CN108802614A

CN108802614A - 风电偏航电机的监测预警装置

Info

Publication number: CN108802614A
Application number: CN201810545484.6A
Authority: CN
Inventors: 孟恩隆; 王灵梅; 闫卓民; 王强
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公开了一种风电偏航电机的监测预警装置，包括：采集模块，连接多个偏航电机，用于实时采集每一偏航电机的三相电压电流；传输模块，用于实时将每一偏航电机的三相电压电流值通过以太网通信的方式传输到监测分析模块；监测分析模块，用于接收三相电压电流值，根据偏航电机三相电流值求取电流平均值，根据平均值判断是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；同时将接收到的三相电流值转换为Park矢量，根据Park矢量判断三相绕组匝间短路故障；警报显示模块，用于提供显示界面显示故障分析结果。通过本发明，能够通过分析偏航电机的三相电压电流，提供偏航电机的在线状态监测，节省资金及人力资源，同时提高偏航电机寿命。

Description

风电偏航电机的监测预警装置

技术领域

本发明涉及电机监测领域，尤其涉及一种风电偏航电机的监测预警装置。

背景技术

风力发电机的偏航系统，是当风机的正方向与自然风风向发生一定的角度偏移时，风机会自然偏航至与自然风风向一致的位置，以确保风机在自然风风向多变的状况下可以自动平稳的校准其方向以保持风能的最大可利用率，因此偏航控制系统是风力发电机组的重要组成部分。

偏航电机在运行过程中，存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障，以及三相绕组匝间短路故障。上述故障会不同程度影响偏航系统的稳定运行，严重时致使偏航电机停机。偏航电机设置距离离地面为几十米甚至达到百米，维修需要起重机和升降机等辅助设备，会增加庞大的检修费用，影响风电运行的经济效益。目前大型风力发电机组主要依靠现场人员检修维护的时候人工检查，费时费力，而且不容易发现问题。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种风电偏航电机的监测预警装置。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种风电偏航电机的监测预警装置，包括：采集模块，连接多个偏航电机，用于实时采集每一偏航电机的三相电压电流；传输模块，用于实时将每一偏航电机的三相电压电流值通过以太网通信的方式传输到监测分析模块；监测分析模块，用于接收三相电压电流值，根据偏航电机三相电流值求取电流平均值，根据平均值判断是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；同时将接收到的三相电流值转换为Park矢量，根据Park矢量判断三相绕组匝间短路故障；警报显示模块，用于提供显示界面显示故障分析结果。

其中，采集模块包括：感应单元，连接偏航电机的三相电压电流，以感应偏航电机产生的三相电压电流值；采集单元，用于将感应单元感应的三相电压电流值采集打包进行传输。

其中，感应单元为连接偏航电机的电压互感器和电流互感器；感应单元分别设置12路电压互感器和电流互感器，以感应四个偏航电机的三相电压电流。

其中，采集单元包括电源组件、电能质量采集芯片、核心CPU和网络通信接口芯片；其中，电源组件用于提供监测预警装置工作所需要的电压电流；电能质量采集芯片接收电压互感器和电流互感器感应的三相电压电流值；电能质量采集芯片通过SPI总线和核心CPU连接；核心CPU用于将电能质量采集芯片采集的数据通过网络发送给监测分析模块；网络通信接口芯片内部集成TCP/IP协议栈，并通过SPI与核心CPU进行数据传输。

其中，电源组件包括电源接口防护电路、24V转5V开关电源电路和5V转3.3V线性电源电路；电源接口防护电路包括浪涌防护二极管和共模抑制器，用以有效减少静电雷击及电源波动的影响；24V转5V开关电源电路是以LT3480为核心芯片的电路； 5V转3.3V线性电源电路采用的是LT1963为核心的低压差线性稳压电源。

其中，监测分析模块包括：电流平均值分析单元，用于接收三相电压电流值，计算三相电流值的平均值，并根据电流平均值分析判断偏航电机是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；Park矢量轨迹判断分析单元，用于将三相电流值转换为Park矢量，绘制Park矢量轨迹，根据绘制的Park矢量轨迹判断三相绕组匝间短路故障。

