CN105221353B - 双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，包括：在时间段t内同步采集叶轮的转速、双馈风力发电机的转子和定子的单相电流、有功功率；选取叶轮的转速平稳的时间段t₁，并计算叶轮的转速平均值n_w；判断转速平均值n_w是否小于叶轮的额定转速n_N；如果是，则计算叶轮的一倍转频f_w；将时间段t₁内转子的单相电流和/或定子的单相电流进行希尔伯特包络解调，并确定包络解调频谱图中是否存在故障频率nf_w；如果存在，则计算时间段t₁内双馈风力发电机组的有功功率的平均值P；如果有功功率的平均值P小于有功功率基值P₁，则判定双馈风力发电机组存在叶轮气动不对称故障。本发明提高了诊断的准确性。

Description

双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法。

背景技术

风能作为一种清洁、绿色的可再生能源，已成为世界各国新能源发展的重要方向。风力发电机组的叶轮气动不对称实际是指三个叶片的气动转矩分布不均匀，其原因可能是由于安装或制造误差造成某个叶片的桨距角与其它叶片的不同、或者由于叶片表面覆冰等原因改变了翼型。

由于气动不对称直接导致风力机输出机械转矩减小并产生波动，从而进一步影响发电机输给电网的有功功率和电能质量；除此之外，气动不对称还会引起风机组轴系的振动，加剧叶片、轴承等部件的疲劳，长时间运行会对机组产生非常大的危害。

针对叶轮气动不对称，部分学者利用加速度传感器采集机组的机械振动信号来进行故障诊断，该方法存在传感器安装不便以及测量不准确的问题。还有少数学者利用电气信号(如定子电流)频谱分析来诊断叶轮不平衡的故障，但未具体指出叶轮的不平衡类型(如质量不平衡、气动不对称等)，并且这些方法中只笼统地考虑了叶轮故障与发电机的电气量的关系，并未明确叶轮不平衡对双馈风力发电机和普通发电机产生的不同影响，也未考虑对双馈风力发电机组的控制系统的影响，而控制系统是双馈风力发电机组的重要组成部分，是发电机与电网之间的中枢系统，叶轮气动不对称对控制系统的影响不可忽略。现有技术中没有明确针对叶轮气动不对称故障的诊断方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，从而克服现有技术中没有明确针对叶轮气动不对称故障的诊断方法的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，诊断方法包括如下步骤：在时间段t内同步采集叶轮的转速、双馈风力发电机的转子和定子的单相电流、双馈风力发电机组的有功功率，并保存所采集的数据；在时间段t内，选取叶轮的转速平稳的时间段t₁，并计算时间段t₁内的叶轮的转速平均值n_w；判断转速平均值n_w是否小于叶轮的额定转速n_N；如果转速平均值小于叶轮的额定转速，则计算叶轮的一倍转频f_w，其中一倍转频f_w＝n_w/60；将时间段t₁内转子的单相电流和/或定子的单相电流进行希尔伯特包络解调，并确定转子的单相电流和/或定子的单相电流的包络解调频谱图中是否存在故障频率nf_w，其中n为正整数；如果存在故障频率nf_w，则计算时间段t₁内双馈风力发电机组的有功功率的平均值P；查询正常工况下转速平均值n_w所对应的有功功率基值P₁；如果有功功率的平均值P小于有功功率基值P₁，则判定双馈风力发电机组存在叶轮气动不对称故障。

优选地，上述技术方案中，诊断方法基于双馈风力发电机组的最大风能追踪控制策略。

优选地，上述技术方案中，转速、转子的单相电流和定子的单相电流通过电流传感器和数据采集仪进行采集。

优选地，上述技术方案中，数据采集仪还用于采集有功功率。

优选地，上述技术方案中，有功功率基值P₁从双馈风力发电机组固有的功率-转速曲线中获得，或直接从风场初期的的运行数据中获取。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明公开了叶轮气动不对称故障与双馈风力发电机组整个系统，尤其是与发电机以及控制系统的关系，并在转子电流和定子电流中清晰地观察到了故障频率，明确地确定机组的叶轮是否存在气动不对称故障，提高了诊断的准确性，且该方法容易实施。

附图说明

图1是根据本发明的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法的流程图。

图2是根据本发明的数据采集的示意图。

图3是叶素翼型平面内的速度与受力示意图。

图4是根据本发明的叶轮的气动不对称的等效图。

图5是根据本发明的双馈风力发电机的转子侧变换器矢量控制框图。

图6是根据本发明的定子的单相电流的纵向对比图。

图7是根据本发明的转子的单相电流的纵向对比图。

主要附图标记说明：

1-转速传感器，2-转子电流传感器，3-传感器组件，4-数据采集仪，5-风力机，6-叶轮，7-增速箱，8-双馈风力发电机，9-变压器，10-并网，11-故障诊断分析，12-计算机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

