CN111624486A - 一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，包括以下步骤：主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令，变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式；变流器向发电机发出激励信号，再对发电机反馈的检测信号进行采集；变流器将采集到的检测信号传输给主控系统，并切换到正常工作模式；主控系统将检测信号传输给数据采集与监视控制系统；数据采集与监视控制系统对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警；本发明还提供一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置；本发明可以解决现有技术无法实现对发电机绕组绝缘性能的实时检测，不能对发电机的工作健康状态进行更加准确预判的技术问题。

Description

一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法及装置。
背景技术
发电机作为风力发电机组中的关键部件，承担着将机械能转化为电能的职能，其健康状态是影响风电机组正常运行的关键因数之一。发电机绕组的绝缘性能是体现发电机健康状态的核心参数，对发电机绕组的绝缘性能进行检测，可以判断发电机的健康状态。
目前，常规检测方法是在风力发电机组停机状态下拆除发电机出线动力电缆，利用绝缘检测仪器仪表测量发电机绕组介质损耗角、局部放电量、直流耐电压值、极化指数和放电指数等参数，以此判定绝缘系统的健康状态。该方法的缺点是需要将风力发电机组停机，拆除出线动力电缆进行检测，因此这种方法无法实现对发电机绕组绝缘性能的实时检测。
因为发电机的定转子绕组在发生早期故障时，风力发电机组仍可继续运行，若不能尽早检测到故障，将会导致定转子电流增大、温度升高，使故障加剧，最终导致风力发电机组被迫停机。所以需要对发电机绕组绝缘性能进行实时检测，从而对发电机的工作健康状态进行更加准确的预判。避免出现在前一次停机检测时没有发现异常，但在风力发电机组工作运行一段时间后，在下一次停机检测前，发电机绕组发生了故障，影响风力发电机组的正常工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法及装置，以解决现有技术中存在的无法实现对发电机绕组绝缘性能的实时检测，不能对发电机的工作健康状态进行更加准确预判的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，提供了一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法；
在第一种可实现方式中，包括以下步骤：
主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令，变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式；
变流器向发电机发出激励信号，再对发电机反馈的检测信号进行采集；
变流器将采集到的检测信号传输给主控系统；主控系统接收到检测信号后向变流器发送正常工作命令，变流器切换到正常工作模式；
主控系统将检测信号传输给数据采集与监视控制系统；
数据采集与监视控制系统对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式，采用以下方式实现：通过变流器控制单元控制断开变流器的并网接触器，闭合变流器的主接触器及主断路器。
结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，采用以下方式得到激励信号：变流器控制单元控制调整变流器调制信号的频率和载波比，改变变流器输出电压的波形、频率和幅值。
结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，发电机反馈的检测信号包括电压信号和电流信号，变流器通过电压互感器采集发电机定子一侧反馈的电压信号，通过电流互感器采集发电机定子一侧、转子一侧分别反馈的电流信号。
结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，数据采集与监视控制系统对检测信号进行分析，包括对检测信号经预处理后的数据通过多重傅里叶变换，使用时域分析、频域分析方法提取出反映发电机绝缘性能的绝缘状态参数。
结合第五种可实现方式，在第六种可实现方式中，绝缘状态参数包括绕组绝缘的极化指数、局部放电量，电压与电流之间的相位角，电流或电压的特征频率。
