CN108196187B - 双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法，步骤1：在动模实验平台上搭建双馈风力发电机转子绕组故障模拟系统；步骤2：在电机运行的不同状态下，获取转子侧故障前后的转子电流或电压信号，故障录波分析装置进行相应录波，通过MATLAB读取数据并进行直流分量滤除和FFT变换处理；步骤3：根据幅值的变化率提取故障前后变化明显的频率作为诊断该故障的特征频率，用于断判双馈风力发电机转子绕组是否发生三相不对称负载故障。本发明诊断结果非常接近真实值，诊断结果有效，诊断精确度高，可操作性强。

Description

双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法，属于驱动电机状态检测与故障诊断技术领域。

背景技术

发电机的正常运行对整个电网的安全稳定意义重大。在风电场中，双馈风力发电机凭借高效率、低成本和功率因数可调等优点成为主流机型。由于运行环境的恶劣，风力发电机引起的故障远多于常规发电机。因此为增强风电机组的可靠性，也为开展故障早期预警和及时维修工作，对风电机组在线监测技术的研究至关重要。

双馈风力发电机转子绕组由于自身外接电路且连接一个背靠背变换器，很难检测其运行状态，并且发电机转子侧控制器参数调节滞后，有功功率、无功功率、定转子电流和转速等在故障前后振荡严重，从而对电机本身和电网产生很大冲击，因此需要加强对转子绕组状态信息的在线监测。

目前，国内外对双馈风力发电机转子绕组故障的诊断研究仍处于起步阶段。国内的研究相对较成熟，文献都能通过对应特征方法选择合适的特征信号找出故障；法国Picardie大学Yazidi A学者面向电路建立双馈风力发电机正常及转子绕组匝间短路的模型进行仿真研究；德国基尔大学Dinkhauser V学者利用MATLAB软件建立双馈电机模型，通过引入因子u表征匝间故障的严重程度，通过小波分析和龙伯格观测器寻找故障特征；意大利博洛尼亚大学Gritli Y学者对转子绕组故障时的实验数据进行分析，运用小波变换对故障进行量化，设置固定阈值判别故障，但没有考虑转子变换器不同控制策略对提取特征信号的影响。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤1：在动模实验平台上搭建双馈风力发电机转子绕组故障模拟系统；

步骤2：通过变换风速改变转差率来设置电机运行的不同状态，基于模拟系统获取转子侧模拟三相负载不对称运行故障前后的转子电流或电压信号，并进行不同状态下转子电流或电压信号进行校正，再采用电力故障录波分析装置进行相应录波，通过MATLAB读取数据并进行直流分量滤除和FFT变换处理；

步骤3：分析正常状态与故障状态下，在不同运行状态下的转子电流或电压频谱图，获取ksf及其边频的变化幅值，k＝2n+1,n取从1开始的自然数，s为转差率，f为基频，根据幅值的变化率提取故障前后变化明显的频率作为诊断该故障的特征频率，用于断判双馈风力发电机转子绕组是否发生三相不对称负载故障。

作为优选方案，所述步骤1包括：

步骤1.1：将5.5kW直流电动机与5.5kW绕线式异步电机直接相连构成双馈风力发电机组，直流电动机为异步电机提供外部励磁，通过双馈风机励磁控制屏实时控制并显示励磁大小；他励直流电机直接连接风力机特性模拟装置输出端，实时接收变风速的调节信号；异步电机转子一边输出端连接转子侧DSP控制器实现双馈异步电机的同步、超同步、次同步状态转变、另一边输出端直接连接负载以及电力故障录波分析装置，最终接入电网侧DSP控制器实现与电网的电能传输；所述负载用灯泡来模拟。

作为优选方案，所述步骤1还包括：

步骤1.2：在实验前先测试电压、电流互感器性能，通过工频电源、调压器、万用表验证电压互感器且二次侧不能短路，在回路中串电阻，利用调压器、钳形电流表验证电流互感器且二次侧不能开路；

步骤1.3：在采集电压电流信号时，为避免出现低频信号产生直流磁化效应，超出工频互感器频率传输范围而导致二次侧波形畸变的现象，选择型号为HZIA-C06的霍尔电流传感器；由于转子电压数值小，将电压传感器直接接入中元华电定制的低频信号测量装置中；

步骤1.4：为了避免出现由于转子侧未接零线而发生零点漂移的现象，将任一相与零线短接，再测量任两相的相间电压值或电流值作为校正值，对实测信号进行零漂校正。

作为优选方案，所述步骤2包括：

步骤2.1：通过风力机特性模拟装置调节电机转速来变换风速，从而改变转差率s来设置双馈风力发电机分别运行在三种不同的运行状态，包括同步状态、次同步状态和超同步状态；

