基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法技术

一种基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法，包括如下步骤：1)机组并网运行时，实时采集发电机转子三相电流i

Carbon brush and slip ring spark monitoring method based on rotor side energy information of doubly fed induction generator

The invention relates to a carbon brush and a slip ring spark monitoring method based on the rotor side power quantity information of a doubly fed wind-driven generator, which comprises the following steps: 1) the three-phase current of the generator rotor is collected in real time when the unit is connected to the grid in I operation

【技术实现步骤摘要】
基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法
本专利技术属于风电机组的在线故障诊断
，涉及双馈风力发电机碳刷和滑环火花监测方法。
技术介绍
对于MW级的双馈风电机组，励磁电流较大，通常同一相分布着多个碳刷，也使相互之间的均流效果难以得到保证。实际运行中，碳刷和滑环间电阻的变化，极易导致电刷电流的二次分配，使部分碳刷和滑环高温过热，再加上周围空气湿度大，两者之间发生打火的几率会显著增加，轻则损坏碳刷，重则造成发电机滑环及转轴的损坏，影响发电机的正常运行。实际中导致碳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；碳刷运行过热和周围环境湿度大；恒压弹簧压力不够导致碳刷在刷握内摇摆等。若能够对火花进行诊断，及时更换碳刷，将有非常重要的过程意义。目前双馈风力发电机组碳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，测量每个碳刷的电流并进行傅里叶变换，提取特征分量。该方法需要对电刷电流进行处理，在现有风机硬件基础上难以实现。
技术实现思路
为了克服现有的双馈风力发电机碳刷和滑环火花监测方式的成本大、可靠性较差、适应性较差的不足，本专利技术提供一种简单易行、准确性良好、适用性较好的基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法，所述监测方法包括如下步骤：1)机组并网运行时，实时采集发电机转子三相电流iA、iB、iC。利用Morlet小波，分别对其进行变换；2)提取小波脊线；3)根据小波脊线得出瞬时频率信息，检测瞬时频率中是否存在特征频率，即50Hz；4)对转子三相电流信号进行滤波、加窗、插值之后，进行FFT变换，分别比较当前在转子基频和50Hz处频谱幅值与正常工况下在转子基频和50Hz处频谱幅值的差异，如果两处幅值都有减小的趋势，判定为发生打火。进一步，所述步骤1)中，需实时采集发电机转子侧的电流，实际中可采用变流器采集的三相转子电流。再进一步，在步骤1)中，对转子三相电流进行处理的过程如下：1.1)设ψ(t)为平方可积函数，即ψ(t)∈L2(R)，如果Fourier变换满足容许性条件：则ψ(t)为母小波，将其按照尺度参数a和平移参数b进行伸缩和平移，生成的函数族{ψa,b(t)}为分析小波。1.2)变换中所用的Morlet小波时域形式如下。1.3)根据步骤1.1)、1.2)中，可以得到信号各个频率的相位和幅值信息，对任意的(a,b)，相位可表示为：对于式(4)，任意的(a,b)，其在t上只有一个驻点，满足：φ'a,b(ts)＝0&φ”a，b(ts)≠0(5)。在步骤3)中，由驻点的性质知φ'a，b(ts)＝0，而小波脊线是由相平面上满足ts(a,b)＝b的点，两者结合即可得到脊线。因此知道小波脊线ar(b)，即可求出瞬时频率其中小波脊线的提取可借助小波曲线。在步骤3)中，小波脊线与瞬时频率的关系如下：式(2)中，ar(b)为小波脊线，为瞬时频率。在步骤4)中，对转子三相电流进行如下处理：4.1)对转子相电流进行低通滤波、加窗函数，Hanning窗的时域形式如下：4.2)进行分段线性插值，各插值点用折线连接，再将插值之后的信号做FFT变换；4.3)将打火和正常运行时的处理结果作比较，观测两者在转子基频和50Hz处频谱的差异。本专利技术的有益效果主要表现在：1)本专利技术涉及的信息的提取无需增加新的设备，硬件成本较低；2)通过专利技术所述的方法可以有效的提取特征量，且与正常运行时的数据对比，可以明显观察到打火时的区别。附图说明图1为本专利技术流程图。图2为滑环和碳刷电阻理论示意图，其中，(a)是等效电路，(b)是碳刷与滑环滑动接触示意图。图3为实验机组滑环电阻周期性变化图。图4为打火时转子A相和B相电流。图5打火相瞬时频率信息。图6为打火时转子A相电流FFT分析。图7为正常运行时转子A相电流FFT分析。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图7，一种基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法，包括如下步骤：1)机组并网运行时，实时采集发电机转子三相电流iA、iB、iC。碳刷和滑环之间发生打火时，会在转子电流中有所体现，现从两者间的电阻理论出发具体介绍，主要考虑接触电阻和滑环的周期性电阻。碳刷和滑环的接触面存在附件电阻，表达式如下：式中，ρl、ρr为碳刷、滑环的电阻率；ε为材料的变形系数；Hl、Hr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；ρa膜层的电阻率。滑环的引线触头与碳刷接触部分时刻变化，故滑环电阻也做周期性变化，分析原理如图2所示。从图中可以看到电刷电流经2路流向滑环，一路是L1，另一路是L2，两段电阻可表示如下：式中，ρ为电阻率，A为滑环径向截面积。式中ω可由频率f来表示，即ω(t)＝f×t×360。再有R1和R2的并联关系可得总的滑动电阻，其周期性变化如图3所示。Rtot(t)＝Rring×f×(t-f×t2)Rring＝2×π×r×ρ/A(13)进一步设转子A相电压u(t)＝cos(ωt)，对(4)式按泰勒变换转化成正余弦形式，可求出转子A相电流与碳刷和滑环电阻的关系，两者电阻的变化会引起转子电流在ω0、ω0+ωm频率处的变化。利用Morlet小波对其变换；2)提取小波脊线；3)根据小波脊线得出瞬时频率的变化，检测瞬时频率图中是否存在特征频率，即50Hz。4)为进一步区分，打火与正常运行时，两者在特征频率及基波频率处的区别，对转子三相电流信号进行滤波、加窗、插值之后，进行FFT变换，分别比较当前在转子基频和50Hz处频谱幅值与正常工况下在转子基频和50Hz处频谱幅值的差异，如果两处幅值都有减小的趋势，判定为发生打火。即当前转子基频和50Hz处频谱处的幅值，与正常工况时转子基频和50Hz处频谱处的幅值相比较，如果同时满足当前转子基频的幅值都比正常工况时基频的幅值小，当前转子50Hz的幅值都比正常工况时50Hz的幅值小，判定为发生打火。进一步，在步骤1)中，对转子三相电流进行处理的过程如下：1.1)设ψ(t)为平方可积函数，即ψ(t)∈L2(R)，如果Fourier变换满足容许性条件：则ψ(t)为母小波，将其按照尺度参数a和平移参数b进行伸缩和平移，生成的函数族{ψa,b(t)}为分析小波。1.2)变换中所用的Morlet小波时域形式如下。1.3)根据步骤1.1)、1.2)中，可以得到信号各个频率的相位和幅值信息，对任意的(a,b)，相位可表示为：对于式(9)，任意的(a,b)，其在t上只有一个驻点，满足：φ'a，b(ts)＝0&φ”a，b(ts)≠0(5)1.4)由驻点的性质知φ'a，b(ts)＝0，而小波脊线是由相平面上满足ts(a,b)＝b的点。两者结合即可得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法，其特征在于：所述监测方法包括如下步骤：1)机组并网运行时，实时采集发电机转子三相电流i

