大功率并网风电机组变流器状态监测技术综述

风力发电系统在未来能源系统中占有重要地位,其安全可靠运行对于风电健康发展至关重要。现有的大功率并网风电机组中,几乎全部采用电力电子变流器,且其应用将覆盖更多的领域。由于风电机组复杂的运行环境和特殊的运行工况,其变流器的可靠性问题正成为业界关注的焦点。本文综述了风力发电应用中功率器件的老化失效机理,阐明了低频运行工况及风速随机波动对风电机组机侧变流器功率循环能力的影响,对比讨论了提高风电变流器可靠性和可用率的状态监测方法,并分析了其可能的发展趋势。     

抑制风力机疲劳载荷的直接比例谐振独立变桨控制策略

为减小由叶轮扫略面内风速不均衡导致的风力机疲劳载荷,提出一种无需科尔曼坐标变换的直接独立变桨控制策略。首先,基于风力机叶片旋转坐标系和轮毂静止坐标系之间的关系,分析了叶根弯矩谐波载荷对轮毂载荷的影响规律及其抑制机理;其次,为抑制风力机谐波载荷并减少传统独立变桨控制策略倾覆和偏航力矩之间的耦合影响,提出基于单个叶根弯矩的直接比例谐振(PR)独立变桨控制策略,通过建立周期时变叶片系统的平均线性化模型,设计了相位补偿器和控制器参数,并对所提控制策略在系统参数时变情况下的稳定性进行了频域分析;最后,建立基于Turb Sim-FAST-MATLAB/Simulink风电机组载荷及控制联合仿真模型,分析了某1.5 MW风力机在湍流风作用下的疲劳载荷特性以及不同变桨控制策略的疲劳载荷抑制效果。结果表明,与常规统一变桨控制策略相比,所提直接PR独立变桨控制策略能有效抑制风力机疲劳载荷,且其对机组有功功率输出几乎无影响。     

基于EMD相关去噪的风电机组振动噪声抑制及特征频率提取

针对风电机组振动信号同时受背景白噪声和短时干扰噪声的影响,使得早期微弱故障特征频率难以提取的问题,提出一种结合经验模态分解(EMD)、相关性分析和小波包变换(WPT)的振动信号噪声抑制及故障特征频率提取方法(EMD相关去噪-WPT)。该方法首先利用EMD分解振动信号得到能表征不同频率的固有模态函数(IMF),然后筛选表征故障特征频率的IMF,并重构得到故障特征信号;其次,利用自相关分析去除重构信号中噪声的影响;最后,结合小波包变换(WPT)提取去噪重构振动信号中的特征频率。为了验证所提方法的有效性,以实测和模拟的双馈风电机组轴承故障振动信号为例,对轴承振动信号分别利用小波包变换(WPT)、EMD相关去噪-WPT、小波硬阀值-WPT方法进行特征频率提取分析。通过不同特征频率提取方法比较表明,所提出的基于EMD相关去噪-WPT特征频率提取方法,能够更有效地抑制背景白噪声和短时干扰噪声的影响,提取出早期微弱故障特征。     

基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略

针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题,提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动抑制策略。首先,基于最大功率点跟踪(MPPT)控制原理,并结合变流器IGBT模块等效热网络,建立双馈风电变流器结温计算模型。其次,针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的"尖峰"现象,从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发,提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。最后,搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型,对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真,并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。     

变压器冷却装置用交流继电器性能参数提取方法

大型电力变压器冷却装置用交流继电器的运行性能及其状态监测对变压器安全稳定运行至关重要。针对其交流继电器性能参数常规提取方法不准确的问题,文章提出了一种基于小波去噪和结合交流电压信号峰值快速计算的交流继电器性能参数的提取方法。通过对交流电压信号峰值快速计算方法的仿真以及实际变压器冷却装置用交流继电器性能的测试,结果比较表明文章提出增加小波去噪环节的交流继电器性能参数提取方法的有效性和准确性。     

