一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法及系统与流程

1.本发明涉及永磁风力发电机领域，特别是涉及一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法及系统。


背景技术：

2.风能作为一种清洁能源，已经得到了世界各国的重视。永磁风力发电机组作为捕获风能的一种重要设备，由于其传动简单、可靠性高及电网接入性能优异等特点，被广泛使用于风力发电中。风力发电机组常运行在较为恶劣的室外环境，因此更容易发生故障。
3.定子绕组不对称故障是永磁发电机常见的电气故障之一。定子绕组不对称故障指的是由于加工工艺、热和振动等因素造成的定子绕组阻值变化。在故障程度较为微弱时，机组仍能继续运行，但长期运行在故障下会导致机组出现如发热、振动增大等问题，甚至加重故障程度，导致发电机重大故障，最终影响机组的运行。
4.此前已经存在一些可以诊断永磁风力发电机组定子绕组不对称故障的方法，但大都使用轮毂处平均风速来进行分析。如图1所示，在轮毂中心o处，通常安装有风速计，用于采集实际风速，然后取一段时间的平均值作为平均风速。而风机实际运行中，由于风剪切及塔影效应的存在，叶轮扫掠面内各点的风速分布差异是很大的，并且很多研究显示，风速时空分布差异还会造成风机输出转矩及电功率发生波动。目前现有技术中没有明确针对考虑风速时空分布后的永磁风力发电机组定子绕组不对称的故障诊断方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法及系统，以提高定子绕组不对称故障诊断的准确性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法，所述方法包括：
8.获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁发电机的定子单相电流；
9.确定所述定子单相电流的功率谱密度谱图；
10.当功率谱密度谱图中存在定子电流三倍频时，判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，获得判断结果；所述调制频率为3的整数倍叶轮转频；
11.若所述判断结果表示否，则采用信号处理方法从所述定子单相电流中提取调制频率，获得提取结果；
12.当所述提取结果表示从所述定子单相电流中提取出调制频率时，判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障；
13.若所述判断结果表示是，则判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障。
14.可选的，所述获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁风力发电机的定子单相电流，具体包括：
15.同步采集预设时间段内直驱永磁风力发电机组的叶轮转速及永磁风力发电机的
定子单相电流；
16.计算预设时间段内叶轮转速平均值；
17.根据叶轮转速平均值，利用公式fm＝nm/60，获得叶轮转频；
18.其中，fm为叶轮转频，nm为叶轮转速平均值。
19.可选的，所述获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁风力发电机的定子单相电流，具体包括：
20.同步采集预设时间段内半直驱永磁风力发电机的转子转速及定子单相电流；
21.计算预设时间段内永磁发电机转子转速平均值；
22.根据转子转速平均值，利用公式fm＝nr/60n，获得叶轮转频；
23.其中，fm为叶轮转频，nr为转子转速平均值，n为半直驱风力发电机组齿轮箱增速比。
24.可选的，所述判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，获得判断结果，具体包括：
25.判断功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧是否存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧是否存在3f
±
3kfm的谐波频率；
26.若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示是；
27.若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧不存在f
±
3kfm的谐波频率或定子电流三倍频3f两侧不存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示否；
28.其中，fm为叶轮转频，k为故障谐波次数。
29.可选的，所述信号处理方法包括：hilbert包络解调和小波分析等。
30.可选的，所述获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁发电机的定子单相电流，之前还包括：
31.构建考虑风速时空分布差异的故障定子电流函数为
[0032][0033]
其中，i为故障定子电流，i1为定子电流基波幅值，i2为定子电流三倍频幅值，ωe为定子电流基频，ωm为叶轮旋转角频率，i
k1
和分别为定子电流基频两侧的k次故障谐波幅值和相角，i
k2
和分别为定子电流三倍频两侧的k次故障谐波幅值和相角，n为故障谐波总数。
[0034]
