CN110687446B - 一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，包括以下步骤：S01：根据电刷及滑环的参数计算等效电阻及打火时等效电阻跳变量；S02：根据等效电阻跳变量计算对应的转子电流跳变量，作为跳变量参考值；S03：以固定时间间隔采样转子电流，计算处理后建立电流波形；S04：根据电流波形计算是否有电流跳变量达到跳变量参考值，如有则认定为存在早期故障。本发明的实质性效果包括：充分利用双馈风力发电系统中转子侧电量信息的可控性，从而更为简便、直观、快捷地反映瞬时且随机的滑环和电刷早期故障，检测准确率高，并且利用双馈风力发电系统中已具有的硬件设备，不需要额外加装设备，升级改造成本低。

Description

一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法

技术领域

本发明属于风电机组的在线监测技术领域，特别涉及一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法。

背景技术

对于兆瓦级的双馈风力发电机组，励磁电流较大，通常同一相分布着多个电刷，相互之间的均流效果难以得到保证。实际运行中，电刷和滑环间电阻的变化，极易导致电刷电流的二次分配，使部分电刷过载，若再加上周围空气湿度较大或者电刷本身的电阻发生变化，滑环和电刷之间发生打火的几率会显著增加，轻则造成滑环点蚀，重则造成发电机滑环电刷的损坏，影响发电机的正常运行。

工程应用中导致电刷与滑环间出现电火花的原因很多，比如：整机的振动过大，引起电刷振动过大；滑环表面有灼伤或表面粗糙使两者接触不良；电刷运行过热和周围环境湿度大；恒压弹簧压力不够导致电刷在刷握内摇摆等；电刷和刷辫的连接电阻发生变化；电刷在刷盒内卡滞而导致接触不良等。若能够对早期的滑环/电刷打火进行诊断，则及时更换电刷，对设备进行计划性维修，避免停机损失，具有非常重要的工程意义。

目前双馈风力发电机组电刷和滑环火花的监测可通过光电管监测法、电刷电流、接触电压的峰值等手段，但是这些方法大都需要增加设备，不仅成本大，而且可靠性不高、适应性较差。近来各研究机构及风机制造商也对两者间的火花监测进行了相关研究，以及公布了一些文章和专利，但大都从电刷电流的角度出发。如“双馈异步发电机电刷滑环电阻变化理论与仿真研究”，该方法通过对电刷与滑环的等效电阻进行分析，测量每个电刷的电流并进行傅里叶变换，提取特征分量。

上述方法在实施过程中需要进行大量数据的统计和复杂计算，难以进行实时判定，但问题在于实际的滑环打火故障均为瞬时发生，无周期重复的特性，因而难以通过傅立叶变换获得频域特征；或者基于变流器侧电力电子开关的过流保护进行，缺乏和故障的有效关联性，难以满足电刷/滑环早期故障的瞬变性和随机性强的检测要求，并且检测对象较多，在现有风电机组硬件基础不通过改造和加装设备上难以实现。

发明内容

针对现有技术监测成本较大，计算复杂，准确性较低的问题，本发明提供了一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，无需增加额外的设备，实现简单，指向性强，机理明确，能实现对瞬变随机性强的早期故障波形进行判断。

以下是本发明的技术方案。

一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，包括以下步骤：S01：根据电刷及滑环的参数计算等效电阻及打火时等效电阻跳变量；S02：根据等效电阻跳变量计算对应的转子电流跳变量，作为跳变量参考值；S03：以固定时间间隔采样转子电流，计算处理后建立电流波形；S04：根据电流波形计算是否有电流跳变量达到跳变量参考值，如有则认定为存在早期故障。本方案不需要额外加装设备，减低了检测成本，通过电路参量之间的关系实现早期故障诊断，检测准确率高。

作为优选，所述步骤S01的过程包括：根据电刷及滑环的参数计算出单个电刷对应的接触电阻及电刷电阻，再根据滑环转动周期计算滑环运行电阻，每个电刷对应的接触电阻、电刷电阻及滑环运行电阻相加得到单回路电阻，将每个电刷的单回路电阻代入并联公式获得等效电阻，当出现打火时，从并联公式中去掉对应电刷的单回路电阻得到跳变电阻，等效电阻与跳变电阻之差即为等效电阻跳变量。电刷和滑环在工作过程中产生打火的本质原因是电刷和滑环接触面在高电流负载下的接触不良，导致电刷和滑环之间产生了空气击穿放电，根据电刷及滑环的本身结构特点和物理参数，推导出等效电阻及打火时的电阻跳变量，基于物理原理的计算使得精准度较高，且实现较方便。

