行星齿轮箱的定子电流信号诊断方法试验研究

为了解决风力双馈感应发电机（doubly fed induction generator,简称DFIG）行星齿轮箱故障诊断中常规振动检测技术成本高、现场安装与实施困难等问题,提出了一种直接利用DFIG定子电流信号的间接诊断方法。利用电动机、行星齿轮箱和变频器等通用设备,建立了一个简便易行的DFIG传动系统故障模拟试验台。通过模拟试验和Hilbert解调谱分析方法,以行星齿轮为例,研究传动系统的DFIG定子电流信号故障感应机理,探讨故障特征频率成分随发电机运行工况的变化规律。通过与振动加速度信号和扭振信号的对比分析,表明DFIG定子电流信号可以兼顾反映行星齿轮的径向振动与扭振信号的振动特征,可作为实际风电机组常规振动检测技术的一种替代方法。     

风力发电机定子电流微弱故障信息提取技术

介绍风力发电机常见故障类型,分析应用电流检测法检测发电机故障时微弱故障信息容易淹没在工频分量中的原因,总结现有故障特征提取技术。探讨应用三相定子电流检测法诊断风力发电机故障的发展趋势及研究方向。     

变风速运行控制下风电传动系统的动态特性

基于齿轮系统动力学的方法对风电传动系统进行研究。运用基于自回归模型的线性滤波法(Auto-regressive,AR)建立的风速模型对实际风场的随机风速进行模拟;根据风力发电机在实际情况中的运行控制策略获得风力发电机齿轮传动系统的时变输入转矩激励;综合考虑风力发电机齿轮传动系统中各个齿轮副的时变啮合刚度、各个滚动轴承的刚度、各个轮齿综合啮合误差等内部激励,采用集中参数质量法建立风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学模型;在此基础上建立风力发电机齿轮传动系统的动力学微分方程并进行仿真计算,分别求解风力发电机齿轮传动系统的固有频率、振动响应、动态啮合力和滚动轴承动态轴承力。研究结果为风力发电机传动系统的动态性能优化设计和可靠性设计奠定了基础。     

风力发电机传动系统随机风速下的载荷特性研究

根据随机风速模拟方法、风力机气动载荷计算方法、发电机矢量控制方法和风力发电机传动系统的机电耦合模型,建立了风力发电机传动系统在随机风速下的载荷模型,利用该模型对风力发电机进行实例计算,得到了风力发电机传动系统随机载荷的有效样本。随机风速序列和随机载荷序列的对比分析表明,随机载荷序列与随机风速序列有相同的变化趋势和较好的相关性,并有类似的频谱特性,从而为进一步研究风力发电机传动系统在复杂工况下的载荷变化规律及进行载荷谱的编制奠定了基础。     

风力发电机故障模拟试验台装置研制

分析并设计了一种新型的风力发电机齿轮箱故障模拟试验台,可以灵活地模拟多种结构类型的风力发电机齿轮箱振动状况,并能方便地对故障进行多种组合模拟。同时采用变频电机和飞轮结构用于模拟实际风机齿轮箱的转矩输入与角速度输入,与实际风况更加接近。通过配置数据采集分析系统,用来对齿轮箱的振动状况进行监测分析。依据正交试验法模拟齿轮故障、轴承故障等实验,对风力发电机齿轮箱故障进行分析研究。     

双馈异步风力发电机匝间短路故障研究分析

双馈异步风力发电机是我国目前应用最为广泛的发电机,其结构主要由转子、定子、轴承三部分组成。转子的组成部分在运转的过程中,主要通过电流之间产生的磁势,而进行正常运行的。在风力发电机中转子在工作中出现匝间短路的现象,就说明了定子中的分支电流的电压是不相同的,从而会引起双馈式风力发电机的电流出现不平衡的现象,通过对双馈异步风力发电机建立多回路模型,这就可以根据时间的变化计算出双馈异步风力发电机所需要的电气量。     

含裂纹故障齿轮的风力发电机传动系统动力学特性研究

为了更好地研究轮齿齿根裂纹对齿轮传动系统动态特性的影响,将风力发电机增速齿轮箱中一对啮合轮齿作为研究对象。运用改进能量法计算含有齿根裂纹齿轮的齿轮系统时变啮合刚度,考虑齿侧间隙、时变啮合刚度和传动误差影响,建立含有齿根裂纹故障的齿轮传动系统6自由度动力学模型。利用四阶Runge-Kutta法对建立的齿轮系统微分方程进行积分求解,得到齿轮系统动力学响应。通过幅频响应曲线、时域图及频域图,综合分析了含有不同深度裂纹故障的齿轮传动系统的动力学特性。最后,通过试验验证齿轮系统理论仿真的正确性,从而为风力发电机齿轮箱中的齿轮系统裂纹故障识别提供理论依据。     