结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，使用温度传感器监测发电机的实时温度，数据采集与监视控制系统结合实时温度对检测信号进行判定。
第二方面，提供了一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置；
在第八种可实现方式中，使用第一种到第七种可实现方式种的任意一种方法对双馈风电机组发电机进行在线绝缘检测，包括：发电机、变流器、主控系统和数据采集与监视控制系统；
发电机包括定子和转子；
变流器，用于通过调整调制信号的频率和载波比，改变变流器输出电压的波形、频率和幅值来得到激励信号；用于向发电机发送激励信号，用于采集发电机反馈的检测信号，还用于将采集到的检测信号传输给主控系统；
主控系统，用于控制变流器的工作模式的切换；还用于接收检测信号并将检测信号传输给数据采集与监视控制系统；
数据采集与监视控制系统，用于对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。
结合第八种可实现方式，在第九种可实现方式中，变流器包括变流器控制单元、并网接触器、主断路器、主接触器、功率模块、电压互感器和电流互感器；
变流器控制单元分别与并网接触器、主断路器、主接触器、功率模块、电压互感器和电流互感器相连接；
并网接触器与发电机的定子相连接，功率模块与发电机的转子相连接；
并网接触器、主断路器和主接触器用于切换变流器的工作模式；
电压互感器和电流互感器用于采集检测信号；
结合第九种可实现方式，在第十种可实现方式中，电压互感器设在转子和功率模块之间，还设在定子和并网接触器之间；电流互感器设在定子和并网接触器之间。
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
1.通过使用并网接触器、主断路器和主接触器将发电机从电网中断开；将变流器作波形发生器使用，产生绝缘检测所需的激励信号；通过电压互感器和电流互感器采集经过发电机转子绕组之后反馈的检测信号；通过SCADA系统(数据采集与监视控制系统)对检测信号进行分析、判定；这样可以在不拆除发电机出线电缆的情况下，在风电机组启机、待机或停机时，均可实现双馈风电机组发电机绝缘性能在线检测。
2.结合模拟发电机故障的方法，在SIMULINK的仿真环境中建立双馈电机的故障模型，通过预先的故障模拟和建模仿真，得出用于判定发电机是否发生故障或者有故障风险的仿真参数，可以使SCADA系统对检测信号的判定更加准确。
3.充分利用风电机组本身的现有设备和部件，不需要额外增加其他设备，经济实用。
4.变流器可设为两种工作模式，当要进行绝缘检测时将变流器切换至发电机绕组绝缘检测工作模式，变流器完成激励信号发送和数据采集功能后即时切换至正常工作模式，后续在SCADA系统中对检测信号进行分析和处理，不会长时间影响风电机组的正常运行。
5.SCADA系统可以根据温度传感器测得的发电机温度实测值，查询映射关系曲线，通过映射关系得出在此实测温度下的校准后仿真参数，再使用校准后仿真参数对发电机的绝缘故障进行判定，从而使判定结果更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例1的方法流程图。
图2为本发明变流器发出的激励信号电压波形图。
图3为本发明SCADA系统建立故障信息库的方法流程图。
图4为本发明SCADA系统建立故障信息库时的转子电流仿真频谱图。
图5为本发明SCADA系统建立故障信息库时的定子电流仿真频谱图。
图6为本发明SCADA系统对发电机绝缘故障的分析和判定方法流程图。
图7为本发明实施例3的装置系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，包括以下步骤：
主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令，变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式；
变流器向发电机发出激励信号，再对发电机反馈的检测信号进行采集；
变流器将采集到的检测信号传输给主控系统；主控系统接收到检测信号后向变流器发送正常工作命令，变流器切换到正常工作模式；
主控系统将检测信号传输给数据采集与监视控制系统；
数据采集与监视控制系统对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。
以下对实施例1工作原理进行详细说明，如图1所示，对双馈风电机组发电机进行在线绝缘检测，按以下步骤进行：
1.主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令，变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式
