风力发电机的振动响应特性分析

电札再控弗ｑ应用２０１￣３７（１２）　研究与设计ｉ　ＥＭＣＡ　

无刷双馈风力发电机特性分析系统的研究　

刘衍伟　，　陈渊睿’　・　

（１．华南理工大学电力学院，广东广州　５１０６４０；　２．广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州５１０６４０）　

摘要：设计一种基于无刷双馈电机（ＢＤＦＭ）的变速恒频风力发电系统，详细分析了该ＢＤＦＭ及其控制　系统的硬件结构和软件设计流程；设计一种基于数字信号处理器（ＤＳＰ）的电能质量分析结构，实现了风力发　电系统电压、电流、功率及谐波等电能质量数据的采集与处理；采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋设计开发上位机监测系统，　实现风力发电系统电能质量数据的动态监测与管理。通过ＢＤＦＭ试验表明，采用自主设计的ＢＤＦＭ较好地　实现了风力发电系统的变速恒频控制；通过上位机监测系统通信试验表明，电能质量监测系统可靠性高，实时　性良好。　关键词：无刷双馈风力发电机；控制系统；电能质量；监测系统　中图分类号：ＴＭ　３１５文献标志码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２０１０）１２－００２５－０６　

Ｒｅａｓｅｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　

Ｄｏｕｂｌｙ．Ｆｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　

ｙｎ　一Ｗｅｉ　ｒ．　ＣＨＥＮ　Ｙｕａｎ－ｒｕｉ　，　（１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１　０６４０，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｌｅａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｍａｃｈｉｎｅ（ＢＤＦＭ），ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｓｔａｎｔ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ＢＤＦＭ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｅｍ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｄａｔａ（ｓｕｃｈ　ａｓ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｃｕｒｒｅｎｔ，ｐｏｗｅｒ，　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ）ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｓｔＩＭｃ—　ｔｕｒｅ　ＷａＳ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ＷａＳ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋．ＢＤ—　ＦＭ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ・・ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｓｔａｎｔ・－￣ｅｑｕｅｎｅｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｗｅｌｌ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｅｌｆ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ＢＤＦＭ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｍｏｔｏｒ（ＢＤＦＭ）；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

I

摘 要

齿轮箱作为风电机组中最重要的传动部件,负责将风轮叶片的低转速转换为发电机所需要的高转速，实现能量与扭矩的高效传输；振动是风电机组齿轮箱故障失效的主要原因，随着机组容量的增加, 长期处于恶劣条件下的齿轮箱，由于结构体积的增大和弹性增加，更易引发振动问题。本文主要研究齿轮箱在变速变载下的振动特性，基于Romax软件建立齿轮箱的振动模型，分析齿轮箱各级齿轮的啮合频率和固有频率。本文研究内容可为风电机组齿轮箱的优化设计、故障、预防和处理提供技术基础。

关键词: 齿轮箱,固有频率,啮合频率,共振,Romax

II

ABSTRACT

Gear box is the most transmission Parts in the Wind turbine,it is responsible for the

low-speed wind turbine blade into the high-speed generator required to achieve the efficient

transmission of energy and torque.Vibration is the main reason of wind turbine gear box failure ,

along with the increase of unit capacity, long-term adverse conditions in the gear box, due to the

increase of the structure and flexibility to increase volume, caused more vibration problems.This

paper mainly research gear box's vibration characteristics in the speed change, established

