差超出预设阈值，以此判断故障类型与发生时刻。该方法依赖精确模型，建模误差会干扰诊断结果，但对参数变化缓慢的故障诊断效果较好。

2.等价空间法

基于变流器系统的线性动态方程，通过对输入输出数据进行特定变换，构造等价空间矩阵，检验残差向量是否满足一致性条件。若不满足，则判定系统存在故障。此方法可检测多种故障组合，但计算复杂度随系统阶数增加而升高，实时性面临挑战^[2]。

（二）基于信号处理的故障诊断

1.希尔伯特 - 黄变换（HHT）

对变流器电压、电流信号进行 HHT 分析，先通过经验模态分解（EMD）将信号分解为多个本征模态函数（IMF），再对 IMF 进行希尔伯特变换获取时频特性。不同故障在时频图上呈现独特的能量分布与频率特征，据此识别故障。HHT 自适应强，能处理非平稳信号，但 EMD 存在模态混叠问题影响诊断精度。

2.派克变换与电流矢量轨迹分析

利用派克变换将三相静止坐标系下的电流转换到同步旋转坐标系，正常运行时电流矢量轨迹为圆形。发生故障后，轨迹形状、幅值、相位改变。通过监测电流矢量轨迹的畸变情况，结合预设故障模板，可快速判断故障类型，直观且计算量较小，但对复杂故障模式区分能力有限。

（三）基于知识的故障诊断

1.专家系统

收集领域专家知识与经验，构建知识库，涵盖故障现象、原因、诊断规则等信息。推理机依据实时监测数据，按照知识库规则推理判断故障。专家系统解释性强，能处理不确定知识，但知识获取困难、更新维护复杂，面对新故障类型适应性较差。

2.模糊逻辑诊断

将变流器故障诊断中的模糊信息（如故障程度描述）模糊化处理，建立基于模糊规则的诊断模型。利用模糊推理判断故障可能性，输出模糊诊断结果再清晰化。该方法适用于处理不精确、非线性问题，但模糊规则的确定依赖专家经验，主观性较强。

四、风力发电机组变流器容错控制策略探讨

（一）冗余容错控制

1.硬件冗余

采用冗余配置的功率模块、传感器、控制器等硬件。例如，设置备用 IGBT 模块，主模块故障时，控制系统迅速切换至备用模块，维持变流器正常运行。硬件冗余可靠性高，但增加成本、体积与功耗，需优化冗余设计以平衡可靠性与经济性。

2.信息冗余

通过对传感器数据进行冗余编码、传输与校验，确保数据准确性。在数据出现错误或丢失时，利用冗余信息恢复真实数据，为控制系统提供可靠依据，防止因错误数据引发错误控制动作，提升系统容错能力。

（二）基于故障补偿的容错控制

1.电流矢量重构

在风力发电机组变流器的复杂工况下，IGBT 开路故障时有发生。此时，电流矢量重构技术发挥关键作用。一旦监测系统检测到该故障，迅速分析故障相电流的缺失详情，凭借剩余正常相电流作为基石，巧妙重构电流矢量。进而精准调整逆变器调制策略，驱动输出电流紧紧跟踪指令电流，让变流器即便处于降额运行模式，也能持续向电网稳定供电，最大程度削减发电损失^[3]。

2.电压补偿控制

在风力发电机组变流器运行过程中，直流侧电容电压波动不容忽视。电压补偿控制策略应运而生，其核心在于精心设计的电压补偿控制器。它实时监测直流侧电容电压，精准计算与额定值的偏差。一旦检测到波动，立即依偏差动态调整逆变器输出电压，如同智能稳压器，巧妙抵消波动，确保交流侧电压平稳，保障变流器与电网连接稳固，维持发电持续稳定。

五、结论

风力发电机组变流器故障诊断与容错控制技术研究对风电产业发展至关重要。通过剖析常见故障，研究多种故障诊断方法与容错控制策略，为提升风电机组可靠性与稳定性提供了有效途径。然而，现有技术仍面临模型精度、计算实时性、知识更新等诸多挑战。未来需进一步融合多学科知识，创新方法与策略，如结合深度学习提高故障诊断智能化水平，优化容错控制算法提升自适应能力，以推动风电技术迈向新高度，为全球可持续能源发展注入强劲动力。后续研究可围绕构建一体化智能诊断与容错控制系统展开，综合考虑风电场集群运行需求，全面提升风电系统的整体可靠性与运维效率。

参考文献

[1]曹晨光. 风力发电机组中的全功率变流器故障分析 [J]. 电子技术, 2024, 53 (06): 172-173.

[2]陈飞. 浅谈风力发电机组变桨逆变器故障原因和处理 [J]. 广西电业, 2022, (05): 32-34.

[3]郑立纹,张兴,王峰. 风力发电机变流器故障的分析与改进 [J]. 新型工业化, 2021, 11 (09): 197-198.

姓名：刘欢

性别：   男

民族：    汉

出生日期：1998年1月18日    

籍贯：  河南省商丘市睢县

职务/职称：    检修员

学历：  大学本科    

研究方向： 风力发电机组变流器故障诊断与容错控制技术研究。

姓名：崔一伦  

性别：   男

民族：    汉

出生日期：2001年01月06日    

籍贯：  安徽省萧县

职务/职称：  检修员

学历：  大学专科    

研究方向： 新型风力发电机组机械偏航系统的设计与性能研究方向