步骤2.2：选择任一种双馈风力发电机运行状态，当双馈风力发电机工作在正常状态时，通过电流或电压互感器获取异步电机与变流器之间测量点的转子电流或电压实测值，再将实测值减去校正值的信号波形分别发送给录波器分析装置；将信号波形通过直流分量滤除和FFT变换处理，分别得到sf、3sf、2-3sf、2+3sf四处频率的正常状态幅值；

步骤2.3：在模拟系统上断路某相灯泡来模拟负载的三相不对称运行故障，再次获取异步电机与变流器之间测量点的转子电流或电压实测值，再将实测值减去校正值的信号波形分别发送给录波器分析装置，将信号波形通过直流分量滤除和FFT变换处理，分别得到sf、3sf、2-3sf、2+3sf四处频率的故障状态幅值。

作为优选方案，所述步骤3包括：

步骤3.1：分别求取不同双馈风力发电机运行状态下，异步电机与变流器之间测量点sf、3sf、2-3sf、2+3sf频率正常状态幅值与故障状态幅值之间的变化值，再将变化值分别除以正常状态幅值得到变化率；

步骤3.2：选取sf、3sf、2-3sf、2+3sf频率中变化率最大的频率值作为诊断三相不对称负载故障的特征频率。

作为优选方案，所述电力故障录波分析装置采用中元华电定制的型号为ZH-2B的录波分析装置。

作为优选方案，所述步骤3还包括：

将3sf作为双馈风力发电机通用状态特征频率，将2-3sf作为双馈风力发电机次同步状态特征频率，将2+3sf作为双馈风力发电机超同步状态特征频率。

有益效果：本发明提供的双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法，诊断结果非常接近真实值，诊断结果有效，诊断精确度高，可操作性强。

本发明在双馈风力发电机不同运行状态下，根据转子电流信号中的故障特征频率3sf和边频(2±3sf)进行双馈风力发电机转子绕组是否发生三相负载不对称运行故障的判定和诊断。其优点在于：1、不需要分离双馈风力发电机定转子作分别研究，保证了电机整体结构运行的完整性，诊断结果可靠性强；2、在转子绕组三相负载不对称运行故障初期诊断灵敏度高，有利于早期的故障诊断和遏制。

附图说明

图1是本发明涉及的双馈风力发电机转子绕组故障模拟系统结构示意图；

图2是本发明涉及的双馈风力发电机组结构示意图；

图3是本发明三相不对称负载运行故障诊断流程图；

图4是本发明涉及的s＝0.12时的次同步状态下转子绕组三相负载不对称运行故障前后测量点在变流器转子侧的转子电流频谱图；

图5是本发明涉及的s＝-0.12时的超同步状态下转子绕组三相负载不对称运行故障前后测量点在变流器转子侧的转子电流频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，图中参数均为额定运行参数。风力机特性模拟装置，用来调节电机转速，双馈风机励磁控制屏，用来调整转子侧及电网侧DSP控制器的起停及参数变化和转速、有功功率、无功功率等数值的实时显示。综合考虑实验的安全性和经济性，用灯泡代替负载且通过断路某相灯泡的方式模拟负载不对称；

如图2所示，图中用圆圈标明其测点分布情况。其中1-4点位置分别为：变流器转子侧1、定子侧2、电抗器后网侧3和变流器后网侧4。在这四处安装合适的电压、电流互感器分别测量故障前后的信号值，以便后续频谱分析；

如图3所示，一种双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法，具体操作过程如下：

步骤1：在动模实验平台上搭建双馈风力发电机转子绕组故障模拟系统，该系统包括：5.5kW直流电动机、5.5kW绕线式异步电机、风力机特性模拟装置、双馈风机励磁控制屏、负载以及电力故障录波分析装置、转子侧DSP控制器、电网侧DSP控制器。

综合考虑实验的安全性和经济性，用灯泡代替负载，通过采用断路某相灯泡的方式模拟负载不对称；在实验前进行电压、电流互感器性能的选择和测定以及克服三相幅值的不对称问题；

步骤2：通过变换风速改变转差率来设置电机运行的不同状态，基于模拟系统获取转子侧模拟三相负载不对称运行故障前后的转子电流或电压信号，并进行不同状态下转子电流或电压信号进行校正，再采用电力故障录波分析装置进行相应录波，数据存储为comtrade格式，通过MATLAB读取数据并进行直流分量滤除和FFT变换处理；