一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断系统，所述系统包括：
[0035]
发电机数据获取模块，用于获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁发电机的定子单相电流；
[0036]
功率谱密度谱图确定模块，用于确定所述定子单相电流的功率谱密度谱图；
[0037]
判断模块，用于当功率谱密度谱图中存在定子电流三倍频时，判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，获得判断结果；所述调制频率为3的整数倍叶轮转频；
[0038]
提取模块，用于若所述判断结果表示否，则采用信号处理方法从所述定子单相电流中提取调制频率，获得提取结果；
[0039]
第一判定模块，用于当所述提取结果表示从所述定子单相电流中提取出调制频率时，判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障；
[0040]
第二判定模块，用于若所述判断结果表示是，则判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障。
[0041]
可选的，所述判断模块，具体包括：
[0042]
条件判断子模块，用于判断功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧是否存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧是否存在3f
±
3kfm的谐波频率；
[0043]
第一判断结果表示子模块，用于若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示是；
[0044]
第二判断结果表示子模块，用于若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧不存在f
±
3kfm的谐波频率或定子电流三倍频3f两侧不存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示否；
[0045]
其中，fm为叶轮转频，k为故障谐波次数。
[0046]
可选的，所述信号处理方法包括：hilbert包络解调和小波分析等。
[0047]
可选的，所述系统还包括：
[0048]
函数构建模块，用于构建考虑风速时空分布差异的故障定子电流函数为
[0049][0050]
其中，i为故障定子电流，i1为定子电流基波幅值，i2为定子电流三倍频幅值，ωe为定子电流基频，ωm为叶轮旋转角频率，i
k1
和分别为定子电流基频两侧的k次故障谐波幅值和相角，i
k2
和分别为定子电流三倍频两侧的k次故障谐波幅值和相角，n为故障谐波总数。
[0051]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0052]
本发明公开一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法及系统，当定子单相电流的功率谱密度谱图中存在定子电流三倍频时，判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，功率谱密度谱图中不存在调制频率时采用信号处理方法从所述定子单相电流中提取调制频率，若提取到调制频率时，判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障；功率谱密度谱图中存在调制频率时直接判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障，实现了考虑风速时空分布后的永磁风力发电机组定子绕组不对称的故障诊断，更贴近实际运行的永磁风力发电机工况，提高了定子绕组不对称故障诊断的准确性。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1为现有技术中叶轮及其扫掠面的示意图；
[0055]
图2为本发明提供的一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法的流程图；
[0056]
图3为本发明提供的一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法的原理图；
[0057]
图4为本发明提供的机械转矩fft谱对比图；
[0058]
图5为本发明提供的考虑风速时空分布的定子电流psd谱。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
本发明的目的是提供一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法及系统，以提高定子绕组不对称故障诊断的准确性。
[0061]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0062]
本发明提供了一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断方法，如图2-3所示，方法包括：
[0063]
步骤101，获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁发电机的定子单相电流。
[0064]
