双馈异步风力发电机故障预警与诊断方法的研究

摘要

变速恒频风力发电技术自诞生后发展迅猛，迅速占据风力发电行业的主流地，解决了长期以来困扰风力发电领域的最大问题，即如何在多变的环境风速条件下得到稳定的电能输出。作为变速恒频风力发电技术的核心设备双馈式异步发电机，以其特定的电磁结构与运行控制策略，在风轮捕获风能转化为机械能，经由传动系统带动其转轴变速运行的同时，向电网输出稳定的电功率。双馈异步风力发电机的出现，不仅大幅提高了风力发电的电能质量，同时也大大提高了风力发电机组与电网的运行的安全性。 相较于传统火力发电行业的汽轮发电机，双馈异步风力发电机在几何尺寸上小得多，这是很直观的印象。当更加深入的分析它们机械结构、电磁关系、控制策略等方面，会发现不仅仅局限于几何尺寸，双馈异步风力发电机与汽轮发电机在各方面都有所不同。通过一些的风力发电厂的运行记录，我们能发现一些发电机常见的故障，但也有一些故障是双馈异步风力发电机独有的。目前已经成熟的汽轮发电机状态监测与故障诊断技术，虽然对双馈异步风力发电机的状态监测与故障诊断有很多可以借鉴与参考的地方，但并不完全适用。本文在总结前人对于发电机这一设备的状态监测与故障诊断的研究基础之上，结合双馈异步风力发电机的特点与实际运行工况，研究了适用于双馈异步风力发电机的状态监测与故障诊断技术。 本文主要研究内容为: (1)详细阐述了变速恒频风力发电技术的工作原理及工作特性。从组织结构、电磁关系、等效电路等多个方面对双馈异步风力发电机进行了细致剖析。理清双馈异步风力发电机监测参数之间的耦合关系。 (2)对现有的发电机故障分类体系进行分析，结合双馈异步风力发电机的特点及电厂运行的历史记录，对双馈异步风力发电机的故障进行整理。针对典型性故障从故障产生原因、发展、影响以及产生的后果这一过程进行机理分析，完整的列出所分析的故障影响的运行参数变化情况。 (3)简要分析了阶比重采样技术在风电机组变工况运行特点的适用性。针对分析得出的在线监测参数，对有必要进行重采样的信号进行变换，排除变工况对信号产生的影响。对经过处理的所有信号进行对应的处理，对各类故障各参数变化征兆进行融合，形成一个整体的故障识别体系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究发展概况

1．3 论文工作研究内容

第2章 双馈异步风力发电机工作原理

2．1 双馈异步风力发电机的结构

2．2 双馈异步风力发电机的电磁关系

2．3 双馈异步风力发电机的等效电路

2．4 本章小结

第3章 双馈异步风力发电机典型电气故障

3．1 双馈异步风力发电机故障分类

3．2 双馈异步风力发电机典型电气故障机理分析

3．2．1 转子绕组匝间短路

3．2．2 转子绕组接地

3．2．3 定子绕组匝间短路

3．2．4 定子绕组接地

3．2．5 定子绕组相间短路

3．3 双馈异步风力发电机FMEA及FTA定量分析

3．3．1 FMEA故障风险评价

3．3．2 FTA定量分析

3．4 本章小结

第4章 双馈异步风力发电机故障预警与诊断方法

4．1 双馈异步风力发电机故障特征参量

4．1．1 温度特征

4．1．2 振动特征

4．1．3 电气参数特征

4．2 双馈异步风力发电机故障特征提取方法

4．2．1 时域参数二次提取特征值

4．2．2 振动信号的频域特征提取

4．2．3 电气信号的频域特征提取

4．3 双馈异步风力发电机故障模型的建立

4．4 故障预警和诊断流程

4．5 基于FTA定量分析的故障原因查找

4．6 故障影响和处理措施查找

4．7 本章小结

第5章 双馈异步风力发电机故障预警和诊断的应用

5．1 风电机组监测系统

5．1．1 风电机组振动监测系统

5．1．2 风电场SCADA系统

5．2 故障特征提取

5．2．1 基于多元参数拟合求偏差度的时域指标提取

5．2．2 基于阶比重采样的振动频域指标提取

5．2．3 基于小波变换的电气参数频域指标提取

5．3 故障诊断模式识别

5．3．1 转子绕组匝间短路故障预警

5．3．2 定子绕组匝间短路故障预警

5．4 故障原因查找和维修措施的确立

5．4．1 定转子绕组匝间短路故障

5．4．2 定转子绕组接地故障

5．4．3 定子绕组相间短路故障

5．5 故障诊断报告

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文取得的成果

6．2 进一步工作的展望

参考文献

攻读硕士期间参加的科研工作

致谢