步骤3：分析正常状态与故障状态下，在不同运行状态下的转子电流或电压频谱图，获取ksf(k＝2n+1,n取从1开始的自然数)，及其边频的变化幅值，根据幅值的变化率提取故障前后变化明显的频率作为诊断该故障的特征频率，用于断判双馈风力发电机转子绕组是否发生三相不对称负载故障。

所述步骤1包括：

步骤1.1：将5.5kW直流电动机与5.5kW绕线式异步电机直接相连构成双馈风力发电机组，直流电动机为异步电机提供外部励磁，通过双馈风机励磁控制屏实时控制并显示励磁大小；他励直流电机直接连接风力机特性模拟装置输出端，实时接收变风速的调节信号；异步电机转子一边输出端连接转子侧DSP控制器实现双馈异步电机的同步、超同步、次同步状态转变、另一边输出端直接连接负载以及电力故障录波分析装置，最终接入电网侧DSP控制器实现与电网的电能传输。在搭建双馈风力发电机转子绕组故障模拟系统时，用风力机特性模拟装置调节电机转速，用双馈风机励磁控制屏调整转子侧及电网侧DSP控制器的起停及参数变化和转速、有功功率、无功功率数值的实时显示；通过断路某相灯泡来模拟负载的三相不对称运行故障；

步骤1.2：在实验前先测试电压、电流互感器性能，通过工频电源、调压器、万用表等验证电压互感器且二次侧不能短路，在回路中串电阻，利用调压器、钳形电流表等验证电流互感器且二次侧不能开路；

步骤1.3：在采集电压电流信号时，为避免出现低频信号产生直流磁化效应，超出工频互感器频率传输范围而导致二次侧波形畸变的现象，选择型号为HZIA-C06的霍尔电流传感器。由于转子电压数值小，将电压传感器直接接入中元华电定制的低频信号测量装置中；

步骤1.4：为了避免出现由于转子侧未接零线而发生零点漂移的现象，将任一相与零线短接，再测量任两相的相间电压值或电流值作为校正值，对实测信号进行零漂校正。

所述步骤2包括：

步骤2.1：通过风力机特性模拟装置调节电机转速来变换风速，从而改变转差率s来设置双馈风力发电机分别运行在三种不同的运行状态，包括同步状态、次同步状态和超同步状态。

步骤2.2：选择任一种双馈风力发电机运行状态，当双馈风力发电机工作在正常状态时，通过电流或电压互感器分别获取异步电机与变流器、异步电机与负载、变压器与负载、变流器与变压器之间四处测量点的转子电流或电压实测值，再将四组实测值减去校正值的信号波形分别发送给录波器分析装置。将四组信号波形通过直流分量滤除和FFT变换处理，分别得到sf、3sf、2-3sf、2+3sf四处频率的正常状态幅值；实验中选用中元华电定制的型号为ZH-2B的电力故障录波分析装置记录并监测双馈风力发电机的运行状态。

步骤2.3：在模拟系统上断路某相灯泡来模拟负载的三相不对称运行故障，再次获取四处测量点的转子电流或电压实测值，再将四组实测值减去校正值的信号波形分别发送给录波器分析装置，录波分析装置数据存储为comtrade格式，通过MATLAB读取数据并将四组信号波形通过直流分量滤除和FFT变换处理，分别得到sf、3sf、2-3sf、2+3sf四处频率的故障状态幅值；

所述步骤3包括：

步骤3.1：分别求取不同双馈风力发电机运行状态下，四处测量点sf、3sf、2-3sf、2+3sf频率正常状态幅值与故障状态幅值之间的四组变化值，再将变化值分别除以正常状态幅值得到变化率。

步骤3.2：选取变流器转子侧测量点中sf、3sf、2-3sf、2+3sf频率中变化率最大的频率值作为诊断三相不对称负载故障的特征频率。

在对不同情况进行实验统计中获得在诊断双馈风力发电机三相负载不对称运行故障时，将3sf作为双馈风力发电机通用状态特征频率，将(2-3sf)作为双馈风力发电机次同步状态特征频率，将(2+3sf)作为双馈风力发电机超同步状态特征频率。

如图4、图5所示，分别s＝0.12时的次同步状态下转子绕组三相负载不对称运行故障前后转子电流频谱图和s＝-0.12时的超同步状态下转子绕组三相负载不对称运行故障前后转子电流频谱图。依据谐波理论可知双馈风力发电机转子绕组出现故障时，转子侧电气量的故障特征频率包含ksf成分(k＝3,5,7…)，基于此分析图4、图5得到的不同电机运行状态下的转子电流频谱图，获取ksf及其边频的变化幅值，将变化明显的频率幅值整理成表1。