【技术特征摘要】
1.一种基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法，其特征在于：所述监测方法包括如下步骤：1)机组并网运行时，实时采集发电机转子三相电流iA、iB、iC。利用Morlet小波，分别对其进行变换；2)提取小波脊线；3)根据小波脊线得出瞬时频率信息，检测瞬时频率中是否存在特征频率，即50Hz；4)对转子三相电流信号进行滤波、加窗、插值之后，进行FFT变换，分别比较当前在转子基频和50Hz处频谱幅值与正常工况下在转子基频和50Hz处频谱幅值的差异，如果两处幅值都有减小的趋势，判定为发生打火。2.如权利要求1所述的基于双馈风力发电机转子侧电量信息的碳刷和滑环火花监测方法，其特征在于：在步骤1)中，对转子三相电流进行处理的过程如下：1.1)设ψ(t)为平方可积函数，即ψ(t)∈L2(R)，如果Fourier变换满足容许性条件：则ψ(t)为母小波，将其按照尺度参数a和平移参数b进行伸缩和平移，生成的函数族{ψa,b(t)}为分析小波。1.2)变换中所用的Morlet小波时域形式如下。

【专利技术属性】
技术研发人员：许国东，邱纪星，陶钧炳，韩小良，
申请(专利权)人：浙江运达风电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33