基于无传感器检测方法的机械系统扭振试验研究

为了研究无传感器检测方法用于机械系统扭转振动检测的机理及效果,建立了一个由感应电动机驱动,以直流发电机为负载的轴系扭振模拟试验台。通过控制发电机负载回路的快速通断产生轴系扭转振动,利用Hilbert变换包络谱提取电流信号中的故障信息,并与电涡流位移传感器拾取的横向振动信号进行了比较。试验和分析结果表明,电机驱动设备的机械故障信息主要以扭转振动方式耦合到定子电流中,相对于横向振动检测,无传感器检测方法更适合机械系统的扭转振动故障检测与诊断。     

加速度包络解调方法在风力发电机滚动轴承早期故障诊断应用研究

滚动轴承是大型异步风力发电机核心零部件,在很大程度决定了风力发电机组的服役质量。滚动轴承在整个传动系统中极易受到相关工况的影响出现异常磨损,最终导致发电机组故障。提出一种基于加速度包络解调方法的大型异步风力发电机滚动轴承早期故障诊断技术,分别在单轴承故障诊断试验台和某型号大型异步风力发电机中对轴承内圈滚道面上存在早期微弱损伤的滚动轴承进行试验,试验结果表明：加速度包络解调方法是一种能比功率谱更准确识别出大型风电轴承微弱的早期故障的有效方法。     

变风载下2.5MW风力发电机行星齿轮传动系统动力学特性分析

根据2.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统在随机风场中复杂变工况的工作特点,利用双参数威布尔分布模型描述随机风速的分布,获得由随机风速引起的时变风载。采用集中参数法建立风力发电机行星齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学模型。综合考虑风力发电机行星齿轮传动系统的轴承支撑刚度、齿轮副时变啮合刚度等内部激励对传系统的影响,对变风载下2.5 MW行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真计算分析,求得在外部风载作用下各构件的位移响应与速度响应,为风力发电机行星齿轮传动系统的故障诊断和优化设计奠定了良好的理论基础。     

风力机叶轮质量不平衡故障建模及仿真研究

风力机叶轮质量不平衡故障对风力发电机组的安全稳定运行影响很大,传统的基于振动的故障诊断方法需要在风力机上安装大量的传感器,成本较高同时可靠性也较差。近年来,已有学者采用基于电信号的故障诊断方法对该故障进行试验研究,但未对该诊断方法进行理论上解释。在对该故障机理进行简要阐述后,在理论上推导该故障对风力机电功率造成的影响,利用Simulink建立在该故障状态下包含叶轮、传动链与发电机的风力机模型,仿真得到该故障条件下的电功率信号,频谱分析的结果显示其包含叶轮旋转的一倍频分量,且随着不平衡质量的增大而增大,与德国ISET研究所等试验研究的结果相符,仿真的结果从定量的角度表现该故障的严重程度,该方法可应用到故障诊断系统中用以确定不平衡质量的大小。     

Development of a low cost test rig for standalone WECS subject to electrical faults

In this paper, a contribution to the development of low-cost wind turbine (WT) test rig for stator fault diagnosis of wind turbine generator is proposed. The test rig is developed using a 2.5 kW, 1750 RPM DC motor coupled to a 1.5 kW, 1500 RPM self-excited induction generator interfaced with a WT mathematical model in LabVIEW. The performance of the test rig is benchmarked with already proven wind turbine test rigs. In order to detect the stator faults using non-stationary signals in self-excited induction generator, an online fault diagnostic technique of DWT-based multi-resolution analysis is proposed. It has been experimentally proven that for varying wind conditions wavelet decomposition allows good differentiation between faulty and healthy conditions leading to an effective diagnostic procedure for wind turbine condition monitoring.     

Bond graph modeling and simulation of wind turbine systems

This paper addresses the problem of bond graph methodology as a graphical approach for the modeling of wind turbine generating systems. The purpose of this paper is to show some of the benefits the bond graph approach has, in contributing a model for wind turbine systems. We will present a nonlinear model of a wind turbine generating system, containing blade pitch, drive train, tower motion and generator. All which will be modeled by means of bond graph. We will especially focus on the drive train, and show the difference between modeling with a classical mechanical method and by using bond graph. The model consists of realistic parameters, but we are not trying to validate a specific wind turbine generating system. Simulations are carried out in the bond graph simulation software 20-sim [1].     

