Fault Diagnosis in AC Drives and Wind Turbine Doubly-Fed Induction Generators Based on Three-Level NPC Converters

Abstract

Currently, wind energy conversion systems based on doubly-fed induction generators (DFIGs) are the most popular configuration in the wind energy market due to their advantages such as reduced converter cost, variable speed operation and control capability. On the other hand, multilevel converters have become an attractive alternative, especially in high-power wind turbines, as they are able to meet the increasing demand for higher power ratings in this type of application. Amongst the different multilevel converters topologies, three-level neutral-point-clamped (3LNPC) converters are highly popular. Although they have been extensively used in medium-voltage AC motor drives, the large number of switches and gate drivers used in this converter topology increases the probability of the occurrence of a fault. Therefore, the use of reliable real-time diagnostic systems is able to improve the availability of the power converter and of the drive system as a whole. In addition, inter-turn short-circuit (ITSC) faults in the stator and rotor windings of DFIGs are one of the most common types of faults reported in the literature. To avoid unscheduled downtimes and to minimize the maintenance costs associated with wind turbines, it is imperative to implement reliable diagnostic systems for the detection of this type of faults as well. Having this in mind, the main goals of this thesis are twofold: the diagnosis of faults in 3LNPC converters used in different applications and the diagnosis of faults in the stator and rotor windings of DFIGs used in wind energy conversion systems. Regarding the first goal, open-circuit (OC) faults in 3LNPC converters, used in induction motor (IM) drives and DFIG systems, were investigated. For the case of IM drives, three novel real-time diagnostic approaches for the detection and identification of power switch OC faults in 3LNPC inverters were developed. The first approach is based on the average current Park’s Vector (ACPV) and has the capability of pinpointing the exact location of the faulty IGBT. The second diagnostic approach has the ability to detect and identify multiple OC IGBT faults in 3LNPC inverters. This approach is based on the average values of the positive and negative parts of the output currents. The third diagnostic approach relies on the analysis of the pole voltages of the inverter and is able to detect and identify multiple OC faults in the IGBTs as well as OC fault in the clamp-diodes of 3LNPC inverters. The significant advantages of this new technique, which makes it superior to their counterparts reported in the literature, are the independence of the diagnostic process with regard to the operating conditions of the system and a fast diagnosis, both in steady-state and in transient conditions. With regard to DFIG systems, their performance under different semiconductor OC faults in the rotor-side converter was investigated and a diagnostic approach with the capability of detecting and locating OC faults in the IGBTs as well as in the clamp-diodes of the converter was developed. This diagnostic approach is similar to the third diagnostic method proposed for IM drives but constitutes a simplified version of it, with a smaller number of diagnostic variables. This approach provides very fast and reliable diagnostic results for all operating conditions of the DFIG system, including operation in the subsynchronous and supersynchronous regions. As for the second main goal of this thesis, ITSC faults in the stator and rotor windings of the DFIG were investigated and an approach towards the detection and quantification of these types of faults was introduced. The diagnostic approach proposed is based on the spectrum analysis of the stator instantaneous reactive power. In addition, for each type of fault, a severity factor was defined that indicates the extension of the fault. In order to conduct a detailed analysis of the DFIG system, a mathematical model of the DFIG, based on the modified winding function approach (MWFA), was developed and implemented in Matlab/Simulink environment. This model allows the introduction of ITSC faults in the stator and rotor windings of the DFIG and includes phenomena such as the effects of the linear rise of magnetomotive force (MMF) across the slots, stator and rotor slotting, and magnetic saturation. The diagnostic methods proposed for semiconductor faults and for DFIG windings faults can easily be integrated into the control system of the DFIG, thus increasing their availability and reducing its maintenance cost. They can easily be applied in real wind generation systems, having a high potential for commercialization and large scale production.

