CN109297716B - 一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法 - Google Patents

一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，若被试双馈型风力发电机发生振动故障，通过对振动数据进行频谱和包络谱分析，提取轴承故障特征，判断振动故障是否由机械故障导致；通过提取发电机定子运行中的电压电流信号，判断是否发生三相不平衡，判断振动故障是否由电气故障导致；若发生了电气故障，则对定子绕组进行介质损耗因数和电容量测量，判断是否由绝缘劣化导致三相不平衡；若发生绝缘劣化，则对发电机停机并进行冲击波形试验，确定被试发电机定子发生绝缘劣化的故障相；本发明将振动信号与电信号相结合综合诊断振动故障，克服了单一监测信号的缺陷与不足，提高了诊断结果的准确性，并可实现对定子绝缘故障发生相的诊断，可降低风力发电机检修、维护难度。

Description

一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法
技术领域
本发明属于风电故障诊断领域，尤其涉及一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法。
背景技术
风力发电的发展异常迅速，使得风电场的运行安全问题也越来越受到关注，风力发电机作为风电机组中直接进行能量转换的关键部件，其运行可靠性、稳定性及运行寿命直接影响着机组的整体性能。欧洲最新数据显示，目前运行中的风力发电机组每年至少发生1次故障，海上风力发电机的年故障率达到了0.5，特别是2MW以上的风力发电机故障率更高。而在中国，风力发电机的故障率更远远高于世界平均水平。
据运行数据显示，风力发电机振动故障是造成发电机的损坏和停运的主要原因之一。当发电机振动过大时，轻则会出现运行稳定性下降、电机磨损加重寿命缩短等不良运行状态，重则会发生电机飞车、主轴断裂等恶性事故。因此，在风力发电机运行过程中，尽早发现其振动故障，判断振动故障发生原因，及时进行更换和维修是保证风力发电机运行安全和可靠的最有效手段。因此，对风力发电机及时进行振动故障诊断是十分有必要的。
现如今，对运行中的风力发电机进行振动故障诊断，多为对轴承振动信号进行时域分析、频域分析或者包络解调等方法，只从机械故障对振动故障进行分析诊断。而据风电场实际检修情况，当风力发电机发生电气故障如三相不平衡时，也会导致发电机出现振动故障。基于此，本发明提出可以将振动信号和电信号结合在一起通过机械故障和电气故障诊断发电机振动故障的方法，可使诊断结果更加全面和准确。
发明内容
基于上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，将振动信号与电信号相结合，克服了单一监测信号的缺陷与不足，提高了诊断结果的准确性，并可实现对定子绝缘故障发生相的诊断，可降低风力发电机检修、维护难度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，包括以下步骤：
步骤一：提取被试双馈型风力发电机实时运行中的轴承振动信号数据，判断发电机是否发生振动故障；
步骤二：对轴承振动信号数据进行频谱分析和包络谱分析，提取轴承故障特征，判断是否存在机械故障，判断振动故障是否由机械故障导致；
步骤三：提取被试双馈型风力发电机定子实时运行中监测的电压、电流数据，判断发电机定子是否发生三相不平衡电气故障，判断振动故障是否由电气故障导致；
步骤四：如果步骤三诊断被试双馈型风力发电机存在电气故障，则对发电机定子绕组进行介质损耗因数和电容量测量，得到被试双馈型风力发电机定子绕组在额定工作电压下的介质损耗因数值和电容量值；
步骤五：通过介质损耗因数值和电容量值判断电机是否发生绝缘劣化；若判断结果为该发电机定子绕组已发生绝缘劣化，步骤三诊断结果为该发电机定子存在三相不平衡，则说明被试双馈型风力发电机定子发生三相不平衡是由定子绕组发生绝缘劣化所致；
步骤六：对被试双馈型风力发电机进行停机处理，进行正反向6次冲击波形试验，判断被试双馈型风力发电机定子发生绝缘劣化的故障相。
所述步骤四包括以下五个步骤：
步骤1：预先在被试双馈型风力发电机定子绕组中性点引线上放置工频电流传感器，采集定子绕组绝缘系统在额定工作电压下的电流信号，同步采集被试双馈型风力发电机定子绕组的电压信号；
