CN107064673A - 电弧检测装置以及双馈风力发电机电刷滑环保护系统 - Google Patents

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夏鲲
郭浩田
袁印
谭媛
何晟
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Abstract

本发明提供了一种电弧检测装置以及双馈风力发电机的电刷滑环保护系统，电弧检测装置包括：第一电弧检测单元，包括：三个互感器，对应地与三条电刷滑环的支路连接；以及三个滤波放大电路，输入端对应地与三个互感器的输出端连接；第二电弧检测单元，包括：Hilbert分形天线，以预定距离固定放置在电刷滑环一侧；放大电路，其输入端与Hilbert分形天线的输出端相连；以及模数转换器，其输入端与放大电路的输出端连接；以及数字信号处理器，分别与模数转换器和三个滤波放大电路的输出端连接。本发明的电弧检测装置以及双馈风力发电机的电刷滑环保护系统具有成本低、快速、准确、稳定和无需破坏原双馈风力发电机结构的特点，有效保障双馈风力发电机的安全运行。

Description

电弧检测装置以及双馈风力发电机电刷滑环保护系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种用于对双馈风力发电机的电刷滑环故障进行判断和保护的电弧检测装置以及双馈风力发电机电刷滑环保护系统。
背景技术
随着对可再生能源的关注和需求与日俱增，风力发电在发电领域中所占的比重越来越大。双馈风力发电机(DFIG)是目前网型风力发电机主流机型之一，滑环和电刷是发电机运行过程中极易出现问题的组成部分之一，极小的故障都会引起较大的事故。通过对并网期间双馈风力发电机故障统计分析，可知滑环系统故障占双馈风力发电机总故障的20％以上，严重制约着双馈风力发电机组的并网运行。
在风力发电系统中使用的双馈异步风力发电机经常会因电刷滑环系统故障导致发电机励磁失败，阻碍功率传递，烧毁励磁系统，造成机组解裂等严重故障。目前常用的故障监测方法有：(1)观察电刷滑环系统的温度场；(2)基于机械滑环故障后的机械振动变化进行检测；(3)基于HHT方法的烧伤故障检测。但是，常用的故障监测方法主要有以下几点缺陷：(1)造价较高；(2)算法复杂，稳定性较差；(3)安装要求高；(4)容易受干扰。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种成本低、判断准确、不易受干扰的用于对双馈风力发电机的电刷滑环故障进行判断和保护的电弧检测装置以及双馈风力发电机电刷滑环保护系统。
本发明提供了一种电弧检测装置，用于对双馈风力发电机的电刷滑环进行电弧检测，从而对电刷滑环的故障进行判断并保护电刷滑环，其特征在于，包括：第一电弧检测单元，包括：三个互感器，对应地与三条电刷滑环的支路连接，用于采集三条电刷滑环的支路上的电压信号或电流信号；以及三个滤波放大电路，其输入端对应地与三个互感器的输出端连接，用于对电压信号或电流信号进行滤波和放大；第二电弧检测单元，包括：Hilbert分形天线，以预定距离固定放置在电刷滑环一侧，用于检测和采集电刷和滑环间电流的电磁辐射信号；放大电路，其输入端与Hilbert分形天线的输出端相连，用于将Hilbert分形天线采集的电磁辐射信号进行放大；以及模数转换器，其输入端与放大电路的输出端连接，用于将Hilbert分形天线采集的电磁辐射信号转换为数字信号；以及数字信号处理器，分别与模数转换器和三个滤波放大电路的输出端连接，其中，滤波放大电路包括依次相连的电压跟随器、有源高通滤波器、有源低通滤波器以及运算放大器。
在本发明提供的电弧检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，互感器为电压互感器或电流互感器。
在本发明提供的电弧检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，预定距离为10～150mm。
本发明还提供了一种双馈风力发电机的电刷滑环保护系统，其特征在于，包括电弧检测装置，用于对电刷滑环进行电弧检测并产生电弧参数；通讯模块，与电弧检测装置的输出端相连，用于将电弧检测装置产生的电弧参数发送至上位机；以及两个脱扣装置，分别与电弧检测装置连接，用于控制双馈风力发电机运转。