由表1可知，发生故障时转子侧电气量的故障特征频率幅值均增大，且3sf处的频率幅值变化最明显；当电机运行在次同步状态，频率(2-3sf)的变化率较(2+3sf)的变化率大，故障诊断精度更高；当电机运行在超同步状态，频率(2+3sf)的变化率较(2-3sf)的变化率大，故障诊断精度更高。因此在诊断双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载运行故障时，可将3sf作为电机通用状态特征频率，将(2-3sf)作为电机次同步状态特征频率，将(2+3sf)作为电机超同步状态特征频率，从而进一步提高该故障的诊断精度。

表1是本发明涉及的次同步和超同步状态下转子绕组三相不对称负载运行故障前后的不同频率变化；

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种双馈风力发电机转子绕组三相不对称负载故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在动模实验平台上搭建双馈风力发电机转子绕组故障模拟系统；

步骤2：通过变换风速改变转差率来设置电机运行的不同状态，基于模拟系统获取转子侧模拟三相负载不对称运行故障前后的转子电流或电压信号，并进行不同状态下转子电流或电压信号进行校正，再采用电力故障录波分析装置进行相应录波，通过MATLAB读取数据并进行直流分量滤除和FFT变换处理；

步骤3：分析正常状态与故障状态下，在不同运行状态下的转子电流或电压频谱图，获取ksf及其边频的变化幅值，k=2n+1,n取从1开始的自然数，s为转差率，f为基频，根据幅值的变化率提取故障前后变化明显的频率作为诊断该故障的特征频率，用于断判双馈风力发电机转子绕组是否发生三相不对称负载故障；

所述步骤1包括：

步骤1.1：将5.5kW直流电动机与5.5kW绕线式异步电机直接相连构成双馈风力发电机组，直流电动机为异步电机提供外部励磁，通过双馈风机励磁控制屏实时控制并显示励磁大小；他励直流电机直接连接风力机特性模拟装置输出端，实时接收变风速的调节信号；异步电机转子一边输出端连接转子侧DSP控制器实现双馈异步电机的同步、超同步、次同步状态转变、另一边输出端直接连接负载以及电力故障录波分析装置，最终接入电网侧DSP控制器实现与电网的电能传输；所述负载用灯泡来模拟；

步骤1.2：在实验前先测试电压、电流互感器性能，通过工频电源、调压器、万用表验证电压互感器且二次侧不能短路，在回路中串电阻，利用调压器、钳形电流表验证电流互感器且二次侧不能开路；

步骤1.3：在采集电压电流信号时，为避免出现低频信号产生直流磁化效应，超出工频互感器频率传输范围而导致二次侧波形畸变的现象，选择型号为HZIA-C06的霍尔电流传感器；

步骤1.4：为了避免出现由于转子侧未接零线而发生零点漂移的现象，将任一相与零线短接，再测量任两相的相间电压值或电流值作为校正值，对实测信号进行零漂校正；

所述步骤2包括：

步骤2.1：通过风力机特性模拟装置调节电机转速来变换风速，从而改变转差率s来设置双馈风力发电机分别运行在三种不同的运行状态，包括同步状态、次同步状态和超同步状态；

步骤2.2：选择任一种双馈风力发电机运行状态，当双馈风力发电机工作在正常状态时，通过电流或电压互感器获取异步电机与变流器之间测量点的转子电流或电压实测值，再将实测值减去校正值的信号波形分别发送给录波器分析装置；将信号波形通过直流分量滤除和FFT变换处理，分别得到sf、3sf、2-3sf、2+3sf四处频率的正常状态幅值；

步骤2.3：在模拟系统上断路某相灯泡来模拟负载的三相不对称运行故障，再次获取异步电机与变流器之间测量点的转子电流或电压实测值，再将实测值减去校正值的信号波形分别发送给录波器分析装置，将信号波形通过直流分量滤除和FFT变换处理，分别得到sf、3sf、2-3sf、2+3sf四处频率的故障状态幅值；

所述步骤3包括：

步骤3.1：分别求取不同双馈风力发电机运行状态下，异步电机与变流器之间测量点sf、3sf、2-3sf、2+3sf频率正常状态幅值与故障状态幅值之间的变化值，再将变化值分别除以正常状态幅值得到变化率；

步骤3.2：选取sf、3sf、2-3sf、2+3sf频率中变化率最大的频率值作为诊断三相不对称负载故障的特征频率；

所述步骤3还包括：

将3sf作为双馈风力发电机通用状态特征频率，将2-3sf作为双馈风力发电机次同步状态特征频率，将2+3sf作为双馈风力发电机超同步状态特征频率。

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