CN103744023A - 一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法 - Google Patents

一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，通过双馈风力发电机转子侧的电流传感器、电压传感器分别测得转子侧电流、转子侧电压信号；判断若到达采样时间，对采集到的电压信号由线电压转化为相电压；将每相的电流、电压信号相乘得到每相的功率信号；将所得的每相功率信号对应相加得到总的三相功率信号；总的三相功率信号进行傅里叶变换，得到转子侧功率频谱图；提取频谱图中2f1处的幅值作为特征值，f1为定子侧电网基频；判断电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.2-1.6倍，若大于，则发出故障报警。该方法能够进行灵敏的实时在线检测故障，具有很强的抗干扰能力并且实现简单。

Description

一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法
技术领域
本发明涉及一种双馈风力发电机故障的检测方法，特别是一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法。
背景技术
随着我国并网风力发电机组安装容量日益增加，以及海上风力发电的发展，提高和保障风力发电机组运行的可靠性已经成为国内外关注的焦点。双馈风力发电机是目前风力发电机中应用的一种主流机型，风力发电机通常工作于气候恶劣的环境及全天候运行的交变载荷工况下，发生故障的概率较大，其中双馈风力发电机组中很大一部分故障是由定子引起的。因此对双馈风力发电机的定子绕组故障在线检测是极其重要。
目前，通过监测发电机径向振动特征来监测发电机绕组故障，但此方法需要外加振动传感器，对运行中的风力发电机有技术上的困难，同时也增加了风力发电机运行成本。也有从转子侧电流频谱或电压频谱来提取特征量在线检测双馈风力发电机定子绕组故障，然而由于其特征频率表达式中包含了转差s，如电流频谱的特征频率为fr=(2k±s)f1，f1为定子侧电网基频，其中k取正整数，对转差率s的跟踪、计算精度的要求很高，计算量大，容易产生误差。另还有采用轴向磁通，定子负序电流，小波分析等方法来检测定子绕组故障，但其灵敏度与可靠性还有待验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在于克服现有技术的不足而提供一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，该方法能够进行灵敏的实时在线检测故障，具有很强的抗干扰能力并且实现简单。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过双馈风力发电机转子侧的电流传感器、电压传感器分别测得转子侧电流、转子侧电压信号；
步骤二、判断是否到达采样时间，若未到达采样时间，则重复步骤一，否则执行步骤三；
步骤三、对采集到的电压信号由线电压转化为相电压；
步骤四、将每相的电流、电压信号相乘得到每相的功率信号；
步骤五、将步骤四中所得的每相功率信号对应相加得到总的三相功率信号；
步骤六、对步骤五中所得总的三相功率信号进行傅里叶变换，得到转子侧功率频谱图；
步骤七、提取频谱图中2f1处的幅值作为特征值，f1为定子侧电网基频；
步骤八、判断发电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.2-1.6倍，若大于，则发出故障报警；否则返回步骤一。
作为本发明的一种双馈风力发电机转子绕组故障的检测方法进一步的优化方案，所述步骤一中的电流传感器为霍尔传感器，电压传感器为低频电压测量装置。
作为本发明的一种双馈风力发电机转子绕组故障的检测方法进一步的优化方案，所述步骤八中是判断发电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.3倍来发出故障报警。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明功率谱的特征频率为2f1，f1为定子侧电网基频，特征频率不受转差率s的影响，即在转差发生轻微改变或存在误差的情况下，特征频率不会随之改变，具有很强的抗干扰能力；在不影响双馈风力发电机运行方式下即可以实现在线检测故障；该方法提高了检测发电机故障的灵敏度、检测可靠并且实现简单。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明的实验原理图。
图3是本发明定子绕组无故障状态下转子侧功率频谱图。
图4是本发明定子绕组故障状态下转子侧功率频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过双馈风力发电机转子侧的电流传感器、电压传感器分别测得转子侧电流、转子侧电压信号；
步骤二、判断是否到达采样时间，若未到达采样时间，则重复步骤一，否则执行步骤三；
步骤三、对采集到的电压信号由线电压转化为相电压，设为a、b、c三相；
步骤四、将每相的电流、电压信号相乘得到每相的功率信号，以A相为例：
pa=ua×ia    （1）
其中，ua为双馈机相电压的瞬时值，ia为双馈机相电流的瞬时值，pa为双馈机的单相瞬时功率；