其中，Park矢量的计算公式为：

且以 Park矢量的两个分量分别作横、纵坐标，随着时间 t 的变化，其轨迹为一个圆，圆心为坐标系原点。

其中，电流平均值分析单元分析方法为：对比电流平均值和三相电流值；若偏航电机的三相电流超过平均值的50%，则判断故障为负载过重或刹车问题；若偏航电机的三相电流值为0或者小于平均值的80%，判断故障为偏航电机不转；若偏航电机的三相电流不平衡度超过20%，判断故障为电机三相不平衡。

其中，在Park矢量轨迹判断分析单元根据Park矢量轨迹进行判断时，通过识别PARK 矢量轨迹的形状，来判断三相绕组匝间短路故障。

其中，判断三相绕组匝间短路故障时，设定偏航电机三相绕组为三角形接法，当Park 矢量轨迹长轴指向 150°时，匝间短路故障相为 A 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向90°时，匝间短路故障相为B相；当Park矢量轨迹长轴指向30°时，匝间短路故障相为 C 相；设定偏航电机三相绕组为星形接法，当Park 矢量轨迹长轴呈水平方向时，匝间短路故障相为 A 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 120°时，匝间短路故障相为B 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 60°时，匝间短路故障相为 C 相。

区别于现有技术，本发明的风电偏航电机的监测预警装置包括：采集模块，连接多个偏航电机，用于实时采集每一偏航电机的三相电压电流；传输模块，用于实时将每一偏航电机的三相电压电流值通过以太网通信的方式传输到监测分析模块；监测分析模块，用于接收三相电压电流值，根据偏航电机三相电流值求取电流平均值，根据平均值判断是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；同时将接收到的三相电流值转换为Park矢量，根据Park矢量判断三相绕组匝间短路故障；警报显示模块，用于提供显示界面显示故障分析结果。通过本发明，能够通过分析偏航电机的三相电压电流，提供偏航电机的在线状态监测，节省资金及人力资源，同时提高偏航电机寿命。

附图说明

图1是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的Park矢量轨迹判断分析单元无故障时Park 矢量轨迹的形状示意图；

图3是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的Park矢量轨迹判断分析单元无故障时Park 矢量轨迹的极坐标的形状示意图；

图4是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的Park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为 C 相时，Park 矢量轨迹的形状示意图；

图5是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的Park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为 C 相时，Park 矢量轨迹的极坐标的形状示意图；

图6是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的Park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为 A 相时，Park 矢量轨迹的形状示意图；

图7是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的Park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为 A 相时，Park 矢量轨迹的极坐标的形状示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种风电偏航电机的监测预警装置的结构示意图。该装置100包括：

采集模块110，连接多个偏航电机101，用于实时采集每一偏航电机的三相电压电流。

采集模块110包括：感应单元111，连接偏航电机101的三相电压电流，以感应偏航电机101产生的三相电压电流值；采集单元112，用于将感应单元111感应的三相电压电流值采集打包进行传输。

其中，感应单元111为连接偏航电机101的电压互感器和电流互感器；感应单元111分别设置12路电压互感器和电流互感器，以感应四个偏航电机101的三相电压电流。

采集单元111具体包括包括电源组件、电能质量采集芯片、核心CPU和网络通信接口芯片；

其中，电源组件用于提供监测预警装置工作所需要的电压电流；电能质量采集芯片接收电压互感器和电流互感器感应的三相电压电流值；电能质量采集芯片通过SPI总线和核心CPU连接；核心CPU用于将电能质量采集芯片采集的数据通过网络发送给监测分析模块；网络通信接口芯片内部集成TCP/IP协议栈，并通过SPI与核心CPU进行数据传输。

电源组件包括电源接口防护电路、24V转5V开关电源电路和5V转3.3V线性电源电路；电源接口防护电路包括浪涌防护二极管和共模抑制器，用以有效减少静电雷击及电源波动的影响；24V转5V开关电源电路是以LT3480为核心芯片的电路； 5V转3.3V线性电源电路采用的是LT1963为核心的低压差线性稳压电源。稳压效果好，纹波较小，可以为后级电路提供优质的电源。

电能质量采集芯片采用ATT7022E，适用于三相三线和三相四线应用。ATT7022E内部集成了7路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因素及频率测量的数字信号处理等电路。本数据采集器采用三相三线设计，信号测量范围为交流电压有效值0~700V，电流0~30A。可以满足大部分风力发电机组的需求范围。

