CN110779701A - 一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的振动数据，根据采集的振动数据绘制相空间重构相图，根据相图变化判断不同程度的烧伤故障。本发明基于振动信号相空间重构，诊断结果非常接近真实值，诊断结果有效，诊断精确度高，及时准确，可操作性强，保证了驱动电机的运行可靠性，确保了海上风电系统的运行安全性。

Description

一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法。

背景技术

风能已经成为世界上增长最快的可再生能源。截至目前，凭借转速调整灵敏、功率双向调节、变频控制灵活等优点，双馈感应发电机仍占据着海上风力发电机的大部分市场份额。作为发电机的动静转换器件，运行中的电刷滑环系统故障所导致的发电机运行不稳定现象屡有发生。海上风力发电使得双馈感应发电机处于高湿度、高盐雾腐蚀的工作环境中，导致电刷滑环系统的维护修理工作更加困难，需要投入更多的人力、物力和财力。因此，对海上双馈风力发电机电刷滑环系统常见的故障监测和诊断显得尤为重要。

海上运行的双馈风力发电机电刷滑环系统常见的故障主要为电刷滑环系统表面的烧伤故障，该故障的发生必然会引起系统的振动。其中，电刷滑环间的振动是动静部件摩擦引起的振动，摩擦引起的振动故障具有很强的不稳定性，振动可能长时间持续波动，也有可能突发。具体来讲，振动主要会引起两方面的效应：力冲击效应和热冲击效应。在力冲击效应中，当电刷和滑环发生接触摩擦时，电刷会受到摩擦力的冲击作用。如果摩擦较严重，在摩擦力冲击作用下，电刷会受到滑环表面产生的很大的阻力，阻碍电流平稳持续导通，不利于双馈风力发电机励磁的稳定性。在热冲击效应中，滑环与电刷之间的摩擦属于局部摩擦，若滑环表面的摩擦程度不同，当电刷在滑环表面高速旋转时，摩擦产生高温，重度摩擦侧的温度高于轻度摩擦侧，摩擦不均匀将导致滑环表面温度分布不均匀，引起滑环热变形，继而发生滑环表面不同程度的烧伤故障，严重时甚至会烧毁电刷滑环系统，造成不可挽救的损失。

在以前对海上双馈风力发电机电刷滑环系统故障诊断研究的文献中，对电刷滑环系统故障的诊断更多专注于电气量和温度场的故障研究，比如，有学者提出的基于负序分量和模糊逻辑相融合的双馈风力发电机电刷滑环系统故障诊断、基于温度场分析的海上双馈风力发电机电刷滑环系统滑环表面磨损故障诊断研究、小波包与样本嫡相融合的电刷滑环系统电刷电流分析等研究方法。实际上，电海上双馈风力发电机电刷滑环系统的运行环境恶劣、操作频繁且布线复杂，在海上双馈风力发电机电刷滑环系统发生烧伤故障时，及时诊断出故障并确定故障的程度对整个运行系统的安全性尤其重要。

发明内容

本发明提供一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，基于振动信号相空间重构，诊断结果非常接近真实值，诊断结果有效，诊断精确度高，及时准确，可操作性强，保证了驱动电机的运行可靠性，确保了海上风电系统的运行安全性。

为了达到上述目的，本发明提供一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，包含以下步骤：

步骤S1、采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的振动数据；

步骤S2、根据采集的振动数据绘制相空间重构相图；

步骤S3、根据相图变化判断不同程度的烧伤故障。

采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的电刷刷握处的振动数据。

所述的步骤S2包含以下步骤：

步骤S2.1、对采集到的振动数据进行相空间重构，求取拟合曲线S(m，T)-T；

设有一振动数据时间序列{x_i}(i＝1,2,…N₀)，对其重构的相空间R^m的元素为：

{X_j}(m,N₀,T)＝(x_j,x_j+T,…x_j+(m-1)T),j＝1,2,…p(1)

其中，m为重构相空间的维数，T为延迟时间间隔数，N₀为振动数据时间序列的数据点数，p为振动数据时间序列嵌入相空间的向量个数，p＝N₀-(m-1)T；

拟合曲线S(m，T)-T为：

步骤S2.2、确定相空间重构参数m和T；

重构相空间的维数m取值为2或3；

采用平均位移法并运用MATLAB曲线拟合工具箱中的Fourier对延迟时间间隔的拟合曲线S(m，T)-T散点图进行拟合，取拟合曲线S(m，T)-T的斜率第一次减少到小于初始斜率的40％时的延迟时间间隔数T为最佳延迟时间间隔；