步骤2:对采集的电压、电流信号进行滤波处理，滤除工频信号之外的干扰信号；
步骤3：对经滤波处理之后的电压、电流信号进行离散傅里叶分析，提取电压、电流基波信号的幅值和相位；
步骤4：通过电压、电流基波信号的相位差计算该发电机定子绕组在额定工作电压下的介质损耗因数值；
步骤5：通过电压、电流基波信号幅值计算该发电机定子绕组在额定工作电压下的电容量值。
所述步骤六包括以下三个步骤：
步骤1：对被试双馈型风力发电机进行停机处理并断开发电机电源，断开对外的连线并充分放电，先测量被测双馈型风力发电机定子绕组的绝缘电阻，绝缘电阻值符合规定方可进行冲击波形试验；
步骤2：任选被试双馈型风力发电机定子的两相绕组，施加符合规定的冲击电压获取衰减振荡波形；依次轮换，分别在定子三相绕组端子间正向和反向上施加符合规定的冲击电压获取衰减振荡波形；
步骤3：比较六次冲击试验的衰减振荡波形的重合度，确定被试风力发电机定子绝缘故障发生相。
本发明专利有益效果有：
将振动信号与电信号相结合，克服了单一监测信号的缺陷与不足，实现对风力发电机振动故障的诊断；
预先在风力发电机定子绕组中性点引线上放置工频电流传感器，采集定子绕组绝缘系统在额定工作电压下的泄露电流信号，同时提取实时监测的定子工作电压数据，对所采集电压、电流信号进行谐波分析即可实现对发电机定子绕组介质损耗因数值和电容量值的在线监测，并可根据介质损耗因数值和电容量值判断发电机是否发生绝缘劣化；
同时在实时监测数据的基础上，增加离线检测试验，实现对定子电气故障中的绕组绝缘故障发生相的诊断，提高了故障诊断的准确性，可降低风力发电机检修、维护难度。
附图说明
图1为本发明一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作更进一步的说明。
参见图1，本发明一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，包括以下步骤：
步骤一：提取被试双馈型风力发电机实时运行中的轴承振动信号数据，判断发电机是否发生振动故障；
如果轴承振动信号数据增大，则说明被试风力发电机振动过大，发电机已出现振动故障，必须进行下一步具体的故障诊断；
步骤二：对轴承振动信号数据进行频谱分析和包络谱分析，提取轴承故障特征，判断是否存在机械故障，判断振动故障是否由机械故障导致；
步骤三：提取被试双馈型风力发电机定子实时运行中监测的电压、电流数据，判断发电机定子是否发生三相不平衡电气故障，判断振动故障是否由电气故障导致；
分别比较发电机定子运行中的三相电压值和三相电流值，若定子存在某相对应的电压有效值或电流有效值相比其它两相定子电压或电流有效值相差较大，或者三相定子电压有效值或电流有效值均相差较大，均说明该发电机定子存在三相不平衡。
步骤四：如果步骤三诊断被试双馈型风力发电机存在电气故障，则对发电机定子绕组进行介质损耗因数和电容量测量，得到双馈型风力发电机定子绕组在额定工作电压下的介质损耗因数值和电容量值；
所述步骤四包括以下五个步骤：
步骤1：预先在被试双馈型风力发电机定子绕组中性点引线上放置工频电流传感器，采集定子绕组绝缘系统在额定工作电压下的电流信号，同步采集被试双馈型风力发电机定子绕组的电压信号；
步骤2:对采集的电压、电流信号进行滤波处理，滤除工频信号之外的干扰信号；
滤波可以为硬件电路滤波、软件数字滤波或者是硬件滤波与软件滤波相结合。
步骤3：对经滤波处理之后的定子电压、电流信号进行离散傅里叶分析，提取电压、电流基波信号的幅值和相位；
步骤4：通过电压、电流基波信号的相位差计算该发电机定子绕组在额定工作电压下的介质损耗因数值；
介质损耗因数值tanδ为电压、电流相位差余角正切，计算公式可表示如下：
tanδ＝tan[90°-(β-a)-Δ]；
其中，α为电压信号经离散傅里叶分析后得到的电压基波相位，β为电流信号散傅里叶分析后得到的电流基波相位，△为测量回路导致电压、电流信号出现的固定相位误差。
步骤5：通过电压、电流基波信号幅值计算该发电机定子绕组在额定工作电压下的电容量值，计算公式可表示如下：
Figure BDA0001837723300000061
其中，U为电压信号经离散傅里叶分析后得到的电压基波幅值，I为电流信号经离散傅里叶分析后得到的电流基波幅值，f为电压、电流基波信号频率50HZ。