利用转速传感器以及电流传感器分别在时间段t内同步采集永磁风力发电机叶轮转速/转子转速及定子单相电流，并将数据保存至计算机用于后续分析。
[0065]
在时间段t内，选取叶轮转速平稳的时间段t1，将时间段t1内的叶轮转速/转子转速及定子单相电流用作后续计算与判定。
[0066]
获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频的方式有两种。
[0067]
第一种，当永磁风力发电机组为直驱永磁风力发电机组时：
[0068]
同步采集预设时间段内直驱永磁风力发电机的叶轮转速；
[0069]
计算预设时间段内叶轮转速平均值；
[0070]
根据叶轮转速平均值，利用公式fm＝nm/60，获得叶轮转频；
[0071]
其中，fm为叶轮转频，nm为叶轮转速平均值。
[0072]
第二种，当永磁风力发电机组为半直驱永磁风力发电机组时：
[0073]
同步采集预设时间段内半直驱永磁风力发电机的转子转速；
[0074]
计算预设时间段内永磁发电机转子转速平均值；
[0075]
根据转子转速平均值，利用公式fm＝nr/60n，获得叶轮转频；
[0076]
其中fm为叶轮转频，nr为转子转速平均值，n为半直驱风力发电机组齿轮箱增速比。
[0077]
步骤102，确定定子单相电流的功率谱密度谱图。
[0078]
步骤103，当功率谱密度谱图中存在定子电流三倍频时，判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，获得判断结果；调制频率为3的整数倍叶轮转频。
[0079]
判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，获得判断结果，具体包括：
[0080]
判断功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧是否存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧是否存在3f
±
3kfm的谐波频率；
[0081]
若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示是；
[0082]
若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧不存在f
±
3kfm的谐波频率或定子电流三倍频3f两侧不存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示否；
[0083]
其中，fm为叶轮转频，k为故障谐波次数。
[0084]
步骤104，若判断结果表示否，则采用信号处理方法从定子单相电流中提取调制频率，获得提取结果。
[0085]
前面使用的psd(power spectral density，功率谱密度)方法有可能无法清晰得到故障特征频率的数据，为了防止出现误判，进一步采用其他信号处理方法提取3kfm这一特征频率。信号处理方法包括：hilbert包络解调和小波分析等。
[0086]
步骤105，当提取结果表示从定子单相电流中提取出调制频率时，判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障。否则永磁风力发电机存在其他故障。
[0087]
步骤106，若判断结果表示是，则判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障。
[0088]
本发明故障诊断依据的原理为：
[0089]
当前，在多数风电机组的故障诊断分析中，通常使用轮毂中心高度处的风速vh来代表整个叶轮捕获的风速。而风机实际运行中，由于风剪切以及塔影效应的存在，叶轮扫掠面内风速的时空分布并不恒定.在考虑了风剪切及塔影效应后，根据风速时空分布特性建立等效风速模型，其表达式为：
[0090]veq
＝vh v
ws
v
ts
ꢀꢀꢀ
(1)
[0091]
式中，v
eq
—等效风速；v
ws
—风剪切波动分量；v
ts
—塔影效应波动分量；vh—轮毂中心高度处风速，m/s。
[0092]
上式中，风剪切分量和塔影分量可分别表示为：
[0093][0094][0095]
式中，r—叶轮半径，m；α—风剪切指数；h—轮毂高度，m；βb—叶片方位角，rad，下标b为叶片编号；a—塔筒半径，m；x—叶轮旋转平面到塔筒中心线的距离，m；ωm—叶轮旋转角频率，rad/s；t—时间，s；
[0096]
将式(2)和式(3)带入式(1)中，得到完整的等效风速模型表达式，如式(4)：
[0097][0098]
经傅里叶拟合化简后式(4)可改写如下：
[0099][0100]
式中，vk—风速k次谐波幅值；—k次谐波相角。
[0101]
根据风速与转矩t的关系，转矩可写作如下：
[0102][0103]
式中，t0—轮毂风速vh对应的气动转矩；tk—转矩k次谐波幅值；θk—k次谐波相角，t—转矩。
[0104]
于是根据永磁风力发电机组运动方程，可得到转子机械角速度，如下：
[0105][0106]
式中，ak＝tk/3kωmj，j为风力机等效转动惯量，kg.m2，ω
r0
为转子机械角速度稳态值。
[0107]
在上式中，如果是直驱式永磁风力发电机组，ω
r0
等于叶轮角速度的稳态值；如果是半直驱式永磁风力发电机组，则ω
r0
等于叶轮角速度稳态值的n倍，n为齿轮箱增速比。
[0108]
根据转子机械角速度与定子电流的关系，不考虑其他谐波，定子电流解析式可推导如下：