如图1所示，根据本发明具体实施方式的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法包括如下步骤：

1)利用转速传感器、电流传感器以及功率传感器分别在时间段t内同步采集双馈风力发电机组的叶轮6的转速、双馈风力发电机的转子的单相电流、定子的单相电流以及双馈风力发电机组的有功功率，并将所采集的数据保存到计算机内，以进行故障诊断分析。

2)在时间段t内，选取叶轮6的转速平稳的时间段t₁(t₁<t)，并计算时间段t₁内的叶轮6的转速平均值n_w。

3)判断所述转速平均值n_w是否小于叶轮6的额定转速n_N。

4)如果转速平均值n_w小于叶轮6的额定转速n_N，则计算叶轮6的一倍转频f_w，其中f_w＝n_w/60；否则，返回步骤2)。

5)将时间段t₁内转子的单相电流和/或定子的单相电流进行希尔伯特包络解调，并确定转子的单相电流和/或定子的单相电流的包络解调频谱图中是否存在故障频率nf_w，其中n＝1,2,3…，即n为正整数。

6)如果存在故障频率nf_w，则计算时间段t内的有功功率的平均值P；否则，返回步骤2)。

7)如果有功功率的平均值P小于正常工况下转速平均值n_w所对应的有功功率基值P₁，则可以判定双馈风力发电机组存在叶轮气动不对称故障；否则，双馈风力发电机组的叶轮6存在其他故障。

具体地，作为一个实施例，可以根据机组固有的功率-转速曲线来查找有功功率基值P₁，如图1所示。作为另一个实施例，可以直接从风场初期的运行数据中获取有功功率基值P₁。

优选地，如图2所示，风力机5的叶轮6在风能带动下旋转，由于叶轮6的转速很低，因此利用增速箱7进行升速，从而带动双馈风力发电机8高速旋转发电，然后再经变压器9变比后并网10。转速传感器1、转子电流传感器2、定子电流传感器和功率传感器(二者形成传感器组件3)的数据通过一台数据采集仪4来同时采集，然后数据采集仪将数据传送至计算机12，以便进行故障诊断分析11。

实施例2

下面通过叶素翼型平面内的速度与受力来分析双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障给气动转矩和有功功率带来的影响。

该实施例以动量叶素理论(BEM)为基础。叶素理论将叶片分割成N等份，假定每一份叶素翼型均一致。叶素翼型平面内的速度与受力示意图如图3所示。对于旋转状态下的风力机5(如图2所示)的叶轮6而言，叶素气动力只考虑与叶轮旋转平面平行的切向牵引力F_T和与叶轮旋转平面垂直的轴向推力F_N，其中，F_T的作用是产生气动转矩并输出给双馈风力发电机8(如图2所示)。

正常情况下，三个叶片的桨距角均相等为β，三个叶片相同位置的叶素处所受的相对风速均为W，翼型攻角α也相等，因此三个叶片所受的气动力一样，气动转矩也相等，叶轮气动对称。并且根据风力机气动理论，在设计的桨距角β下，各叶素所受的切向牵引力F_T最大，气动转矩也最大。

但是当某叶片的桨距角变为β^*，与其它两个叶片不一样时(如图3中的虚线部分所示)，在相对风速一致情况下，翼型攻角变为α^*，则该叶片所受的气动力变为F_T1和F_N1，气动转矩也与其它两个叶片不同，从而造成叶轮6的气动不对称。

如图4所示，令F_TC＝F_T-F_T1，则气动不对称可以等效为在正常工况下的切向牵引力F_T上附加了一个反向不对称力F_TC。根据力的平移原理，F_TC可以等效为在主轴处的附加转矩T_C和附加切向力F_TC，其中T_C＝F_TC×R_C。同理，轴向推力F_N1也可以等效成F_N以及主轴处附加轴向力F_NC和附加弯矩M_C，其中M_C＝F_NC×R_C。

上述分析可知，叶轮气动不对称会产生两方面的影响：第一，风轮输出总转矩发生变化；第二，在F_TC和F_NC的影响下，机舱和塔座都会产生振动，在该振动的影响下，相对叶轮6的来流风速也会发生变化，从而使得三个叶片所受的气动力发生波动，该波动的频率等于叶片的转频。