在本实施例中，在风电机组启机、待机或停机时，均可以对发电机绕组的绝缘性能进行在线检测。在进行绝缘性能的在线检测前，需要使发电机与电网断开连接，同时还要使用变流器，所以工作人员要通过风电机组的主控系统，将发电机与电网断开，同时切换变流器的工作模式。通过在风电机组的主控系统中进行设置，可以给变流器增加一种发电机绕组绝缘检测工作模式，该工作模式和正常工作模式可以在主控系统的控制下实现在线切换。具体的，当需要对变流器进行工作模型切换时，当主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令后，变流器控制单元会控制断开变流器的并网接触器，闭合变流器的主接触器及主断路器，这样就将变流器的工作模式切换成发电机绕组绝缘检测工作模式。在此工作模式下，无需拆除发电机出线动力电缆，即可实现发电机与电网断开连接。
2.变流器向发电机发出激励信号；再对发电机反馈的检测信号进行采集
在本实施例中，利用对变流器的控制原理，包括SPWM(脉冲宽度调制)或SVPWM(空间矢量脉宽调制)，将变流器作波形发生器使用。当主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令后，变流器的控制单元会控制变流器调整调制信号的频率和载波比，改变变流器输出电压的波形、频率和幅值，从而产生发电机绝缘性能检测所需的激励信号。对激励信号举例说明，在本实施例中双馈风电机组的发电机为双馈异步风力发电机，参数如下：定子基频50Hz，定子电阻1.115Ω，转子电阻1.083Ω；定子电感0.005974H，转子电感0.005974H，互感0.2037H；转子故障电阻0.001Ω，转子故障电感0.0001H。在检测发电机绝缘性能时，变流器向转子提供激励信号，如图2所示，激励信号的电压幅度为1V，频率为30Hz。
然后变流器控制单元控制变流器使用功率模块，通过发电机转子一侧的动力电缆向发电机转子绕组发射激励信号。发电机转子绕组接收到激励信号，当激励信号通过发电机的转子绕组后，发电机的转子一侧、定子一侧会分别产生检测信号，检测信号包括电压信号和电流信号。变流器通过PT(电压互感器)采集发电机定子一侧反馈的电压信号，变流器通过CT(电流互感器)采集发电机定子一侧反馈的电流信号和发电机转子一侧反馈的电流信号。
3.变流器将采集到的检测信号传输给主控系统；主控系统接收到检测信号后向变流器发送正常工作命令，变流器切换到正常工作模式
变流器将采集到的信号，包括发电机定子一侧反馈的电压信号、电流信号和发电机转子一侧反馈的电流信号，传输给主控系统。主控系统接收到变流器采集到的信号后向变流器发送正常工作命令；变流器控制单元控制接通变流器的并网接触器，打开变流器的主接触器及主断路器，将变流器切换到正常工作模式。这样，当变流器完成激励信号发送和数据采集功能后即时切换至正常工作模式，不会长时间影响风电机组的正常运行。
4.主控系统将检测信号传输给数据采集与监视控制系统
主控系统将接收到的检测信号传输给SCADA系统(数据采集与监视控制系统)。传输的方式不做限定，可以是有线传输，也可以是无线传输。因SCADA系统通常是在云端部署、远程控制，所以在本实施例中采用无线传输的方式，以现有技术中任意一种可实现的方式进行无线传输，比如4G通信。
5.数据采集与监视控制系统对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机中可能存在的绝缘故障并进行预警
SCADA系统对接收到的检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。为了对检测信号进行判定，首先需要得到判定的参考值。如图3所示，SCADA系统建立故障信息库如下：通过实验室故障模拟和发电机建模仿真计算，得出不同绝缘故障类型下，发电机定子和转子的电流、电压的特征频率以及特征频率下幅值的变化；通过实验室热老化、电老化试验，得出发电机绕组绝缘状态及寿命与局部放电量、极化指数、介质损耗角之间的关系曲线。具体的，结合模拟发电机故障的方法，在SIMULINK的仿真环境中建立双馈电机的故障模型，通过预先的故障模拟和建模仿真，得出用于判定参考的仿真参数。仿真参数即进行判定时用来参考的绝缘性能标准值，仿真参数包括数据值和关系曲线。举例说明：当双馈发电机转子绕组发生故障时，故障特征频率成分为kf，其中k＝3,5,7…，f为基频(10Hz)。如图4、图5所示：图4(a)表示转子在正常状态下的电流仿真频谱图，图4(b)表示转子在故障状态下的电流仿真频谱图；图5(a)表示定子在正常状态下的电流仿真频谱图，图5(b)表示定子在故障状态下的电流仿真频谱图。对比两图可知，故障特征频率3f中转子电流变化量为30.78dBm，定子电流变化量为30.96dBm，因此定子电流信号和转子电流信号均可作为双馈风力发电机短路诊断的特征信号。通过上述技术方案得出的仿真参数，比常规的根据人为经验提炼的映射关系标更为接近真实情况，在用于在后续根据检测信号对发电机绝缘故障的判定时，可以使SCADA系统对检测信号的判定更加准确。