步骤五、将步骤四中所得的每相功率信号对应相加得到总的三相功率信号，总的功率信号为：p=pa+pb+pc；式中，pa、pb、pc分别为a、b、c三相的功率，p为三相总功率；
步骤六、对步骤五中所得总的三相功率信号进行傅里叶变换，得到转子侧功率频谱图；
步骤七、提取频谱图中2f1处的幅值作为特征值，f1为定子侧电网基频；以A相为例，正常情况下的双馈风力发电机，转子侧电流、电压均为理想的正弦波，可分别写成
Figure BDA0000446240190000031
式中，ω2为转子侧基波电压的角频率，即有ω2=sω1，其中s为转差率，ω1为定子侧角频率；Uma为基波相电压的幅值；Ima为基波相电流的幅值；
Figure BDA0000446240190000032
为基波电流落后于电压的相位角；
将式（2）代入到式（1）中，可得无故障时双馈发电机转子侧A相瞬时功率为：
Figure BDA0000446240190000033
f1＝ω1/2π，f2＝ω2/2π
式（3）表明，转子侧瞬时功率为一频率为2f2的分量和一个恒定分量，f2=sf1；
当双馈风力发电机发生定子绕组故障时，转子侧的特征信息会比定子侧显著，且转子侧电气量的故障特征频率成分为(2-s)f1，其中，s为转差率，f1为定子侧电网基频，故此时转子A相电压可表示为:
ua=Umacosω2t    （4）
此时，转子A相故障电流分量可表示为：
式（5）中，Ipa为A相故障电流分量幅值；
Figure BDA0000446240190000036
为其初相位；
此时的转子侧A相瞬时功率为：
Figure BDA0000446240190000041
由式（6）可以看出：当双馈风力发电机机定子绕组发生故障时，转子侧瞬时功率谱中，除了产生与正常状态相同的2f2的分量和一个恒定分量外，还产生了频率为2f1和2(1-s)f1的定子绕组故障分量；理论分析表明特征频率2f1、2(1-s)f1均可作为故障特征量，不过由于双馈风力发电机的转差率s受风速影响，具有实时变化性，为了避免转差率s的跟踪和计算误差引起特征频率的计算偏差，选择频率2f1作为故障特征频率，具有很好的检测可靠性，因此选取转子瞬时功率谱的2f1频率处的幅值作为定子绕组故障的特征量；
步骤八、判断电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.2-1.6倍，若大于，则发出故障报警，否则返回步骤一。
其中，步骤一中的电流传感器为霍尔传感器，电压传感器为低频电压测量装置。步骤八中是判断发电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.3倍来发出故障报警。
图2为本发明通过在定子侧串联电阻的方式来模拟定子绕组不对称的故障情况，此方法简单易行。设置不同的工况，分别为定子绕组无故障情况，定子绕组一相串联故障电阻：R=Rs、R=3*Rs、R=5*Rs三种不同程度的不对称故障情况，共四种工况，其中，Rs为定子绕组自电阻。由于风机工作时的风速是不定的，故试验过程中考虑不同风速下，故障检测方法的实用性。本发明综合考虑了亚同步，同步，超同步三种情况，设置了五种转速。在四种工况下，对应每种转速都要进行试验。
由实验测得的转子侧的电流电压后，根据上述步骤求取其特征值，即转子瞬时功率谱2f1频率处的幅值。最终结果如表1所示。
表1
从表1中表明，特征值能够很明显的反应定子绕组故障的发生，且随着故障严重程度的增加，特征值随之增加，而且结论在不同转速下都适用。
通过以上试验可以看出，本发明可对双馈风力发电机定子绕组不对称故障进行在线诊断，灵敏度高，且实现简单。
如图3和图4所示，分别为双馈风力发电机机无故障时和定子绕组不对称故障情况下的转子侧瞬时功率谱图，从图中可以看出在故障时，特征值比无故障情况下明显变大。该频谱图表明此检测故障的方法中的特征值具有很好的敏感性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过双馈风力发电机转子侧的电流传感器、电压传感器分别测得转子侧电流、转子侧电压信号；
步骤二、判断是否到达采样时间，若未到达采样时间，则重复步骤一，否则执行步骤三；
步骤三、对采集到的电压信号由线电压转化为相电压；
步骤四、将每相的电流、电压信号相乘得到每相的功率信号；
步骤五、将步骤四中所得的每相功率信号对应相加得到总的三相功率信号；
步骤六、对步骤五中所得总的三相功率信号进行傅里叶变换，得到转子侧功率频谱图；
步骤七、提取频谱图中2f1处的幅值作为特征值，f1为定子侧电网基频；
步骤八、判断发电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.2-1.6倍，若大于，则发出故障报警；否则返回步骤一。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，其特征在于，所述步骤一中的电流传感器为霍尔传感器，电压传感器为低频电压测量装置。
3.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机定子绕组不对称故障检测方法，其特征在于，所述步骤八中是判断发电机故障状态下的特征值是否大于电机无故障状态下的特征值的1.3倍来发出故障报警。
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