作为优选，所述步骤S02的过程包括：根据双馈风力发电机的控制原理及计算公式，以转子控制电压不发生变化为前提，结合等效电阻跳变量计算出转子电流跳变量，包括幅值跳变量和相位跳变量。双馈机组采用的电压源型变流器有维持输出稳定电压的特点，因此再结合等效电阻的相关数据就可计算电流跳变量。

作为优选，所述步骤S03的过程包括：以间隔时间ΔT采样转子电流，可以测量到的三相中每一相的实际转子电流序列为：

{i_a}＝[i_1a i_2a ... i_na]

将转子电流序列表达为：

其中I_r为转子有效电流，fr为转子频率，δ1、δ2、...、δn为误差；上式再进一步转换为：

上式的归一化理想形式为：

{y}＝[z]{x}+{δ}

其中，测量值及未知量分别为：

{y}^T＝[y₁ y₂ ... y_n]

{x}^T＝[x₁ x₂]

其中：

参考数据矩阵[z]为与转子频率fr和采样时间间隔ΔT相关的计算值；设m为变量个数，n为采样所得数据点个数，在n>m的情况下，即可有残差δ的平方和为：

对Sr的各个未知量求偏导数，令各个未知量都等于零，则可以将Sr最小化，求解：

从而建立基于最小二乘回归的期望转子电流正弦波形。

作为优选，所述步骤S02的计算公式及过程包括：

u_dr＝R_ri_dr-ω₂σL_ri_qr

上式中，idr、iqr为转子电流ir的d轴和q轴分量，udr、uqr为转子电压ur的d轴和q轴分量，Rr为转子电阻，Lr为转子电抗，Lm为励磁电抗，Ls为定子电抗，ωr为转子电频率fr对应的角速度，其中

us为定子电压，ωs为定子电频率的角速度；步骤S01中的等效电阻可以等效认为转子电阻Rr，发生电阻跳变时根据等效电阻跳变量使Rr变化为Rr’，从而在转子控制电压分量udr、uqr不发生变化的情况下，根据计算公式求得转子电流分量idr、iqr的变化量idr’、iqr’，从而求得转子电流ir的变化量；等效电阻发生跳变时，将引起转子电流ir在幅值和相位上的跳变：

其中A为幅值跳变量，θ为相位跳变量。

作为优选，所述单个电刷对应的接触电阻计算方式包括：

式中ρ_l、ρ_r为碳刷、滑环的电阻率；ε为材料的变形系数；H_l、H_r为碳刷、滑环接触材料的布氏硬度；n、F分别是接触点数和接触压力；ρ_a膜层的电阻率。

作为优选，所述单个电刷对应的滑环运行电阻计算方式包括：

以该电刷为参考电刷，同一电刷组中其他电刷的滑环运行电阻为：

其中，Rring为滑环整个环道的电阻，ωm为滑环的转动角速度，也即发电机的转动角速度，α为其他电刷相对于参考电刷的安装角度。目前的双馈风力发电机中，一个电刷不足以承载需要的电流，通常采用多个电刷并联，在滑环转动时，滑环运行电阻呈周期性变化，针对单个电刷，电刷电流在滑环上分为两路流动，因此滑环运行电阻不等于滑环本身电阻。

作为优选，所述采样转子电流时采用移动窗口的方法，以任一新得到的转子电流采样值和前若干个电流采样值作为转子电流序列计算出所述正弦波形。

作为优选，步骤S04的过程包括：根据正弦波形递推转子电流期望采样值，并进行逐点比较，其差值超越跳变量参考值时，即可认为存在电刷滑环打火。

本发明的实质性效果包括：充分利用双馈风力发电系统中转子侧电量信息的可控性，从而更为简便、直观、快捷地反映瞬时且随机的滑环和电刷早期故障，并且利用双馈风力发电系统中已具有的硬件设备，升级改造成本低

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的滑环及电刷示意图；

图3为本发明实施例的滑环运行电阻原理示意图；

图4为本发明实施例的正弦波形示意图；

图中：1-电刷、2-刷架、3-滑环。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本技术方案作进一步阐述。

实施例：

一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，如图1所示，包括以下步骤：S01：根据电刷及滑环的参数计算等效电阻及打火时等效电阻跳变量；S02：根据等效电阻跳变量计算对应的转子电流跳变量，作为跳变量参考值；S03：以固定时间间隔采样转子电流，计算处理后建立电流波形；S04：根据电流波形计算是否有电流跳变量达到跳变量参考值，如有则认定为存在早期故障。本方案不需要额外加装设备，减低了检测成本，通过电路参量之间的关系实现早期故障诊断，检测准确率高。