步骤五：通过介质损耗因数值和电容量值判断电机是否发生绝缘劣化；若判断结果为该发电机定子绕组发生绝缘劣化，步骤三诊断结果为该发电机定子存在三相不平衡，则说明被试双馈型风力发电机定子发生三相不平衡是由定子绕组发生绝缘劣化所致。
如果测得介质损耗因数值或电容值超过规定阈值或者在相同的试验环境下本次介质损耗因数值或电容值相对于历史数据增大十分明显，则说明被试风力发电机定子绕组已经发生绝缘劣化，被试风力发电机定子存在绝缘故障相。
步骤六：对双馈型风力发电机进行停机处理，进行正反向6次冲击波形试验，判断被试双馈型风力发电机定子发生绝缘劣化的故障相。
所述步骤六包括以下三个步骤：
步骤1：对被试双馈型风力发电机进行停机处理并断开发电机电源，断开对外的连线并充分放电，先测量被测双馈型风力发电机定子绕组的绝缘电阻，绝缘电阻值符合规定方可进行冲击波形试验；
步骤2：任选被试双馈型风力发电机定子的两相绕组，施加符合规定的冲击电压获取衰减振荡波形。依次轮换，分别在定子三相绕组端子间正向和反向上施加符合规定的冲击电压获取衰减振荡波形；
先任选发电机定子的两相绕组，例如U相和V相，施加符合规定的冲击电压获取衰减振荡波形；再依次在定子三相绕组端子间正向(U-V、V-W、W-U)和反向(V-U、W-V、U-W)上施加符合规定的冲击电压获取衰减振荡波形；
步骤3：比较六次冲击试验的衰减振荡波形的重合度，确定被试风力发电机定子绝缘故障发生相。
若被试双馈型风力发电机定子绕组存在绝缘故障相并且其绝缘劣化已十分严重，阻抗特性已发生较大变化，其绝缘故障相在冲击电压下的衰减振荡波形相比其它正常相振荡波形明显不一致，并可根据该故障相的衰减振荡波形判断该定子绝缘故障相绝缘劣化原因。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，其特征在于：所述诊断方法包括以下步骤：
步骤一：提取被试双馈型风力发电机实时运行中的轴承振动信号数据，判断发电机是否发生振动故障；
步骤二：对轴承振动信号数据进行频谱分析和包络谱分析，提取轴承故障特征，判断是否存在机械故障，判断振动故障是否由机械故障导致；
步骤三：提取被试双馈型风力发电机定子实时运行中监测的电压、电流数据，判断发电机定子是否发生三相不平衡电气故障，判断振动故障是否由电气故障导致；
步骤四：如果步骤三诊断被试双馈型风力发电机存在电气故障，则对发电机定子绕组进行介质损耗因数和电容量测量，得到被试双馈型风力发电机定子绕组在额定工作电压下的介质损耗因数值和电容量值；
步骤五：通过介质损耗因数值和电容量值判断所述发电机是否发生绝缘劣化；若判断结果为该发电机定子绕组已发生绝缘劣化，步骤三诊断结果为该发电机定子存在三相不平衡，则说明被试双馈型风力发电机定子发生三相不平衡是由定子绕组发生绝缘劣化所致；
步骤六：对被试双馈型风力发电机进行停机处理，进行正反向6次冲击波形试验，判断被试双馈型风力发电机定子发生绝缘劣化的故障相。
2.根据权利要求1所述的一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，其特征在于：所述步骤四包括以下五个步骤：
步骤1：预先在被试双馈型风力发电机定子绕组中性点引线上放置工频电流传感器，采集定子绕组绝缘系统在额定工作电压下的电流信号，同步采集被试双馈型风力发电机定子绕组的电压信号；
步骤2:对采集的电压、电流信号进行滤波处理，滤除工频信号之外的干扰信号；
步骤3：对经滤波处理之后的电压、电流信号进行离散傅里叶分析，提取电压、电流基波信号的幅值和相位；
步骤4：通过电压、电流基波信号的相位差计算该发电机定子绕组在额定工作电压下的介质损耗因数值；
步骤5：通过电压、电流基波信号幅值计算该发电机定子绕组在额定工作电压下的电容量值。
3.根据权利要求1所述的一种双馈型风力发电机振动故障诊断方法，其特征在于：所述步骤六包括以下三个步骤：
步骤1：对被试双馈型风力发电机进行停机处理并断开发电机电源，断开对外的连线并充分放电，先测量被试双馈型风力发电机定子绕组的绝缘电阻，绝缘电阻值符合规定则进行冲击波形试验；
步骤2：任选被试双馈型风力发电机定子的两相绕组，施加冲击电压获取衰减振荡波形；依次轮换，分别在定子三相绕组端子间正向和反向上施加冲击电压获取衰减振荡波形；
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