叶轮6输出的总气动转矩T_w可表达为：

T_w＝T_w0-T_im1+T_im2cos(ω_wt+φ_w) (1)

式中，T_w0为正常情况下三个叶片的总气动转矩；T_im1为主轴处的附加转矩所累积的总转矩，即各叶素上所对应的T_C之和；T_im2为转矩周期波动量的幅值；ω_w为叶轮的角速度；φ_w为叶轮的初始位置角度。

由式(1)可知，气动不对称故障造成风机输出的气动转矩减小，并且存在周期波动。风机输出转矩的减小会使有功功率降低，即双馈风力发电机组的有功功率与正常工况相比有一定程度的下降。并且，当转矩周期性波动时，轴转速也会出现相同频率的波动。因此ω_w可表示为：

ω_w＝ω_w0+ω_wg cosω_wt (2)

式中，ω_w0为转矩(T_w0-T_im1)对应的角速度，ω_wg为叶轮6的转速周期波动的幅值。

实施例3

下面是双馈风力发电机组在最大风能追踪运行时分析叶轮6的气动不对称故障对转子的电流和定子的电流产生的影响。

为了提高风能利用率和风力发电效率，在双馈风力发电系统中普遍采用最大风能追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略。其中最佳功率-转速曲线法是目前大多数双馈风力发电机组在MPPT控制时普遍采用的方法。它是指在机组并网并且运行在额定转速以下时，为了捕获最大风能，需要风力机5的风能利用系数始终保持最大值C_pmax，而风力机5桨距角处在不调节状态，通过控制发电机的输出功率来间接调节机组转速，保持最佳的叶尖速比，实现变速恒频运行。

在最大风能追踪运行时，叶轮6不同的角速度均对应一个风力机5(如图2所示)的最优输出功率P_opt，

P_opt＝k_w(ω_w)³ (3)

式中，k_w＝0.5ρS_w(R_w/λ_opt)³C_pmax，是与风力机5有关的参数。其中ρ为空气密度；S_w为叶轮6的扫掠面积；R_w为叶轮6的半径，λ_opt为最佳叶尖速比。

根据最大风能追踪的原理，当风力机5输出的机械功率为最优功率P_opt时，双馈风力发电机组的有功功率P_s即为有功功率参考值P_s ^*。

考虑到定子电磁功率：P_es＝P_s+P_cus，可得到P_s ^*的表达式为：

式中，s为转差率；P_m为双馈风力发电机组的机械损耗；P_cus＝3I_s ²R_s为定子的铜耗，I_s，R_s分别为定子的电流和电阻。将P_cus带入上式并整理可得：

在叶轮气动不对称情况下，将ω_w的表达式(2)带入(5)可得气动不对称时有功功率参考值的表达式为：

P_s ^*＝P₀+k₃cos3ω_wt+k₂cos2ω_wt+k₁cosω_wt (6)

式中，

图5为双馈风力发电机的转子侧变换器矢量控制的通用系统，功率外环经过PI控制计算后得到转子电流参考值，转子电流参考值再经过PI控制以及坐标变换，得到脉宽调制(pilse width modulation，PWM)控制的调制信号，转子侧变换器(Roter Side Convert,RSC)根据调制信号实现对转子电流和电压的调节控制，从而使双馈风力发电机(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)发出符合并网要求的电。

根据图5和式(6)，有功功率外环PI控制器的输入可表示为：

对上式(8)进行拉氏变换可得，

根据式(9)和PI控制器的传递函数可得：

式中，I_rd(s)为外环PI控制器输出的转子d轴电流的拉氏变换；K_p为控制器比例系数；K_i为积分系数。

对上式(10)求拉式逆变换可得：

式中，i_rdref为转子d轴电流参考值稳态分量；C_m＝k_mK_p；S_m＝k_mK_i/mω_w，m＝1,2,3。

由于无功功率参考值Q*一般根据系统功率因数给定，不受叶轮6转速的影响，所以转子q轴电流参考值可表示为：

同理再结合图5、式(11)以及内环PI控制传递函数，并求拉式反变换可得转子d轴电压参考值：

式中，u_rdref为内环PI控制器输出的转子d轴电压稳态分量；K_pv和K_iv分别为PI控制的比例和积分系数；C_mv＝C_mK_pv-S_mK_iv/mω_w；S_mv＝S_mK_pv+C_mK_iv/mω_w，(m＝1，2，3)。

