兆瓦级风力发电机监测与故障诊断系统设计

论文摘要

风能作为一种可再生的清洁能源,国内外都在重点开发。发电机是风力发电机组的核心,其安全可靠运行将直接关系到整个机组的稳定和电能的质量。风力发电机长期处在极端温度、风沙、盐蚀等恶劣气候环境下,并承受了巨大的机械应力,极易发生各类机械、电气故障。因此,研究和开发风力发电机的监测和故障诊断系统有着十分重要的意义。监测与故障诊断是通过及时检测风力发电机的故障特征信号,利用有效可靠的故障诊断方法,分析判断故障发生的类型、位置,并提供维护信息,提高风力发电机的运行可靠性和延长使用寿命。本文首先介绍了发电机轴电压的监测方法,通过分析轴电压的峰峰值及其频谱特征,判断轴电压是否正常。随后介绍采用基于有源电阻电桥进行转子接地短路故障监测与采用微分探测法进行转子匝间短路故障信号。通过对取自某风场1 MW风力发电机转子匝间短路信号的现场数据进行处理分析,采用MATLAB软件中的小波变换并完成了故障诊断的仿真实验。接下来提出采用脉冲电流法完成定子放电故障信号的采集,应用基于最小距离法对定子局部放电样本进行故障识别。通过仿真实验,表明该方法具有较高的准确率。最后采用P-Q运行极限图的数字化处理技术进行实时监测发电机运行状况,监测参数包括发电机的有功功率、无功功率、功率因数、定子绕组温度等。本文在对兆瓦级双馈异步发电机的运行特点和风电场实际状况研究的基础上,通过对风力发电机的温度、电压、电流等参数进行在线的监测,尝试设计一套结合了信号采集、在线监测、信号分析及故障诊断于一体的风力发电机监测和故障诊断系统。该系统由下位机和上位机二部分组成,下位机部分由FPGA、电气参数检测电路、温度检测电路、信号处理与A/D转换电路和通讯模块等组成,完成对发电机各类故障信号的检测,在文中给出了相关的硬件电路图。分析了上位机系统功能,完成系统需求分析和总体设计。选取Visual C++ 2003为软件开发环境,完成了VC++与MATLAB的混合编程、通讯模块编程、数据库的建立、四类故障诊断模块的设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外风电发展概况
• 1.1.1 国外风电发展概况
• 1.1.2 国内风电发展概况
• 1.1.3 风电机组存在的问题
• 1.2 国内外风电监测与故障诊断研究现状和发展趋势
• 1.2.1 监测和故障诊断技术的概念
• 1.2.2 国内外风电监测与故障诊断研究现状和发展趋势
• 1.3 兆瓦级双馈异步风力发电机组的发展概况
• 1.4 本文研究的意义和主要内容
• 第2章 双馈异步风力发电机组基本结构及其故障诊断系统总体设计
• 2.1 兆瓦级双馈异步风力发电机组工作原理
• 2.1.1 兆瓦级双馈异步风力发电机组的基本组成
• 2.1.2 兆瓦级双馈异步风力发电机组运行的基本原理
• 2.2 双馈异步式风力发电机组常见的故障及其故障机理
• 2.3 发电机故障诊断方法
• 2.4 风力发电机监测和故障诊断系统的总体设计
• 2.4.1 监测与诊断系统的组成及其功能
• 2.4.2 风力发电机监测与诊断系统下位机的总体设计
• 2.4.3 风力发电机监测与诊断系统上位机的总体设计
• 第3章 风力发电机监测和故障诊断方法的研究
• 3.1 发电机轴电压电流监测和故障诊断
• 3.1.1 发电机轴电压产生的原因及其危害
• 3.1.2 发电机轴电压监测和防护
• 3.1.3 发电机轴电流的测量
• 3.1.4 轴电压电流监测实例及分析
• 3.2 发电机转子绕组绝缘故障诊断
• 3.2.1 发电机转子绕组绝缘故障的原因
• 3.2.2 转子绕组接地故障的监测
• 3.2.3 基于小波分析的转子绕组匝间短路故障诊断
• 3.3 发电机定子绕组局部放电及其故障诊断
• 3.3.1 定子绕组局部放电产生原因及其类型
• 3.3.2 发电机定子局部放电的检测方法
• 3.3.3 发电机定子局部放电的表征参量
• 3.3.4 基于最小距离法的发电机局放故障诊断
• 3.4 发电机运行监测
• 3.4.1 双馈式异步发电机静态稳定分析
• 3.4.2 双馈异步发电机安全运行极限的建模
• 3.4.3 发电机稳定运行参数监测的实现
• 第4章 风力发电机监测与故障诊断系统下位机设计
• 4.1 下位机硬件系统设计
• 4.2 电气参数检测电路设计
• 4.2.1 轴电压电流检测电路设计
• 4.2.2 转子绝缘检测电路设计
• 4.2.3 定子局部放电检测电路设计
• 4.2.4 发电机运行状态检测电路设计
• 4.3 温度检测电路
• 4.4 信号采集单元
• 4.4.1 电压信号采集电路设计
• 4.4.2 高速信号采集电路
• 4.5 监测与故障诊断系统的通信设计
• 4.5.1 风电场内现场级通信方式
• 4.5.2 远程监控网络方式
• 4.6 FPGA选型与设计
• 4.7 FPGA软件设计
• 4.7.1 系统工作流程
• 4.7.2 轴电压电流、转子绝缘、定子局部放电检测软件设计
• 4.7.3 发电机运行参数检测软件设计
• 第5章 用户终端的上位机软件设计
• 5.1 上位机系统分析
• 5.2 上位机软件实现
• 5.2.1 系统登录与用户模块设计
• 5.2.2 系统主要功能模块设计
• 5.2.3 通信模块设计
• 5.2.4 数据库模块设计
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （攻读学位期间科研项目目录）
• 附录C （系统硬件电路图）
• 附录D （主要功能软件实现程序）