如图6所示，SCADA系统对发电机可能存在的绝缘故障分析和判定方法具体如下：
(1)SCADA系统将接收到的检测信号经过预处理，去除干扰数据和无效数据；预处理的主要方法是数据清洗。
(2)将预处理后的数据经过多重傅里叶变换，使用时域分析、频域分析方法提取出反映发电机绝缘性能的绝缘状态参数。在本实施例中，绝缘状态参数包括绕组绝缘的极化指数、局部放电量，电压与电流之间的相位角，电流或电压的特征频率，等等。本步骤的绝缘状态参数提取过程即是对检测信号的分析过程。
(3)将提取出来的绝缘状态参数与仿真参数(包括数据值、关系曲线)进行对比，得出判定结果。当绝缘状态参数与仿真参数的差值超过预设阈值时，则表明此时发电机的绝缘性能超过了绝缘性能标准值所允许的范围，说明发电机绕组可能存在绝缘故障，这种故障可能是早期故障，也可能是会造成风电机组停机的较严重故障。此时SCADA系统的判定结果是有故障风险。本步骤即是对检测信号的判定过程。在本实施例中，阈值取值为不超过仿真参数(即绝缘性能标准值)的±5％；对于关系曲线，就是曲线上对应点的数值的±5％。当未超过预设阈值时，即表明故障特征值不匹配，此时发电机绝缘性能正常。
(4)SCADA系统根据判定结果进行预警
当判定结果是有故障风险，SCADA系统会在系统界面上进行预警提示，包括以显示的方式，或者发出报警声的方式，提醒工作人员注意。工作人员接到预警后，会判定是否对风电机组进行停机检修。
通过本实施例中的技术方案，可以在不拆除发电机出线电缆的情况下，实现双馈风电机组发电机绝缘性能在线检测。同时，充分利用风电机组本身的现有设备和部件，不需要额外增加其他设备，经济实用。
实施例2
发电机的绝缘性能与温度有一定关系；比如，当外界温度升高或发电机因工作自身温度升高时，发电机的绝缘电阻会减小；当外界温度降低或发电机因停止工作自身温度降低时，发电机的绝缘电阻会增加。
在实施例1中，结合模拟发电机故障的方法，在SIMULINK的仿真环境中建立双馈电机的故障模型，通过预先的故障模拟和建模仿真，得出用于判定参考的仿真参数。该仿真参数所对应的温度值一般是在室温条件下，即25摄氏度。而发电机在进行绝缘检测时，因在停机之前一直是处于工作状态的，在刚停机的短时间内其温度是远高于25摄氏度的，有可能接近甚至超过100摄氏度，在本实施例中以100摄氏度举例说明。此时采用25摄氏度条件下得出的仿真参数，来判定100摄氏度下的发电机绝缘故障，是会产生一定误差的。
为解决上述技术问题，采用以下技术方案：在发电机上设置一温度传感器监测发电机的实时温度，SCADA系统结合实时温度对检测信号进行判定。具体的，SCADA系统通过实时温度对25摄氏度条件下得出的仿真参数进行校准，得出校准后仿真参数，再使用校准后仿真参数对发电机的绝缘故障进行判定。
以下对实施例2的工作原理进行详细说明：
在发电机上设一温度传感器，设置的位置可以在发电机的转子上，也可以在定子上；但因一般情况下发电机的定子温度高于转子温度，所以在本实施例中将温度传感器设在定子上。温度传感器可使用发电机自带的温度传感器，也可以新设一个，型号可选DJNTC1系列；在本实施中，使用发电机自带的温度传感器进行温度监测。温度传感器测得的实时温度，通过主控系统传输给SCADA系统。因为在不同的温度情况下，发电机的绝缘性能参数会与温度值形成一映射关系曲线，这个曲线是通过实测可以得到的。所以在校准时，SCADA系统可以根据温度传感器测得的发电机温度实测值，查询映射关系曲线，通过映射关系得出在此实测温度下的校准后仿真参数。SCADA系统再使用校准后仿真参数对发电机的绝缘故障进行判定，从而使判定结果更加准确。
实施例3
在本实例中，提供了一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置，如图7所示，包括：发电机、变流器、主控系统和数据采集与监视控制系统；
发电机包括定子和转子；
变流器，用于向发电机发送激励信号，用于采集发电机反馈的检测信号，还用于将采集到的检测信号传输给主控系统；
主控系统，用于控制变流器工作模式的切换；还用于接收检测信号并将检测信号传输给数据采集与监视控制系统；
数据采集与监视控制系统，用于对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。
变流器包括变流器控制单元、并网接触器、主断路器、主接触器、功率模块、电压互感器和电流互感器；变流器控制单元分别与并网接触器、主断路器、主接触器、功率模块、电压互感器和电流互感器相连接；变流器的并网接触器与发电机的定子相连接，变流器的功率模块与发电机的转子相连接；并网接触器、主断路器和主接触器用于切换变流器的工作模式；电压互感器和电流互感器用于采集检测信号；电压互感器设在转子和功率模块之间，还设在定子和并网接触器之间；电流互感器设在定子和并网接触器之间。