同时结合式(12)以及PI控制传递函数可求出转子q轴电压参考值：

式中，u_rqref为转子q轴电流PI控制器的输出。

式(13)、(14)为同步坐标系下转子电压参考值的解析式，根据派克变换可求出三相静止坐标系下转子a相参考电压表达式为：

式中，ω_z＝sω₁为转差频率(s为转差率，ω₁为同步角频率)；U_r、分别为转子基波电压的幅值和相角；为ω_z+mω_w谐波电压的相角；为ω_z-mω_w谐波电压的相角，m＝1，2，3。

转子b、c相电压与a相类似，只不过同一频率对应的相角互差120°。

由式(15)可以看出，进入PWM之前的转子电压参考值含有角频率为ω_z±mω_w的谐波分量，根据PWM的原理，此时，转子侧变换器输出的转子励磁电压可表示为：

U_r＝U_rs+U_rh+U_rμ (16)

式中，U_rs为转差频率电压，即变换器输出的基波电压；U_rh为由于开关器件开断造成的高频谐波成分；U_rμ为转子电压参考值中角频率为μ的谐波分量引起的变换器同频率电压输出，μ＝ω_z±mω_w(m＝1，2，3)。

在式(16)中，U_rμ的幅值与转子电压参考值中同频率谐波分量幅值U_rm 存在正比关系。

转子谐波电压U_rμ对应的转子电流为I_rμ，根据DFIG转子侧谐波等效电路，转子ω₁±mω_w谐波电流可计算如下：

式中，

其中，R_s和R_r分别为定子和转子绕组电阻；L_sσ、L_rσ和L_M分别为定、转子绕组基波漏电感和激磁电感；K_sμ和K_rμ分别为谐波对应的定子、转子绕组电阻增加系数；s_μ＝ω₁±mω_w/ω_z±mω_w。

由式(17)、(18)可知，叶轮气动不对称情况下，转子电流中除了角频率为ω_z的基波之外，还含有角频率为ω_z±mω_w的谐波电流分量。不考虑高开关频率，转子a相电流可表示为：

式中，I_r、φ₀分别为转子基波电流的幅值和相角；I_rm为μ＝ω_z±mω_w时谐波电流I_rμ的幅值；φ_1m为μ＝ω_z+mω_w时谐波电流I_rμ的相角；φ_2m为μ＝ω_z-mω_w时谐波电流I_rμ的相角，m＝1，2，3。

转子b、c相电流与a相类似，只不过同频率所对应的相角互差120°。

转子电流中角频率为ω_z±mω_w的分量会产生空间旋转磁场，相对于转子绕组的转速为

转子绕组产生的旋转磁场随转子一起旋转相对于静止空间的转速为：

式中，n_r为转子转速；n₁为同步速。

由式(21)可知，转子电流中角频率为ω_z±mω_w的谐波在定子绕组中感应出角频率为ω₁±mω_w的谐波电动势和电流。在不考虑铁芯饱和和气隙磁场不对称的情况下，定子的ω₁±mω_w谐波电流大小由转子电流中的ω_z±mω_w谐波电流大小决定。

根据双馈风力发电机的电磁转矩表达式：

式中，i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别为发电机定子、转子电流的d、q轴分量。

将定子、转子同步旋转坐标系下的i_sd、i_sq、i_rd、i_rq带入上式，可得双馈风力发电机的电磁转矩：

式中，T_e0为定子、转子基波电流对应的电磁转矩，为直流量；上式第二项为定转子谐波电流对应的电磁转矩交流分量，其中T_em为：

T_em＝3pL_M(i_sqI_rm-i_rqI_sm) (m＝1,2,3) (24)

式中，I_sm为定子电流中ω₁±mω_w谐波幅值。

由式(23)可知，双馈风力发电机的电磁转矩存在mω_w谐波。转矩的波动会使机组振动增加，并造成轴承等机械部件的磨损，影响机组寿命。

综上所述，叶轮气动不对称故障在初期只是导致气动转矩和叶轮转速中出现频率为叶轮一倍转频的谐波分量，但是为了追踪机组风速-功率曲线上的最优功率，引入了叶轮转速的三次方，进而使得机组定子、转子电流、电磁转矩均包含谐波。根据双馈风力发电机组的运动方程：

式中：ω_r为发电机转子电角速度；p为极对数；J为风力发电机组的转动惯量。

由上式(25)可知，当电磁转矩包含mω_w(m＝1，2，3)谐波时，会进一步使气动转矩和叶轮转速的谐波增加，当叶轮转速再进入功率参考值(如公式(3)所示)，谐波更多更加复杂，并由此陷入了一个恶性循环，使得机组电气量(定子电流、转子电流、电磁转矩)的谐波不断的增加，在一定程度上影响了机组的发电效率和稳定运行。