前端调速式风力机组传动链建模与仿真

对前端调速式风力机传动链关键部件的工作原理进行分析,建立数学模型。分别建立风速模型、风轮空气动力学模型、传动链动力学模型、液力变矩器动态模型以及主轴转速计算模型。整合各子系统,引入神经网络控制,建立传动链整体仿真模型,进行模拟仿真。基于最大风能捕获量,综合考虑传动链结构参数,通过神经网络调节液力变矩器导叶开度,改变工作油循环流量,从而改变液力变矩器的输出转矩和转速。液力变矩器输出与风轮输出通过行星轮系综合作用于发电机前的主轴,使主轴转速稳定在设计值。     

风力机气动力不对称故障建模与仿真

风力机气动力不对称故障对风力发电机组的安全稳定运行有很大的影响,传统的基于振动的故障诊断方法需要在风力机上安装大量的传感器,成本较高,可靠性也较差。近年来,已有学者采用基于电信号的故障诊断方法对该故障进行了实验研究,但未对该诊断方法进行理论上解释。笔者研究了气动力不对称故障下的风力机的塔架振动和气动力的耦合规律,阐述了造成电功率波动的机理,指出电功率的波动来源于塔架的振动,建立了整个风力机组故障状态下的模型,仿真得到了故障条件下的塔架振动信号与电功率信号,对仿真得到的振动信号与电信号进行信号处理。结果显示其中均出现了叶轮旋转的一倍频分量,与德国ISET等实验研究的结果相符,对开发新的故障诊断算法具有重要意义。     

[学科发展]风电装备故障诊断与健康监测研究综述

针对风力发电机传动链中的三大部件——复合材料叶片、齿轮箱、发电机的故障诊断与健康监测的发展现状进行文献综述，总结该领域的研究现状及主要方法。综述风电装备中复合材料叶片、齿轮箱、发电机三大部件的主要故障特点、故障形式及诊断难点，并结合国内外相关文献系统地介绍并比较了现有的针对三大部件的故障诊断与健康监测方法，最后对该领域的发展方向进行了展望。     

液压型风力发电机组并网冲击抑制研究

以液压型风力发电机组为研究对象,针对其并网冲击问题,建立了风力发电机数学模型、定量泵-变量马达液压调速系统数学模型、同步发电机与励磁系统数学模型,推导了并网过程的冲击电流与冲击转矩数学模型。以数学模型为基础,提出了液压型风力发电机组并网冲击抑制方法,即通过发电机稳速控制、励磁电压控制和准同期监控相结合对机组并网冲击进行抑制。以30kV·A液压型风力发电机组实验台为仿真和实验基础,对机组并网冲击抑制展开研究。仿真和实验结果表明,所提出的并网冲击抑制方法对并网冲击转矩和冲击电流具有较好的控制效果,基本实现了机组柔性并网。     

基于混合编程的风力发电机组轴承故障诊断系统

为了保障风力发电机组的安全可靠运行,结合风力发电机组中轴承故障特性,研发了一套针对风力发电机组轴承的故障诊断软件。该软件利用Visual C++和Matlab混合编程实现,可以对风机轴承进行数据采集和故障诊断。根据诊断结果可以对机组工作状态做出判断,针对异常情况可以帮助工作人员查明故障原因,提前做好预警和维护计划,提高风力发电效益。最后在模拟实验台上采集了故障轴承的振动信号并用该软件进行了时频分析、解调分析和倒谱分析,分析结果与实际故障吻合良好。     

变频供电异步电动机转子断条故障诊断

异步电机转子断条故障发生时,定子电流（变频器输出侧电流）中会出现对称频率（1±2s）f1（f1为定子电流频率）的故障特征附加电流信号。以此为依据,定子电流特征频谱分析（MCSA）发展为经典转子断条故障在线检测方法。在工程实际过程中,变频供电异步电动机容易采集到的信号是开关柜二次侧供电电流（变频器输入侧电流）．因此要实现变频异步电动机转子断条故障诊断,必须清楚供电电流中是否也含有断条故障特征信息。首次对变频异步电动机供电电流进行分析．得出供电电流中也包括转子断条故障特征信息的结论,以此为基础。利用连续细化傅立叶和自适应滤波相结合的方法,实现了变频异步电动机转子断条故障诊断。     

基于DSP和神经网络的风力发电机齿轮箱远程故障诊断系统

风力发电机齿轮箱是风力发电机组中发生故障频率最多的部件.为了满足对风力发电机齿轮箱的远程状态监测和故障诊断要求,设计了以C 2000系列DSP-TMS320F2812(简称F2812)为核心处理器的风力发电机齿轮箱远程故障诊断系统.系统可以脱离上位机独立运行,利用F2812丰富的外设模块构建了系统的硬件,可以对模拟信号、转速频率信号、数字信号进行数据采集,并具有以太网、全球移动通信系统(GSM)通信功能.针对风力发电机齿轮箱常见的轴承和齿轮故障,采用了有限脉冲响应(FIR)数字滤波、快速傅里叶变换(FFT)、倒频谱、小渡分析等方法提取出故障特征.将提取的特征向量输入训练好的BP神经网络进行嵌入式故障分类和识别,得出故障的类型、部位和程度.测试表明本系统能够实现长时间在线监测,并能正确的识别出故障,特别适用于风力发电机远程在线监测和故障诊断.