在本发明提供的双馈风力发电机的电刷滑环保护系统中，还可以具有这样的特征，其中：电弧参数包括电弧的次数、频度、持续时间以及强度。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的电弧检测装置以及双馈风力发电机的电刷滑环保护系统，因为第一电弧检测单元以及第二电弧检测单元能够分别分析各自的信号特征，数字信号处理器能够通过第一电弧检测单元和第二电弧检测单元各自不同的信号特点进行分析和判断电刷和滑环间是否有电弧产生，并相互验证，当有电弧产生时，数字信号处理器通过通讯模块将产生的电弧的一系列参数发送给上位机并在用户后台进行数据存储和特性分析。与此同时，数字信号处理器根据滑环损耗模型综合判断滑环系统是否发生了故障。若数字信号处理器判断滑环系统发生了故障，则立即启动脱扣装置，使发电机处于独立断电状态。所以本发明的电弧检测装置以及双馈风力发电机的电刷滑环保护系统具有成本低、快速、准确、稳定和无需破坏原双馈风力发电机系统结构的特点，能够有效保障双馈风力发电机的安全运行。
附图说明
图1是本发明的实施例中双馈风力发电机的电刷滑环保护系统中功能模块连接示意图；
图2是本发明的实施例中滤波放大器的电路示意图；以及
图3是本发明的实施例中双馈风力发电机的电刷滑环保护系统的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的双馈风力发电机的电刷滑环保护系统作具体阐述。
图1是本发明的实施例中双馈风力发电机的电刷滑环保护系统的功能模块连接示意图。
如图1所示，双馈风力发电机的电刷滑环保护系统100用来对双馈风力发电机的电刷滑环的故障进行判断并保护电刷滑环，从而保证双馈风力发电机正常运行，它包括电弧检测装置10、通讯模块107以及两个脱扣装置108。在本实施例中，双馈风力发电机的电刷滑环采用的是三相交流电接通。此外还可以采用单相交流电。
电弧检测装置10包括第一电弧检测单元(未标出)、第二电弧检测单元(未标出)以及数字信号处理器106。
第一电弧检测单元包括三个互感器101以及三个滤波放大电路102。图1中只画出一个互感器101和一个滤波放大电路，对另外两个进行了省略。
三个互感器101分别与三条电刷滑环的支路相连接，它用来采集三条电刷滑环的支路上的电压信号或电流信号。三个互感器101可以采用电压互感器或电流互感器，在本实施例中，三个互感器101均为电压互感器101。
图2是本发明的实施例中滤波放大器的电路示意图。
如图1、2所示，三个滤波放大电路102的输入端对应地与三个互感器101的二次绕组相连接，用来对电压信号进行滤波和放大。现以其中一个滤波放大电路102进行详细说明，省略另外两个滤波放大电路102的说明。滤波放大电路102包括电压跟随器111、有源高通滤波器112、有源低通滤波器113以及运算放大器114。
电压跟随器111的输入端和电压互感器101的二次侧绕组相连，用于对电压信号进行信号隔离和改善阻抗特性。
有源高通滤波器112的输入端和电压跟随器111的输出端相连，用于对电压信号进行高通滤波，滤除信号中不需要的低频段部分。
有源低通滤波器113的输入端和有源高通滤波器112的输出端相连，用于对电压信号进行低通滤波，滤除信号中不需要的高频段部分。有源高通滤波器112和有源低通滤波器113共同组成带通滤波器，保留电压信号中需要的特定频段。
运算放大器114的输入端和有源低通滤波器113的输出端相连，用于对滤波后的电压信号进行适当放大。
第二电弧检测单元包括Hilbert分形天线103、放大电路104以及模数转换器105。
Hilbert分形天线103以10mm～150mm的预定距离固定放置在电刷滑环的右侧，靠近电刷滑环最容易产生电弧处，它用来检测和采集电刷和滑环间电流的电磁辐射信号。在本实施例中，预定距离为20mm，预定距离可以根据需要进行调整。
放大电路104的输入端与Hilbert分形天线103的输出端相连接，用于将Hilbert分形天线103采集的电磁辐射信号进行放大。
模数转换器105的输入端与放大电路104的输出端连接，用于将Hilbert分形天线103采集的并经过放大电路104放大的电磁辐射信号转换为数字信号。
数字信号处理器106具有两个输入端和三个输出端，两个输入端分别与模数转换器105和运算放大器114的输出端两连接，用于处理两个电弧检测单元所发送的信号，判断是否有电弧产生并发出相应指令。对于第一电弧检测单元，数字信号处理器106的模数转换输入引脚(当需要提高模数转换精度时，可以外扩高精度的模数转换芯片，将模数转换结果输出端接至数字信号处理器的数字I/O引脚)与滤波放大电路102的输出端相连，利用数字信号处理器106的模数转换功能把经滤波和放大后的电压信号转换为数字信号，然后对数字信号进行快速傅里叶变换得到电刷滑环上交流电压信号的频谱，并进行频谱分析，检测电刷滑环上特定频段噪声(由于放电现象的发生，在特定频段上会引入电压噪声信号)的振幅，最后将检测结果进行模式识别，进而判断是否有电弧的产生。对于第二电弧检测单元，数字信号处理器106的数字I/O引脚与模数转换器105的输出端相连，数字信号处理器对转换为数字信号的电磁辐射信号进行快速傅里叶变换得到其频谱，并进行频谱分析，检测电磁辐射信号在特定频段的幅值，将检测结果进行相应的模式识别，进而判断是否有电弧产生。第一电弧检测单元和第二电弧检测单元同时工作，彼此结果相互验证，当数字信号处理器106采信任一电弧检测单元输出的信号，判断双馈风力发电机电刷和滑环间有电弧产生时，数字信号处理器106便会根据由产生电弧的次数、频度、持续时间和强度建立的滑环系统损耗模型综合判断滑环系统是否发生了故障。
