一种风力发电机电能质量及健康状态综合监控方法与流程

本发明涉及风力发电技术，具体涉及一种风力发电机电能质量及健康状态综合监控方法。

背景技术：

随着电力需求的不断增长，风力发电作为一种可持续的环保的能源解决方案，越来越多的被应用在生产生活中。但受自然风不稳定性的影响，通常从风力发电机输出电能的电能质量与传统的火电和核电机组输出电能质量相比，相对较差。另外，在不稳定风载荷的作用下，风力发电机传动链各部件非常容易出现损坏或发生故障。一旦此情况出现，也会极大降低从风力发电机输出的电能质量。若低品质的电能通过电网输送给用户，则非常有可能对用户端的电气设备造成恶劣影响，轻则影响其工作性能和效率，重则对其造成损坏。

故此，国内外对从风力发电机输出的电能质量的监测都非常重视，并制定了严格的监测标准。但目前的电能质量监测都是定期在风电场升压站进行，其监测的是从风电场输出的总的电能的质量，但一旦发现电能质量出现问题，却无法判断是风电场中哪一台机组输出低品质的电能污染了整个电网。于是，这个问题便成为了行业亟待解决的问题。目前，风电场中的每一台风机都安装有在线状态监测系统，但该系统却不具备对风力发电机电能质量进行监测的功能。但如果为解决此问题而单独开发一套在线监测系统，代价高昂。为此，本项发明便是要发明一种在不造成额外的资本投资的前提下，可以集成到现有风力发电机健康状态监测系统中的电能质量及健康状态综合监测技术，以实现对风电场每一台风力发电机的电能质量的监控。

技术实现要素：

本发明提供一种风力发电机电能质量及健康状态综合监控方法，用于在不造成额外的资本投资的前提下，实现对风力发电机组电能质量及其传动链健康状态的在线综合监控。

方法首先要求获取风电场每台风力发电机输出的三相电流信号。然后，分析所述输出的三相电流信号，快速获取其二维正交分量、频移信息、频闪信息、总的谐波失真信息、及相位不平衡信息。最后，根据所述二维正交分量、频移信息、频闪信息、总的谐波失真信息、及相位不平衡信息，构造既能够对风力发电机电能质量进行评估，又能够对风力发电机组传动链的结构健康状态进行预测的在线综合监控特征。

所述三相电流信号二维正交分量快速提取方法满足如下公式：

其中，所述ψ(t)取值为：

所述i(t)取值为：

其中，所述i1(t)，12(t)和i3(t)分别表征从风力发电机输出的三相电流信号；

所述γ(t)表达式为：

其中，所述所述ω表示所述三相电流信号的实际输出频率；所述ω′表示所述三相电流信号的标准输出频率；

相应地，所述i(t)的表达式为：

相应地，所述id(t)的表达式为：

所述iq(t)的表达式为：

在理想(即风力发电机传动链健康无缺陷)情况下，所述i0(t)＝0。将二维正交分量进行组合，其复数组合形式y(t)的表达式为：

y(t)＝id(t)+i×iq(t)

所述复数组合的模为：

所述频移信息满足如下公式：

其中，所述ωshift为频移信息，所述为时间段t中ωk的平均值；

所述ωk的表达式为：

其中，所述δk为所述最大间隙时长，所述最大间隙时长为所述输出信号穿过零点的间隙时长中大于时间阈值的间隙时长；

所述间隙时长的表达式为：

δtk＝tk+1-tk，k＝1，2，...，n(k≤n)。

所述频闪信息满足如下公式：

当ω＝ω′时，获取电压封装信号vd(t)，通过le响应滤波器获得第一输出信号v(t)，通过eb响应滤波器获得第二输出信号δv8.8hz(t)，根据所述v(t)和所述δv8.8hz(t)获得频闪预估值ifl(t)；

在固定时长内统计所述频闪预估值ifl(t)获得所述频闪信息pst。

所述总的谐波失真信息满足如下公式：

所述thd为总的谐波失真信息，所述iharmonics(t)为所述风力发电机输出电流信号中的次谐波及高次谐波成分，所述ifundamental(t)为风力发电机输出电流信号中的基频成分。

所述相位不平衡信息满足如下公式：

所述n表示所述离散信号所包含的数据量。

本发明实施例提供的风力发电机电能质量及健康状态综合监控方法，通过获取并分析从风电场中每一台风力发电机输出的三相电流信号，快速获取其二维正交分量、频移信息、频闪信息、总的谐波失真信息、及相位不平衡信息，以构造既能够对风力发电机电能质量进行评估，又能够对风力发电机组传动链的结构健康状态进行预测的在线综合监控特征，从而在不增加额外资本投资的前提下，成功实现对风电场中每一台风力发电机输出的电能质量及其传动链部件的健康状态进行综合在线监测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种风力发电机电能质量及健康状态综合监控方法的流程示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的一种风力发电机电能质量及健康状态综合监控方法的流程示意图，参见图1，该方法包括：