其中步骤S01根据电刷及滑环的参数计算出单个电刷对应的接触电阻及电刷电阻，再根据滑环转动周期计算滑环运行电阻，每个电刷对应的接触电阻、电刷电阻及滑环运行电阻相加得到单回路电阻，将每个电刷的单回路电阻代入并联公式获得等效电阻，当出现打火时，从并联公式中去掉对应电刷的单回路电阻得到跳变电阻，等效电阻与跳变电阻之差即为等效电阻跳变量。电刷和滑环在工作过程中产生打火的本质原因是电刷和滑环接触面在高电流负载下的接触不良，导致电刷和滑环之间产生了空气击穿放电，根据电刷及滑环的本身结构特点和物理参数，推导出等效电阻及打火时的电阻跳变量，基于物理原理的计算使得精准度较高。针对每个电刷，运行中的接触电阻由收缩电阻和膜层电阻组成，其表达式为：

式中ρ_l、ρ_r为碳刷、滑环的电阻率；ε为材料的变形系数；H_l、H_r为碳刷、滑环接触材料的布氏硬度；n、F分别是接触点数和接触压力；ρ_a膜层的电阻率。电刷电阻由自身特性决定。

如图2所示，本实施例的电机样本包括刷架2、三个电刷1以及一个滑环3，如图3所示，在滑环3转动时，滑环运行电阻呈周期性变化，每一时刻等效于两个电阻并联，则3个电刷对应的滑环运行电阻的表达式为：

上式中，R_ring为滑环整个环道的电阻，ω_m为滑环的转动角速度，也即发电机的转动角速度，α和β为第二电刷和第三电刷相对于第一电刷的安装角度。

那么，对于每个电刷的独立回路，可知

根据电路原理，其电刷滑环等效电阻在正常情况下为R₁(t)、R₂(t)、R₃(t)的并联。当电刷1在接触滑环打火时，由于电弧的高阻特性，则电刷滑环等效电阻将突变为R₂(t)、R₃(t)的并联。根据发电机电刷滑环R_c和R_brush、R_ring的典型值，可以获得电刷滑环结构的等效电阻跳变量。

步骤S02的过程包括：根据双馈风力发电机的控制原理及计算公式，以转子控制电压不发生变化为前提，结合等效电阻跳变量计算出转子电流跳变量，包括幅值跳变量和相位跳变量。双馈机组采用的电压源型变流器有维持输出稳定电压的特点，因此再结合等效电阻的相关数据就可计算电流跳变量。

其中步骤S02的计算公式及过程包括：

u_dr＝R_ri_dr-ω₂σL_ri_qr

上式中，idr、iqr为转子电流ir的d轴和q轴分量，udr、uqr为转子电压ur的d轴和q轴分量，Rr为转子电阻，Lr为转子电抗，Lm为励磁电抗，Ls为定子电抗，ωr为转子电频率fr对应的角速度，其中

us为定子电压，ωs为定子电频率的角速度；步骤S01中的等效电阻可以等效认为转子电阻Rr，发生电阻跳变时根据等效电阻跳变量使Rr变化为Rr’，从而在转子控制电压分量udr、uqr不发生变化的情况下，根据计算公式求得转子电流分量idr、iqr的变化量idr’、iqr’，从而求得转子电流ir的变化量；等效电阻发生跳变时，将引起转子电流ir在幅值和相位上的跳变：

步骤S03的过程包括：以间隔时间ΔT采样转子电流，通过低通滤波，可以测量到的三相中每一相的实际转子电流序列为：

{i_a}＝[i_1a i_2a ... i_na]

将转子电流序列表达为：

其中I_r为转子有效电流，fr为转子频率，δ1、δ2、...、δn为误差；上式再进一步转换为：

上式的归一化理想形式为：

{y}＝[z]{x}+{δ}

其中，测量值及未知量分别为：

{y}^T＝[y₁ y₂ ... y_n]

{x}^T＝[x₁ x₂]

其中：

参考数据矩阵[z]为与转子频率fr和采样时间间隔ΔT相关的计算值；设m为变量个数，n为采样所得数据点个数，在n>m的情况下，即可有残差δ的平方和为：

对Sr的各个未知量求偏导数，令各个未知量都等于零，则可以将Sr最小化，求解：

从而建立基于最小二乘回归的期望转子电流正弦波形，即如图4所示的正弦波形。

采样转子电流时采用移动窗口的方法，以任一新得到的转子电流采样值和前若干个电流采样值作为转子电流序列计算出所述正弦波形。

步骤S04的过程为：根据正弦波形递推转子电流期望采样值，并进行逐点比较，其差值超越跳变量参考值时，即可认为存在电刷滑环打火。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