步骤S2.3、根据选定的重构相空间的维数m和延迟时间间隔数T绘制相空间重构相图。

所述的相图变化包含：

在正常运行状态下，电刷滑环系统的轨线交叉混叠，且沿坐标轴对角线闭合；

在发生不同程度烧伤故障时，电刷滑环系统的轨线等效为闭合的空心畸变椭圆；

随着故障程度的加深，畸形椭圆逐渐缩小并最终变成一团黑色的实心毛刺球团。

本发明具有以下优点：

1、不需要改变海上双馈风力发电机电刷滑环系统的运行方式和结构，不影响系统运行，诊断结果可靠性强。

2、克服了以往的诊断方法在海上双馈风力发电机电刷滑环系统发生早期烧伤故障时不能及时诊断的缺点，在海上双馈风力发电机电刷滑环系统发生烧伤故障时能够及时准确地诊断早期烧伤故障。

附图说明

图1是本发明提供的一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法的流程图。

图2是采集振动信号的振动传感器布置示意图。

图3是实施例中1号测点在正常运行情况下第1次测量时的相空间重构参数T的拟合曲线图。

图4是实施例中1号测点在不同故障程度下第1次测量时的相空间重构相图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，包含以下步骤：

步骤S1、采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的振动数据；

步骤S2、根据采集的振动数据绘制相空间重构相图；

步骤S3、根据相图变化判断不同程度的烧伤故障。

所述的步骤S2具体包含以下步骤：

步骤S2.1、对采集到的振动数据进行相空间重构，求取拟合曲线S(m，T)-T；

设有一振动数据时间序列{x_i}(i＝1,2,…N₀)，对其重构的相空间R^m的元素为：

{X_j}(m,N₀,T)＝(x_j,x_j+T,…x_j+(m-1)T),j＝1,2,…p(1)

其中，m为重构相空间的维数，T为延迟时间间隔数，N₀为振动数据时间序列的数据点数，p为振动数据时间序列嵌入相空间的向量个数，p＝N₀-(m-1)T；

拟合曲线S(m，T)-T为：

步骤S2.2、确定相空间重构参数m和T；

重构相空间的维数m取值为2或3；

采用平均位移法并运用MATLAB曲线拟合工具箱中的Fourier对延迟时间间隔的拟合曲线S(m，T)-T散点图进行拟合，取拟合曲线S(m，T)-T斜率第一次减少到小于初始斜率的40％时的延迟时间间隔数T为最佳延迟时间间隔；

步骤S2.3、根据选定的重构相空间的维数m和延迟时间间隔数T绘制相空间重构相图。

在本发明的一个实施例中，考虑了海上双馈风力发电机的电刷滑环系统发生不同程度烧伤故障时的5种故障程度：滑环面一处轻度烧伤、一处重度烧伤、两处轻度烧伤、一处轻度+一处重度烧伤、两处重度烧伤。

首先，采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的振动数据。

如图2所示，为海上双馈风力发电机电刷滑环系统测量系统振动信号的振动传感器布局理论示意图，将振动传感器分别安置在三相电刷滑环系统的6个电刷刷握上，为方便记录，振动传感器的编号分别为1-6，且在一次测量中分别测量得到各个刷握处的振动数据并进行保存。

采用型号为JF2020的振动加速度传感器，振动加速度传感器靠磁座吸附在电刷滑环系统的电刷刷握上，其输出电压与振动加速度的对应关系为20mV/g(g为重力加速度)。

选用Nicolet的采集仪，设置采样频率为10kHz，采样时间为10s/次，通过采集仪向振动加速度传感器施加2mA的激励电流。

对电刷滑环系统烧伤故障前后各个测点分别测量3次，保存测量数据。

其次，根据采集的振动数据绘制相空间重构相图。

相空间重构的方法主要是对相空间重构参数m，T的合理设定。相空间重构的基本思想是：系统中任一分量的演化都是由与之相互作用的其他分量所决定的，相关分量的信息隐含在任一分量的发展过程中，即用系统的一个观察量可以重构出原动力系统模型。找到一个合适的嵌入维数重构相空间，可以把相空间内有规律的轨迹(吸引子)恢复出来。

考虑到相图的可视性，选取m＝2或3。被测的振动信号时间序列是有限长的信号并含有环境、仪器等产生的噪声，由Takens定理知，T不能随意选取。一般根据经验来选择T，其基本思想是使和x_j+T具有某种程度的独立但又不完全无关，以便它们在重构相空间中作为独立的坐标处理。平均位移法的S(m，T)表示重构状态空间的轨线从状态空间主对角线打开的程度。当T较小时，重构后的吸引子会被压缩在主对角线一带，而随着T的增大，吸引子的形状会逐渐展开。最后求得的T应该保证重构的相空间轨线从相空间的主对角线向外扩展，而又不发生折叠现象。建议取S(m，T)-T曲线的斜率第一次减少到小于初始斜率40％时的T为最佳延迟时间间隔。

当m取2时，采用平均位移法，为方便计算，运用MATLAB曲线拟合工具箱中的Fourier对延迟时间间隔在20以内的S(m，T)-T散点图进行拟合。如图3所示，为1号测点处的振动传感器在正常运行情况下第1次测量时的相空间重构参数T的拟合曲线图，拟合曲线S(m，T)-T的解析式为：

f(x)＝-0.02452+0.04549cos(ωx)+0.1782sin(ωx)+0.05972cos(2ωx)-0.0447sin(2ωx)-0.01352cos(3ωx)-0.008536sin(3ωx)；