步骤100、获取从风电场中每台风力发电机输出的三相电流信号；

步骤101、分析从每台风力发电机采集到的三相电流信号，快速获取其二维正交分量、频移信息、频闪信息、总的谐波失真信息及相位不平衡信息；

步骤102、根据二维正交分量、频移信息、频闪信息、总的谐波失真信息及所述相位不平衡信息，构造既能够对风力发电机电能质量进行评估，又能够对风力发电机组传动链的结构健康状态进行预测的在线综合监控特征。

本发明实施例提供的风力发电机电能质量及传动链部件健康状态综合监控方法，通过采集从风电场中每台风力发电机输出的三相电流信号，并对其进行分析，快速获取其二维正交分量、频移信息、频闪信息、总的谐波失真信息、及相位不平衡信息。然后利用从三相电流信号中提取到的这些信息，来构造既能够对风力发电机电能质量进行评估，又能够对风力发电机组传动链的结构健康状态进行预测的在线综合监控特征。从而在无需进行额外资本投资的前提下，实现对风电场中每一台风力发电机的电能质量和传动链健康状态的综合在线监控。

所发明方法将广泛适用于各种概念的风力发电机。根据其采用的发电机的类型，可将其概括为：鼠笼式感应发电机(squirrelcageinductiongenerator，简称：scig)、线圈式感应发电机(woundrotorinductiongenerator，简称；wrig)、以及绕线式同步发电机(woundrotorsynchronousgenerator，简称：wrsg)。

三相电流信号的二维正交分量可采用快速独立谐波检测方法(fastindividualharmonicextraction，简称fihe)进行提取。其提取公式如下：

其中，ψ(t)为：

i(t)为：

其中，i1(t)，i2(t)和i3(t)分别表征从风力发电机输出的三相电流信号。

γ(t)表达式为：

其中，ω表示三相电流信号的实际输出频率；ω′表示三相电流信号的标准额定输出频率；

相应地，i(t)的表达式为：

id(t)的表达式为：

iq(t)的表达式为：

在理想(即风力发电机传动链健康无缺陷)情况下，i0(t)＝0，将二维正交分量进行组合，其复数组合形式y(t)的表达式为：

y(t)＝id(t)+i×iq(t)

复数组合的模为：

当ω＝ω′时，

具体的，当ω≠ω′(即m≠1)，则ω′干扰id(t)和iq(t)，则id(t)和iq(t)被描述为|ω±ω′|；

当i0(t)＝0时，则三相电流信号是平衡的。当i0(t)≠0时，则三相输出信号是不平衡的，其原因有可能是相位不平衡，也有可能是幅值不平衡。

当m是整数时，此时y(t)＝[id(t)]²+[iq(t)]²则为a²或0。因此，其可以表示在三相电流信号中不存在除基础频率成分外的任何谐波成分存在。而当m不是整数时，在y(t)的波形中便会出现谐波成分，这使得y(t)可以作为对风力发电机传动链健康状态实现监控的理想参数。

进而，当ω为理想频率ω0时，则对应频移信息可以通过检测id(t)和iq(t)实现。此时该基础频率为|ω′-ω0|。

类似的，频闪信息(flicker)对于电压波动的影响，则可以通过上述三相电流信号的fihe测量结果获得。

对于上述各个频率，除了理想频率ω0，其时间波形都会存在一定程度的失真，其失真可以通过检测id(t)和iq(t)获得。但是，对于总谐波失真信息(thd)，其并不能够直接的通过id(t)和iq(t)检测获得。

对于三相电流信号的平衡状态，可以通过检测i0(t)实现。在理想(即风力发电机传动链健康无缺陷)情况下，i0(t)＝0。

根据国内外电能质量检测标准，电流信号的最大频移范围不能超过±0.01ω0，即当ω0＝50hz时，频移范围为±0.5hz。

进而，对于频移信息计算的误差应满足：

其中，ωactual＝0.1hz。

进而，频移信息满足如下公式：

其中，ωshift为频移信息，为时间段t中ωk的平均值；

ωk的表达式为：

其中，δk为最大间隙时长，最大间隙时长为输出信号穿过零点的间隙时长中大于时间阈值的间隙时长；

间隙时长的表达式为：

δtk＝tk+1-tk，k＝1，2，...，n(k≤n)。

可选地，频闪信息满足如下公式：

当ω＝ω′时，获取电压封装信号vd(t)，通过le响应滤波器(lamp-eyeresponsefilter)获得第一输出信号v(t)，通过eb响应滤波器(eye-brainresponsefilter)获得第二输出信号δv8.8hz(t)，根据v(t)和δv8.8hz(t)获得频闪预估值ifl(t)；

在固定时长内统计频闪预估值ifl(t)获得频闪信息pst。

可选地，简单来说，总谐波失真信息(thd)用来描述在时间波形中，不必要的频率对于整个三相电流信号的失真影响，具体的，总谐波失真信息满足如下公式：

thd为总谐波失真信息，iharmonics(t)为风力发电机输出电流信号中的次谐波及高次谐波成分，ifundamental(t)为风力发电机输出电流信号中的基频成分。

可选地，相位不平衡信息满足如下公式：

n表示所述离散信号所包含的数据量。

当m是整数，三相电流信号中除基频成分外，不存在其它任何的频率成分。传动链健康状态监控特征的表达式如下：

其中，是的平均值。

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。