基于多类证据体方法的风电机组健康状态评估

针对基于确定权重的评估方法难以适应风电机组特征量多且相互关系不明确的特点,提出基于多种类证据体的风电机组健康状态评估方法。首先考虑风速大小随机变化对机组振动和温度特征量波动范围的影响,提出基于动态阈值的评估指标劣化度量化方法;其次针对证据间信息可能存在的高冲突问题,按照证据间的优先度分布情况,依据证据源修正思想建立基于证据推理的风电机组健康状态评估模型;最后,以某风电机组健康状态评估为例,与传统的证据评估方法对比分析,验证所提出评估方法可均衡兼顾各评估指标的状态信息获得有效的风电机组健康状态。     

风电机组偏航系统故障诊断与寿命预测综述

故障诊断与寿命预测技术是掌握偏航系统故障类型、位置、严重程度及剩余寿命的有效手段,对优化运维检修策略、减少运维费用和发电量损失有重要作用。该文中综述了偏航系统故障诊断与寿命预测研究现状,首先,介绍偏航系统常见故障模式和状态监测数据来源与特点;其次,分别评述基于模型和基于数据驱动的偏航系统故障诊断方法研究现状;再次,重点从理论寿命计算和基于有限元分析的寿命预测两方面,对偏航系统部件(如偏航轴承、制动缸和制动摩擦片等)的寿命预测研究现状进行综述;最后,从偏航系统状态监测数据分析、故障诊断、寿命预测和寿命管理等方面提出研究要点及趋势。     

考虑运行功率变化影响的风电变流器可靠性评估

针对风电变流器运行功率随机变化可能导致其可靠性降低的问题,提出考虑功率大小及波动强度变化影响的变流器可靠性多状态概率评估模型。利用多状态概率分析法,以变流器输出功率大小和波动强度作为二维状态划分因子,对应其热应力因子和温度循环因子,建立变流器的元器件故障率统一计算模型。利用变流器元器件的结温计算方法,结合雨流法提取结温循环信息,建立风电变流器子系统级的可靠性多状态概率评估模型。以某风电场SCADA信息为例,比较了不同可靠性评估模型的收敛性,并分析功率大小和功率波动强度对机侧和网侧变流器故障率的影响。结果表明,所建立的可靠性评估模型更能合理反映功率变化对器件结温均值和结温波动的影响,评估的机侧变流器故障率比网侧更大,且随着功率波动强度增加,变流器故障率也增加。     

并网风电机组运行状态的物元评估方法

为了准确评估风电机组实时运行状态,结合机组在线监测信息,提出基于物元分析理论的风电机组运行状态评估方法.首先,分析风电机组控制系统所监测的物理量,构建风电机组运行状态评估指标体系;借鉴Bin方法对所监测的温度量进行分析,并引入劣化度概念对各评估指标进行量化处理.其次,采用层次分析法(AHP)和均衡函数得到了各评估指标的...     

双馈风电场抑制系统次同步振荡分析及控制策略

为挖掘大容量风电场参与系统次同步振荡的抑制能力,提出双馈风电场抑制系统次同步振荡的机理研究及其附加阻尼控制策略对比分析。首先,建立汽轮发电机轴系多质量块的数学模型,引入风场输出功率与汽轮发电机转速之间的传递函数,推导了双馈风电场有功功率和无功功率调节对系统阻尼系数的表达式,并分析提供正阻尼的范围。其次,基于汽轮发电机转速信号以及系统正阻尼条件,对比例积分微分相位补偿控制环节及其参数进行优化,分别研究基于双馈风电场有功功率或无功功率环的附加阻尼优化控制策略。最后,以含双馈风电场的IEEE第一标准测试系统为例,对基于有功功率和无功功率附加阻尼优化控制策略的次同步振荡效果进行比较。理论分析和时域仿真结果表明,推导的基于风电场有功功率和无功功率的阻尼系数表达式可有效分析双馈风电场对系统次同步振荡的作用机理,且基于风电场的有功功率或无功功率附加阻尼优化控制策略都能在全次同步频段内提供有效正阻尼。