其中，本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的，可以理解为由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合，也可以理解为提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器指令，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令可以存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：根据电刷及滑环的参数计算等效电阻及打火时等效电阻跳变量；

S02：根据等效电阻跳变量计算对应的转子电流跳变量，作为跳变量参考值；

S03：以固定时间间隔采样转子电流，计算处理后建立电流波形；

S04：电流波形计算是否有电流跳变量达到跳变量参考值，如有则认定为存在早期故障。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S01的过程包括：根据电刷及滑环的参数计算出单个电刷对应的接触电阻及电刷电阻，再根据滑环转动周期计算滑环运行电阻，每个电刷对应的接触电阻、电刷电阻及滑环运行电阻相加得到单回路电阻，将每个电刷的单回路电阻代入并联公式获得等效电阻，当出现打火时，从并联公式中去掉对应电刷的单回路电阻得到跳变电阻，等效电阻与跳变电阻之差即为等效电阻跳变量。

3.根据权利要求1或2所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S02的过程包括：根据双馈风力发电机的控制原理及计算公式，以转子控制电压不发生变化为前提，结合等效电阻跳变量计算出转子电流跳变量，包括幅值跳变量和相位跳变量。

4.根据权利要求1或2所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S03的过程包括：以间隔时间ΔT采样转子电流，可以测量到的三相中每一相的实际转子电流序列为：

{i_a}＝[i_1a i_2a...i_na]

将转子电流序列表达为：

其中I_r为转子有效电流，f_r为转子频率，δ₁、δ₂、...、δ_n为误差，

为相位角；上式再进一步转换为：

上式的归一化理想形式为：

{y}＝[z]{x}+{δ}

其中，测量值及未知量分别为：

{y}^T＝[y₁ y₂...y_n]

{x}^T＝[x₁ x₂]

其中：

参考数据矩阵[z]为与转子频率f_r和采样时间间隔ΔT相关的计算值；设m为变量个数，n为采样所得数据点个数，在n>m的情况下，即可有残差δ的平方和为：

对S_r的各个未知量求偏导数，令各个未知量都等于零，则可以将S_r最小化，求解：

从而建立基于最小二乘回归的期望转子电流正弦波形。

5.根据权利要求3所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S02的计算公式及过程包括：

u_dr＝R_ri_dr-ω_rσL_ri_qr

上式中，i_dr、i_qr为转子电流i_r的d轴和q轴分量，u_dr、u_qr为转子电压u_r的d轴和q轴分量，R_r为转子电阻，L_r为转子电抗，L_m为励磁电抗，L_s为定子电抗，ω_r为转子频率f_r对应的角速度，其中

u_s为定子电压，ω_s为定子电频率的角速度，ψ_s为定子磁链；步骤S01中的等效电阻可以等效认为转子电阻R_r，发生电阻跳变时根据等效电阻跳变量使R_r变化为R_r’，从而在转子控制电压分量u_dr、u_qr不发生变化的情况下，根据计算公式求得转子电流分量i_dr、i_qr的变化量i_dr’、i_qr’，从而求得转子电流i_r的变化量；等效电阻发生跳变时，将引起转子电流i_r在幅值和相位上的跳变：

其中A为幅值跳变量，θ为相位跳变量。

6.根据权利要求2所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述单个电刷对应的接触电阻计算方式包括：

式中ρ_l、ρ_r为碳刷、滑环的电阻率；ε为材料的变形系数；H_l、H_r为碳刷、滑环接触材料的布氏硬度；n、F分别是接触点数和接触压力；ρ_a膜层的电阻率。

7.根据权利要求6所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述单个电刷对应的滑环运行电阻计算方式包括：

以该电刷为参考电刷，同一电刷组中其他电刷的滑环运行电阻为：

其中，R_ring为滑环整个环道的电阻，ω_m为滑环的转动角速度，也即发电机的转动角速度，α为其他电刷相对于参考电刷的安装角度。

8.根据权利要求4所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，所述采样转子电流时采用移动窗口的方法，以任一新得到的转子电流采样值和前若干个电流采样值作为转子电流序列计算出所述正弦波形。

9.根据权利要求8所述的一种双馈风力发电机电刷和滑环早期故障诊断方法，其特征在于，步骤S04的过程包括：根据正弦波形递推转子电流期望采样值，并进行逐点比较，其差值超越跳变量参考值时，即可认为存在电刷滑环打火。

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