Atualmente, os sistemas de conversão de energia eólica baseados em máquinas de indução duplamente alimentadas (MIDAs) são a configuração mais popular no mercado da energia eólica devido às suas vantagens, tais como um custo reduzido do conversor de potência, capacidade de operação a uma velocidade variável e grande capacidade de controlo. Por outro lado, os conversores multinível tornaram-se uma alternativa atraente, especialmente em turbinas eólicas de grande potência, sendo capazes de atender à procura crescente de geradores com uma potência nominal cada vez maior neste tipo de aplicação. Entre as diferentes topologias de conversores multinível, os conversores de três níveis na configuração NPC (3LNPC) são bastante populares. Embora os conversores 3LNPC sejam amplamente utilizados em acionamentos elétricos baseados em motores de indução de média tensão, o número elevado de semicondutores de potência e circuitos de comando usados nesta topologia de conversor de potência aumenta a probabilidade de corrência de uma falha. Por conseguinte, o uso de sistemas de diagnóstico em tempo real fiáveis permite o aumento da disponibilidade do conversor de potência e do acionamento elétrico como um todo. Adicionalmente, os curtos-circuitos entre espiras nos enrolamentos do estator e do rotor da MIDA são um dos tipos mais comuns de falhas relatados na literatura publicada neste domínio. De modo a evitar paragens não programadas e a minimizar os custos de manutenção associados às turbinas eólicas, é imperativo implementar sistemas de diagnóstico fiáveis também para a deteção deste tipo de falhas. Tendo isto em mente, os objetivos desta tese são duais: (i) o diagnóstico de falhas em conversores 3LNPC usados em diferentes aplicações e (ii) o diagnóstico de falhas nos enrolamentos do estator e do rotor da MIDA, usada em sistemas de conversão de energia eólica. Relativamente ao primeiro objetivo, foram investigadas falhas de circuito aberto em conversores 3LNPC usados em acionamentos elétricos baseados no motor de indução trifásico (MIT) e em sistemas de conversão de energia eólica baseados na MIDA. Para o caso dos acionamentos baseados no MIT, foram desenvolvidas três novas estratégias de diagnóstico em tempo real para a deteção e identificação de falhas de circuito aberto em inversores 3LNPC. A primeira estratégia é baseada no Vetor de Park dos valores médios das correntes (ACPV), tendo esta estratégia a capacidade de localizar com exatidão o IGBT em falha. A segunda estratégia de diagnóstico tem a capacidade de detetar e identificar falhas múltiplas de circuito aberto em IGBTs usados em inversores 3LNPC. Esta segunda abordagem baseia-se na análise dos valores médios das alternâncias positiva e negativa das correntes de saída do inversor. A terceira estratégia de diagnóstico baseia-se na análise das tensões polares do inversor e é capaz de detetar e identificar falhas múltiplas de circuito aberto nos IGBTs bem como falhas de circuito aberto nos díodos de fixação usados nos inversores 3LNPC. As principais vantagens desta nova estratégia de diagnóstico, que a tornam superior às suas concorrentes relatadas na literatura, são a independência do processo de diagnóstico relativamente às condições de funcionamento do sistema e um diagnóstico extremamente rápido, quer em regime permanente quer em regime transitório. No que diz respeito aos sistemas de conversão de energia eólica baseados na MIDA, foi investigado o seu desempenho na presença de diferentes falhas de circuito aberto no conversor de potência do lado do rotor, tendo sido desenvolvida uma nova estratégia de diagnóstico com a capacidade de detetar e localizar falhas de circuito aberto nos IGBTs e nos díodos de fixação desse conversor. Esta estratégia de diagnóstico é bastante semelhante à terceira estratégia proposta para os acionamentos baseados no MIT, constituindo uma versão simplificada da mesma dado recorrer a um menor número de variáveis de diagnóstico. Esta abordagem fornece resultados de diagnóstico muito rápidos e fiáveis para todas as condições de funcionamento da MIDA, incluindo o funcionamento nas regiões subsíncrona e supersíncrona. Relativamente ao segundo grande objetivo desta tese, foi investigada a ocorrência de curtoscircuitos entre espiras nos enrolamentos do estator e do rotor da MIDA, tendo ainda sido introduzida uma estratégia de diagnóstico com o objetivo de detetar e quantificar este tipo de falhas. A estratégia de diagnóstico proposta baseia-se na análise espetral da potência reativa instantânea total do estator, tendo ainda, para cada tipo de falha, sido definido um fator de severidade que indica a extensão da falha. Para realizar uma análise detalhada do comportamento da MIDA, foi desenvolvido e implementado em ambiente Matlab/Simulink, um modelo matemático da MIDA, baseado no uso da função de enrolamento modificada. Este modelo permite a introdução de falhas nos enrolamentos do estator e rotor da MIDA e inclui fenómenos tais como o aumento linear da força magnetomotriz ao longo das ranhuras da máquina, efeitos das ranhuras do estator e rotor, e saturação magnética. Os métodos de diagnóstico propostos para as falhas nos semicondutores de potência e falhas nos enrolamentos da MIDA podem ser facilmente integrados no sistema de controlo da mesma, aumentando desta forma a sua disponibilidade e reduzindo os respetivos custos de manutenção. Eles poderão portanto ser aplicados em sistemas de geração eólica reais, tendo um elevado potencial de comercialização e utilização em grande escala.