[0109][0110]
式中，i—定子电流基波幅值；ik—故障谐波幅值，ik＝in
pak
/6kωm；n
p
—发电机极对数
[0111]
由式(8)可知，在考虑风速时空分布差异后，正常情况下，定子电流将出现基频ωe以及其两侧的调制频率3kωm。
[0112]
常规的未考虑风速分布差异情况下，发电机定子电流中除了基波频率外，还会由
于绕组不对称在定子电流中产生奇数次谐波，其中以三倍频为主，也即可写成如下式：
[0113]
i＝i1cos(ωet) i2cos(3ωet)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0114]
式中，i1为定子电流基波幅值；i2为定子电流三倍频幅值。
[0115]
考虑了风速时空分布差异以后，将式(7)代入上式故障定子电流中，参考式(8)的计算过程，可得故障定子电流解析式如下：
[0116][0117]
其中，i为故障定子电流，i1为定子电流基波幅值，i2为定子电流三倍频幅值，ωe为定子电流基频，ωm为叶轮旋转角频率，i
k1
和分别为定子电流基频两侧的k次故障谐波幅值和相角，i
k1
＝i1n
pak
/6kωm；i
k2
和分别为定子电流三倍频两侧的k次故障谐波幅值和相角，；i
k2
＝i2n
pak
/6kωm；n为故障谐波总数。
[0118]
由式(10)可知，在考虑风速时空分布后，故障定子电流会出现基频、三倍频以及它们两侧的调制频率，也即在定子电流基频ωe两侧存在ωe±
3kωm的谐波频率；定子电流三倍频3ωe两侧存在3ωe±
3kωm的谐波频率。
[0119]
基于上述分析和公式，对考虑风速分布情况的定子绕组不对称故障进行了仿真，其中风机输出机械转矩fft谱和定子电流的psd谱的结果见图4和5。从图中可以观察到明显的故障调制频率。
[0120]
相对于现有方法，上述方法得到的结果更贴近实际运行的永磁风力发电机工况。如下图所示，随着风电机组单机装机容量的增大，叶轮直径和塔筒高度也急剧增大，受风剪切和塔影效应的影响，叶轮扫掠面内各点的风速分布差异增大，并不等于风机轮毂中心o处(图1所示)的平均风速。但是当前大多数的研究和故障诊断方法，都是基于轮毂处平均风速，而此点的风速并不能完全反应叶轮扫掠面内的风况。本发明建立了考虑风剪切和塔影效应的叶轮扫掠面内的风速模型，并基于此开展了故障特征分析。
[0121]
本发明主要是采用了考虑风剪切和塔影效应的等效风速模型，代替了原有的轮毂处平均风速。并进一步根据永磁发电机的机电磁关系，分析了定子绕组不对称故障。推导了考虑风速时空分布后的正常与故障情况下的定子电流解析式，然后获得了定子绕组不对称的故障特征，并用于后续故障诊断。
[0122]
本发明还提供了一种永磁风力发电机定子绕组不对称故障诊断系统，系统包括：
[0123]
发电机数据获取模块，用于获取预设时间段内永磁风力发电机组的叶轮转频及永磁发电机的定子单相电流；
[0124]
功率谱密度谱图确定模块，用于确定定子单相电流的功率谱密度谱图；
[0125]
判断模块，用于当功率谱密度谱图中存在定子电流三倍频时，判断功率谱密度谱图中是否存在调制频率，获得判断结果；调制频率为3的整数倍叶轮转频；
[0126]
提取模块，用于若判断结果表示否，则采用信号处理方法从定子单相电流中提取调制频率，获得提取结果；
[0127]
第一判定模块，用于当提取结果表示从定子单相电流中提取出调制频率时，判定
永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障；
[0128]
第二判定模块，用于若判断结果表示是，则判定永磁风力发电机存在定子绕组不对称故障。
[0129]
判断模块，具体包括：
[0130]
条件判断子模块，用于判断功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧是否存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧是否存在3f
±
3kfm的谐波频率；
[0131]
第一判断结果表示子模块，用于若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧存在f
±
3kfm的谐波频率且定子电流三倍频3f两侧存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示是；
[0132]
第二判断结果表示子模块，用于若功率谱密度谱图中定子电流基频f两侧不存在f
±
3kfm的谐波频率或定子电流三倍频3f两侧不存在3f
±
3kfm的谐波频率，则判断结果表示否；
[0133]
其中，fm为叶轮转频，k为故障谐波次数。
[0134]
信号处理方法包括：hilbert包络解调和小波分析等。
[0135]
系统还包括：
[0136]
函数构建模块，用于构建考虑风速时空分布差异的故障定子电流函数为
[0137][0138]
其中，i为故障定子电流，i1为定子电流基波幅值，i2为定子电流三倍频幅值，ωe为定子电流基频，ωm为叶轮旋转角频率，i
k1
和分别为定子电流基频两侧的k次故障谐波幅值和相角，i
k2
和分别为定子电流三倍频两侧的k次故障谐波幅值和相角，n为故障谐波总数。
[0139]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0140]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。