通讯模块107的输入端与数字信号处理器106的输出端相连，用于将电弧检测装置10产生的电弧参数发送至上位机，当双馈风力发电机的电刷和滑环间有电弧产生时，数字信号处理器106通过通讯模块107采用串行通讯或无线通讯的方式将电刷滑环间产生的电弧的一系列参数发送给上位机并在用户后台进行数据存储和特性分析。
两个脱扣装置108分别和数字信号处理器106的两个输出端连接，它采用断路器实现双馈风力机的电路连通和断开，受数字信号处理器106的控制。当双馈风力发电机正常工作时，脱扣装置关闭，电路连通。若数字信号处理器106根据滑环系统损耗模型综合判断滑环系统发生了故障则立即启动脱扣装置108，即断开双馈风力发电机的定子绕组、转子绕组和交流电网的连接，使发电机处于独立断电状态，避免发电机受到进一步的损害。
图3是本发明的实施例中双馈风力发电机的电刷滑环保护系统的工作流程示意图。
本实施例的双馈风力发电机电刷滑环保护系统100的工作过程和原理如下：
当双馈风力发电机开始稳定工作时，两个不同的电弧检测单元同时开始工作，对于第一路电弧检测单元，电压互感器101实时采集每组电刷滑环支路上的电压信号，将采集到的电压信号输入滤波放大电路102中，滤波放大电路102对电压信号进行滤波和放大，只保留特定频段的电压信号。滤波放大电路102的输出端将处理后的电压信号输入到数字信号处理器106的模数转换引脚(当需要提高模数转换精度时，可以外扩高精度的模数转换芯片，将模数转换结果接至数字信号处理器的数字I/O引脚)，数字信号处理器106通过模数转换功能对电压/电流信号进行采样，为了保证等时间间距采样，数字信号处理器106采用定时器去触发ADC采样，在采样期间，程序一直查询ADC转换完成标志位，转换完成一次后将数据保存到RAM中，清除转换完成标志位接着下一个循环，直到采样完成规定长度的点数为止。然后数字信号处理器106将采样到的数字量进行快速傅里叶变换处理得到电压信号的频谱，最后数字信号处理器106对频谱进行分析，检测特定频段噪声的振幅，将检测结果进行模式识别，进而判断是否有电弧产生。
对于第二路电弧检测单元，Hilbert分形天线103实时采集电刷和滑环间电流的电磁辐射信号，将采集到的电磁辐射信号输入放大电路104进行适当放大后输入模数转换器105中，模数转换器105将适当放大后的电磁辐射信号转换为数字信号，数字信号通过数字I/O引脚输入到数字信号处理器106中。数字信号处理器106对转换为数字信号的电磁辐射信号进行快速傅里叶变换得到其频谱，并进行频谱分析，检测电磁辐射信号在特定频段的幅值，将检测结果进行相应的模式识别，进而判断是否有电弧产生。
当数字信号处理器106采信任一电弧检测单元输出的信号，判断双馈风力发电机电刷和滑环间有电弧产生时，数字信号处理器106通过通讯模块107将电弧的一系列参数发送给上位机并在用户后台进行数据存储和特性分析。与此同时，数字信号处理器106会根据滑环损耗模型(主要评估参数包括电弧发生的次数、频度、持续时间和强度等)综合判断滑环系统是否发生了故障。若数字信号处理器106判断滑环系统发生了故障，则立即启动脱扣装置108，断开双馈风力发电机的定子绕组、转子绕组和交流电网的连接，使发电机处于独立断电状态，从而实现保护双馈风力发电机的安全运行，避免双馈风力发电机受到进一步的损害。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的电弧检测装置以及双馈风力发电机的电刷滑环保护系统，因为第一电弧检测单元以及第二电弧检测单元能够分别分析各自的信号特征，数字信号处理器能够通过第一电弧检测单元和第二电弧检测单元各自不同的信号特点进行分析和判断电刷和滑环间是否有电弧产生，并相互验证，当有电弧产生时，数字信号处理器通过通讯模块将产生的电弧的一系列参数发送给上位机并在用户后台进行数据存储和特性分析。与此同时，数字信号处理器根据滑环损耗模型综合判断滑环系统是否发生了故障。若数字信号处理器判断滑环系统发生了故障，则立即启动脱扣装置，使发电机处于独立断电状态。所以本实施例的电弧检测装置以及双馈风力发电机的电刷滑环保护系统具有成本低、快速、准确、稳定和无需破坏原双馈风力发电机系统结构的特点，能够有效保障双馈风力发电机的安全运行。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
此外，本实施例的双馈风力发电机电刷滑环保护系统的发电系统还可以采用直流电机，若该具有直流电机的双馈风力发电机也具有电刷滑环系统，则经过简单的物理变形，改变接线方法后的电弧检测装置也可以应用于系统故障判断和保护。