在本实施例中，双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置使用实施例1或实例2中的方法，对双馈风电机组发电机进行在线绝缘检测。当对发电机进行在线绝缘检测时，图7中的各个电网侧PT和电网侧CT均不工作，当风电机组将变流器切换至正常工作模式时，各个电网侧PT和电网侧CT才开始工作。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
主控系统向变流器发送发电机绕组绝缘检测命令，变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式；
变流器向发电机发出激励信号，再对发电机反馈的检测信号进行采集；
变流器将采集到的检测信号传输给主控系统；主控系统接收到检测信号后向变流器发送正常工作命令，变流器切换到正常工作模式；
主控系统将检测信号传输给数据采集与监视控制系统；
数据采集与监视控制系统对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。
2.根据权利要求1所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于，所述变流器切换到发电机绕组绝缘检测工作模式，采用以下方式实现：通过变流器控制单元控制断开变流器的并网接触器，闭合变流器的主接触器及主断路器。
3.根据权利要求1所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于，采用以下方式得到所述激励信号：通过变流器控制单元调整变流器调制信号的频率和载波比，改变变流器输出电压的波形、频率和幅值。
4.根据权利要求1所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于：所述发电机反馈的检测信号包括电压信号和电流信号，所述变流器通过电压互感器采集发电机定子一侧反馈的电压信号，通过电流互感器采集发电机定子一侧、转子一侧分别反馈的电流信号。
5.根据权利要求1所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于：所述数据采集与监视控制系统对检测信号进行分析，包括对检测信号经预处理后的数据通过多重傅里叶变换，使用时域分析、频域分析方法提取出反映发电机绝缘性能的绝缘状态参数。
6.根据权利要求5所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于：所述绝缘状态参数包括绕组绝缘的极化指数、局部放电量，电压与电流之间的相位角，电流或电压的特征频率。
7.根据权利要求1所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测方法，其特征在于：使用温度传感器监测发电机的实时温度，所述数据采集与监视控制系统结合所述实时温度对检测信号进行判定。
8.一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置，其特征在于：使用权利要求1-7所述任意一种方法对双馈风电机组发电机进行在线绝缘检测，包括：发电机、变流器、主控系统和数据采集与监视控制系统；
所述发电机包括定子和转子；
所述变流器，用于通过调整调制信号的频率和载波比，改变输出电压的波形、频率和幅值来得到激励信号；用于向发电机发送激励信号，用于采集发电机反馈的检测信号，还用于将采集到的检测信号传输给主控系统；
所述主控系统，用于控制变流器工作模式的切换；还用于接收检测信号并将检测信号传输给所述数据采集与监视控制系统；
所述数据采集与监视控制系统，用于对检测信号进行存储、分析和判定，识别出发电机可能存在的绝缘故障并进行预警。
9.根据权利要求8所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置，其特征在于：所述变流器包括变流器控制单元、并网接触器、主断路器、主接触器、功率模块、电压互感器和电流互感器；
所述变流器控制单元分别与所述并网接触器、主断路器、主接触器、功率模块、电压互感器和电流互感器相连接；
所述并网接触器与所述发电机的定子相连接，所述功率模块与所述发电机的转子相连接；
所述并网接触器、主断路器和主接触器用于切换变流器的工作模式；
所述电压互感器和电流互感器用于采集检测信号。
10.根据权利要求9所述一种双馈风电机组发电机在线绝缘检测装置，其特征在于：所述电压互感器设在所述转子和所述功率模块之间，还设在所述定子和所述并网接触器之间；所述电流互感器设在所述定子和所述并网接触器之间。
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