由此可知，在双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障下，转子电流中除了频率为f_z(2πf_z＝ω_z)的基波外，还应包含f_z±nf_w的谐波分量；定子电流中除了频率为f₁(2πf₁＝ω₁)的基波外，还包含f₁±nf_w的谐波分量，n＝1，2，3…，为正整数。其中频率f_w(2πf_w＝ω_w)为叶轮的一倍转频。多倍转频nf_w一般称为故障频率或调制频率，可通过希尔伯特包络解调法将其解调出来。

实施例4

下面利用MATLAB的Simulink模块，搭建了一个1.5MW的双馈风力发电机组平台。平台搭建好之后，分别进行了正常工况以及气动不对称工况的仿真。两种工况下风机的运行参数相同，均为恒定风速10.5m/s，处于最大风能追踪区，叶轮的转速为23rpm，其一倍转频f_w约为0.383Hz。图6、7给出了正常和气动不对称故障两种工况下定子电流和转子电流的仿真对比结果。

图6(a)是转子电流时域波形，在6.5-8.5s时间内，初期的不对称电流超前于正常电流，随后二者逐渐同步，在8.5s之后，不对称电流又逐渐落后于正常电流，二者如此循环交替。出现这种现象的原因是由于叶轮气动不对称时发电机转子的转速波动使得转子电流的频率和相位与正常工况相比发生了波动。在转子电流FFT频谱图6(b)中，除了基频外，还能看到一些其它频率的存在，但不易辨识。图6(c)是对转子电流包络解调的结果，比较清晰的观察到在叶轮的一倍转频f_w及其二倍转频2f_w处存在峰值，进一步放大后还能观察到在3f_w、4f_w处也存在峰值。f_w、2f_w、3f_w、4f_w为故障频率。

图7(a)是定子电流时域波形对比图，两种工况下的定子电流几乎完全重合，在整个仿真时间段内也是如此，二者的基频均为50Hz，如图7(b)所示。对定子电流包络解调后，可观察到在叶轮的一倍转频f_w及其多倍转频nf_w(即故障频率)处存在峰值，如图7(c)所示。但由于n越大，谐波电流的幅值越小，会被噪声所淹没，所以在图7(c)中没有观察到n>4时的峰值。另外对功率分析计算后发现气动不对称时的机组功率与正常时的功率相比有明显的下降。

从上面的结果可以看出，利用本发明的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法可以清晰地观察到转子电流、定子电流中的故障频率，明确地确定机组的叶轮是否存在气动不对称故障，提高了诊断的准确性。

本发明公开了叶轮气动不对称故障与双馈风力发电机组整个系统，尤其是与发电机以及控制系统的关系，所得出的诊断方法准确度高，且容易实施。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括如下步骤：

在时间段t内同步采集所述叶轮的转速、所述双馈风力发电机的转子和定子的单相电流、双馈风力发电机组的有功功率，并保存所采集的数据；

在所述时间段t内，选取所述叶轮的转速平稳的时间段t₁，并计算所述时间段t₁内的所述叶轮的转速平均值n_w；

判断所述转速平均值n_w是否小于所述叶轮的额定转速n_N；

如果所述转速平均值小于所述叶轮的额定转速，则计算所述叶轮的一倍转频f_w，其中所述一倍转频f_w＝n_w/60；

将所述时间段t₁内所述转子的单相电流或所述定子的单相电流进行希尔伯特包络解调，并确定所述转子的单相电流或所述定子的单相电流的包络解调频谱图中是否存在故障频率nf_w，其中n为正整数；

如果存在所述故障频率nf_w，则计算所述时间段t₁内双馈风力发电机组的有功功率的平均值P；

查询正常工况下所述转速平均值n_w所对应的有功功率基值P₁；

如果所述有功功率的平均值P小于所述有功功率基值P₁，则判定所述双馈风力发电机组存在叶轮气动不对称故障。

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法基于双馈风力发电机组的最大风能追踪控制策略。

3.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，其特征在于，所述转速、所述转子的单相电流和所述定子的单相电流通过电流传感器和数据采集仪进行采集。

4.根据权利要求3所述的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，其特征在于，所述数据采集仪还用于采集所述有功功率。

5.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的叶轮气动不对称故障的诊断方法，其特征在于，所述有功功率基值P₁从所述双馈风力发电机组固有的功率-转速曲线中获得，或直接从风场初期的的运行数据中获取。