Claims (5)

1.一种电弧检测装置，用于对双馈风力发电机的电刷滑环进行电弧检测，从而对所述电刷滑环的故障进行判断并保护所述电刷滑环，其特征在于，包括：
第一电弧检测单元，包括：三个互感器，对应地与三条所述电刷滑环的支路连接，用于采集三条所述电刷滑环的支路上的电压信号或电流信号；以及三个滤波放大电路，其输入端对应地与三个所述互感器的输出端连接，用于对所述电压信号或所述电流信号进行滤波和放大；
第二电弧检测单元，包括：Hilbert分形天线，以预定距离固定放置在所述电刷滑环一侧，用于检测和采集电刷和滑环间电流的电磁辐射信号；放大电路，其输入端与所述Hilbert分形天线的输出端相连，用于将所述Hilbert分形天线采集的所述电磁辐射信号进行放大；以及模数转换器，其输入端与所述放大电路的输出端连接，用于将所述Hilbert分形天线采集的所述电磁辐射信号转换为数字信号；以及
数字信号处理器，分别与所述模数转换器和三个所述滤波放大电路的输出端连接，
其中，所述滤波放大电路包括依次相连的电压跟随器、有源高通滤波器、有源低通滤波器以及运算放大器。
2.根据权利要求1所述的电弧检测装置，其特征在于：
其中，所述互感器为电压互感器或电流互感器。
3.根据权利要求1所述的电弧检测装置，其特征在于：
其中，所述预定距离为10～150mm。
4.一种双馈风力发电机的电刷滑环保护系统，其特征在于，包括：
电弧检测装置，用于对所述电刷滑环进行电弧检测并产生电弧参数；
通讯模块，与所述电弧检测装置的输出端相连，用于将所述电弧检测装置产生的电弧参数发送至上位机；以及
两个脱扣装置，分别与所述电弧检测装置连接，用于控制所述双馈风力发电机运转，
其中，所述电弧检测装置为权利要求1～3所述的电弧检测装置。
5.根据权利要求4所述的双馈风力发电机的电刷滑环保护系统，其特征在于：
其中，所述电弧参数包括电弧的次数、频度、持续时间以及强度。
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Application publication date: 20170818

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