核心CPU采用的是ARM架构的STM32F103RCT6。芯片速度为72Mhz，集成了CAN、I2C、SPI、UART、USB等总线，并且内部自带可编程FLASH，方便程序存储数据使用。其中PB5~PB9、PA、PC的IO口用作和四个电能质量采集芯片通信的接口，PB10~PB15用作和网络通信接口芯片连接。

网络通信接口芯片采用的是W5500。W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层（MAC）及物理层（PHY）。内嵌32K字节偏上缓存供以太网包处理。W5500与CPU连接的信号线包括：中断、复位、SPI共计6根。W5500与RJ45以太网接口相连的信号线包括：差分收发，ACT、LINK指示共计6根。

电压电路采集的传感器接线端子采用的是螺钉式接线端子MG396，端子间距为3.96mm，在保证安全间距的前提下尺寸做到最小，同时方便现场安装和接线。在实际工作中，将采集模块110放置于盒子中。盒子采用PLC工控外壳塑料接线盒，可以简单快速安装，绝缘和散热性能好。

传输模块120，用于实时将每一偏航电机101的三相电压电流值通过以太网通信的方式传输到监测分析模块130。

传输模块120通过以太网连接采集模块110和监测分析模块130。监测分析模块130从传输模块120采集数据的采集程序采用C#开发，以windows服务方式运行，安装服务后开机即可运行，不需要干预。参数采用Xml方式配置，简单方便。采集程序通过Modbus通信协议和各个数据采集装置通信。通过SQL语句将采集的数据插入到监测分析模块130的数据库中供查询、分析及显示。

监测分析模块130，用于接收三相电压电流值，根据偏航电机三相电流值求取电流平均值，根据平均值判断是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；同时将接收到的三相电流值转换为Park矢量，根据Park矢量判断三相绕组匝间短路故障。

监测分析模块130包括：电流平均值分析单元131，用于接收三相电压电流值，计算三相电流值的平均值，并根据电流平均值分析判断偏航电机是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；Park矢量轨迹判断分析单元132，用于将三相电流值转换为Park矢量，绘制Park矢量轨迹，根据绘制的Park矢量轨迹判断三相绕组匝间短路故障。

电流平均值分析单元131的分析方法为：对比电流平均值和三相电流值；若偏航电机的三相电流超过平均值的50%，则判断故障为负载过重或刹车问题；若偏航电机的三相电流值为0或者小于平均值的80%，判断故障为偏航电机不转；若偏航电机的三相电流不平衡度超过20%，判断故障为电机三相不平衡。

在Park矢量轨迹判断分析单元132根据Park矢量轨迹进行判断时，通过识别 Park矢量轨迹的形状，来判断三相绕组匝间短路故障。判断三相绕组匝间短路故障时，设定偏航电机三相绕组为三角形接法，当 Park 矢量轨迹长轴指向 150°时，匝间短路故障相为 A相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 90°时，匝间短路故障相为B相；当Park矢量轨迹长轴指向30°时，匝间短路故障相为 C 相；设定偏航电机三相绕组为星形接法，当Park 矢量轨迹长轴呈水平方向时，匝间短路故障相为 A 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 120°时，匝间短路故障相为B 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 60°时，匝间短路故障相为 C 相。

在理想情况下，三相电流相互平衡，Park矢量具有以下形式

若以 Park 矢量的两个分量分别作横、纵坐标，随着时间 t 的变化，其轨迹为一个圆，圆心为坐标系原点。在此理想情况下，PARK 矢量的模为常数（对应于常量或直流）。实际上，由于制作、安装、材料等方面的原因，正常的偏航电动机的 PARK 矢量轨迹也只能接近于圆。

当偏航电机发生故障时，理想条件被破坏，三相电流不再平衡，同时可能会出现一些谐波或变频分量。这时 Park矢量的轨迹不再是一个圆，可能是不规则的闭合曲线。具体形状决定于故障性质及其严重程度。