其中，ω＝0.09377。

从x＝1开始计算导数f'(x)，由计算结果可知，使得f'(x)/f'(1)<40％成立的第一个整数点为x＝10(f'(10)/f'(1)＝38.12％)。附近点的斜率与初始斜率的比值为：f'(9)/f'(1)＝41.17％，f'(11)/f'(1)＝34.1％。MATLAB显示结果为：R-square＝0.9816，该值越接近1，表明拟合越理想；均方根误差(RMSE)为0.001318，较小。根据拟合曲线，求得最佳延迟时间间隔T为10，因为采样频率是10kHz，所以对应的延迟时间为0.001s；

如图4所示，为1号测点在不同故障程度下第1次测量时的相空间重构相图，图中从上到下依次为海上双馈风力发电机电刷滑环系统正常运行状态，滑环面一处轻度烧伤、一处重度烧伤、两处轻度烧伤、一处轻度+一处重度烧伤、两处重度烧伤故障运行状态。

最后，根据相图变化判断不同程度的烧伤故障。

根据同一故障情况下的相图变化分析双馈风力发电机电刷滑环系统是否发生了烧伤故障，根据同一测点不同程度故障情况下的相图变化对比判断不同程度的烧伤故障。

如图4可知，在正常运行状态下的电刷滑环系统的轨线交叉混叠，且沿坐标轴对角线闭合；在发生不同程度烧伤故障时，电刷滑环系统的轨线可以等效为闭合的空心畸变椭圆，符合电刷滑环系统在实际运行中的非线性周期振动特性；同时，随着故障程度的加深，畸形椭圆逐渐缩小并最终变成一团黑色的实心毛刺球团，因此可以依据此特征，实现对双馈风力发电机电刷滑环系统烧伤故障的诊断和故障程度的识别。

本发明提供的一种基于振动信号相空间重构的海上双馈风力发电机电刷滑环系统烧伤故障的诊断方法，诊断结果非常接近真实值，诊断结果有效，诊断精确度高，及时准确，可操作性强，保证了驱动电机的运行可靠性，确保了海上风电系统的运行安全性。

本发明是在海上双馈风力发电机电刷滑环系统运行状态下，根据基于振动信号相空间重构这一诊断方法进行海上双馈风力发电机电刷滑环系统烧伤故障的诊断。本发明的优点在于：1、不需要改变海上双馈风力发电机电刷滑环系统的运行方式和结构，不影响系统运行，诊断结果可靠性强；2、克服了以往的诊断方法在海上双馈风力发电机电刷滑环系统发生早期烧伤故障时不能及时诊断的缺点，在海上双馈风力发电机电刷滑环系统发生烧伤故障时能够及时准确地诊断早期烧伤故障。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1、采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的振动数据；

步骤S2、根据采集的振动数据绘制相空间重构相图；

步骤S3、根据相图变化判断不同程度的烧伤故障。

2.如权利要求1所述的海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，其特征在于，采集海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的电刷刷握处的振动数据。

3.如权利要求1所述的海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，其特征在于，所述的步骤S2包含以下步骤：

步骤S2.1、对采集到的振动数据进行相空间重构，求取拟合曲线S(m，T)-T；

设有一振动数据时间序列{x_i}(i＝1，2，...N₀)，对其重构的相空间R^m的元素为：

{X_j}(m，N₀，T)＝(x_j，x_j+T，...x_j+(m-1)T)，j＝1，2，...p(1)

其中，m为重构相空间的维数，T为延迟时间间隔数，N₀为振动数据时间序列的数据点数，p为振动数据时间序列嵌入相空间的向量个数，p＝N₀-(m-1)T；

拟合曲线S(m，T)-T为：

步骤S2.2、确定相空间重构参数m和T；

重构相空间的维数m取值为2或3；

采用平均位移法并运用MATLAB曲线拟合工具箱中的Fourier对延迟时间间隔的拟合曲线S(m，T)-T散点图进行拟合，取拟合曲线S(m，T)-T的斜率第一次减少到小于初始斜率的40％时的延迟时间间隔数T为最佳延迟时间间隔；

步骤S2.3、根据选定的重构相空间的维数m和延迟时间间隔数T绘制相空间重构相图。

4.如权利要求1所述的海上双馈风力发电机的电刷滑环系统的故障诊断方法，其特征在于，所述的相图变化包含：

在正常运行状态下，电刷滑环系统的轨线交叉混叠，且沿坐标轴对角线闭合；

在发生不同程度烧伤故障时，电刷滑环系统的轨线等效为闭合的空心畸变椭圆；

随着故障程度的加深，畸形椭圆逐渐缩小并最终变成一团黑色的实心毛刺球团。

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