可以通过识别 Park 矢量轨迹的形状，来判断定子绕组匝间短路故障；并且随着故障严重程度的增加，不规则程度越大。

若Park矢量轨迹接近为一圆形，且极坐标图形看出为近圆形，判断偏航电机无故障。如图2和图3所示。

Park矢量轨迹不规则，已不是一圆形，初步判断偏航发生匝间短路，由其极坐标可以看出Park 矢量轨迹长轴指向 30°时，匝间短路故障相为 C 相。如图4和图5所示。

Park矢量轨迹不规则，已不是一圆形，初步判断偏航电机绕组发生匝间短路，由其极坐标可以看出Park 矢量轨迹长轴指向 150°时，匝间短路故障相为 A 相。如图6和图7所示。

警报显示模块140，用于提供显示界面显示故障分析结果。

警报显示模块140对采集到的数据和判断结果通过EntityFramework框架，将数据插入到数据库中。其中采集的数据为秒级存储，分析结果为每次偏航计算一次结果。前台界面采用web方式，用户登录后可以查看每台实时的电压电流值，也可以实时弹出报警窗口。前台可以查看历史数据看是否有异常或者对比不同风机的偏航整体情况。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，包括：

采集模块，连接多个偏航电机，用于实时采集每一所述偏航电机的三相电压电流；

传输模块，用于实时将每一偏航电机的三相电压电流值通过以太网通信的方式传输到监测分析模块；

监测分析模块，用于接收所述三相电压电流值，根据偏航电机三相电流值求取电流平均值，根据平均值判断是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；同时将接收到的三相电流值转换为Park矢量，根据Park矢量判断三相绕组匝间短路故障；

警报显示模块，用于提供显示界面显示故障分析结果。

2.根据权利要求1所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，所述采集模块包括：

感应单元，连接偏航电机的三相电压电流，以感应偏航电机产生的三相电压电流值；

采集单元，用于将感应单元感应的三相电压电流值采集打包进行传输。

3.根据权利要求2所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，所述感应单元为连接偏航电机的电压互感器和电流互感器；所述感应单元分别设置12路电压互感器和电流互感器，以感应四个偏航电机的三相电压电流。

4.根据权利要求2所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，所述采集单元包括电源组件、电能质量采集芯片、核心CPU和网络通信接口芯片；

5.根据权利要求4所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，电源组件包括电源接口防护电路、24V转5V开关电源电路和5V转3.3V线性电源电路；电源接口防护电路包括浪涌防护二极管和共模抑制器，用以有效减少静电雷击及电源波动的影响；24V转5V开关电源电路是以LT3480为核心芯片的电路； 5V转3.3V线性电源电路采用的是LT1963为核心的低压差线性稳压电源。

6.根据权利要求1所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，所述监测分析模块包括：

电流平均值分析单元，用于接收三相电压电流值，计算三相电流值的平均值，并根据电流平均值分析判断偏航电机是否存在负载过重、刹车问题、偏航电机不转或电机三相不平衡的故障；

Park矢量轨迹判断分析单元，用于将三相电流值转换为Park矢量，绘制Park矢量轨迹，根据绘制的Park矢量轨迹判断三相绕组匝间短路故障。

7.根据权利要求6所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，所述Park矢量的计算公式为：

8.根据权利要求6所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，所述电流平均值分析单元分析方法为：

对比电流平均值和三相电流值；若偏航电机的三相电流超过平均值的50%，则判断故障为负载过重或刹车问题；若偏航电机的三相电流值为0或者小于平均值的80%，判断故障为偏航电机不转；若偏航电机的三相电流不平衡度超过20%，判断故障为电机三相不平衡。

9.根据权利要求6所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，在Park矢量轨迹判断分析单元根据Park矢量轨迹进行判断时，通过识别 Park 矢量轨迹的形状，来判断三相绕组匝间短路故障。

10.根据权利要求9所述的风电偏航电机的监测预警装置，其特征在于，判断三相绕组匝间短路故障时，

设定偏航电机三相绕组为三角形接法，当 Park 矢量轨迹长轴指向 150°时，匝间短路故障相为 A 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 90°时，匝间短路故障相为B相；当Park矢量轨迹长轴指向30°时，匝间短路故障相为 C 相；

设定偏航电机三相绕组为星形接法，当Park 矢量轨迹长轴呈水平方向时，匝间短路故障相为 A 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 120°时，匝间短路故障相为B 相；当 Park 矢量轨迹长轴指向 60°时，匝间短路故障相为 C 相。