专题——高效与节能

2010年09月刊AUTOMATION PANORAMA281 概述在过去的20多年里，风力发电机组的单机容量不断扩大，特别是最近几年，大型机组得到迅速推广应用。技术的不断进步是机组单机容量得以不断扩大的基础。早期的风力发电机组全部是定桨距失速型风机。由于定桨距机组叶片的角度不能在风速变化时进行相应地调节，因此无法在低风速时获取最大的风能；在风速为额定风速时功率最大，当风速超过额定值后，发电功率又明显下降，故定桨距失速型风机的经济效益不甚理想，因此这种型的机组很难向大型化方向发展。目前该类型的产品均为小型机组，兆瓦级机组均不采用此类型的结构。随着技术的发展，风电机组发展到了变桨距系统。变桨距风力发电机组的叶片角度可以进行调节，在不同的风速情况下，通过调节叶片的角度使攻角保持最佳状态，从而获得较大的转换效率。变桨距机组的额定风速较低，启动性能较好，而且在风速超过额定值时通过变桨系统可以有效地控制叶片的迎风角度，使得发电机有着较为平滑的功率曲线，大大提高了发电效率和发电质量。通过技术的不断提高和新材料的不断应用，叶片结构变得越来越简单、重量也越来越轻，易于机组的大型化，因此大型风电机组多采用变桨距技术。目前，风电技术已发展到了更先进的变速变桨距机型。变速变桨距风力发电机组同时应用了变桨技术和变速恒频技术，风轮转速可根据风速的变化进行调节，以便最大限度地吸收风的能量，提高转换效率。由于在发电机中采用了变速恒频技术，使发电机组在低风速情况下的出力水平大幅度提高，总体发电效率得到进一步提高。兆瓦级以上的机组大都是变速变桨距机型。发电机及其控制系统承担了将机械能转化为电能的任务，直接影响到转换过程的效能、效率和供电质量。而目前风力发电机主要采用两种类型：双馈异步发电机和永磁同步发电机。2 双馈异步发电机（DFIG）和永磁同步发电机（PMSG）结构分析2.1 DFIG工作原理双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电动机类似，定转子三相对称，转子电流由滑环接入。风速的变化通过增速齿轮箱传递到发电机，为了保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流的频率，使得发电机的转子转速发生变化，这些工作可以由变频器来完成。当发电机转子高（低）于同步速时，应控制变频器能量流入（出）电网，这样就控制了电机定子向电网供应电能频率的稳定。其原理框图如图1所示。双馈异步和永磁同步风力发电机特性分析北车风电有限公司 王建维王建维女，硕士，毕业于西南交通大学牵引动力国家重点实验室，毕业后在中国北车集团济南轨道交通装备有限公司从事货车转向架设计工作，2008年7月转入北车风电有限公司从事风力发电机组设计，主要从事风力发电机组控制系统和在线状态监测系统方面的研究。专家分析

54科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯2018 NO.33SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.33.054基于振动分析的风力发电机故障诊断方法李靖(南京安维士传动技术股份有限公司 江苏南京 210019)摘 要：随着社会的不断发展，风能作为一种可以再生的清洁型新能源，在能源危机和环境污染日益严重的今天，具有着巨大的发展空间和环保力。所以近年来风力发电在电力市场中占有的比例日益增高，但是风电机组高额的运行维护成本在很大程度上限制了风电产业的经济效益，风力发电装置的运行环境恶劣，复杂多样，传统的人工维修成本既高昂又易发生安全问题，因此，关于风力发电机的故障诊断方法的研究意义重大。关键词：振动 风力发电机 故障诊断中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2018)11(c)-0054-021 风电机组概述1.1 风电机组的基本结构风力发电机组的使用原理是通过风轮叶片将风的动能转化为机械能，从而带动机组内的发电机运转产生电能；风力发电机组由：轮毅、主轴、主轴轴承、齿轮箱、高速轴、发电机等一系列部件组成，叶片的主要功能是捕获风能，轮毅的功能是连接叶片与主轴，包含变桨距系统，主轴负责传递风轮扭矩至齿轮箱；主轴轴承用以支撑风轮与主轴齿轮箱的作用是；将低速旋转扭矩转化为高速旋转扭矩，高速轴是传递高速旋转扭矩至发电机；发电机将机械能转化为电能。1.2 风力发电机组的常见故障类型风力发电机组在运行过程中，收到的力是自然力，是不可控的风力，输出频率并不是一成不变的，不断变化带来的冲击力是风力发电机组的叶片、主轴、齿轮箱、高速轴等都极易发生故障，部件发生故障以后势必会造成发电机组停机，从而影响到电力的生产。由于风机发电机组装置多建造于偏远的山区或近海地区，风力较大的环境中，再加上风力发电机组往往都建设在高空，所以存在着维护困难、维护成本高昂等问题，因此建立起全面的监测检验系统是十分必要的[1]。2 风力发电机组状态监测与故障诊断状态检测主要内容分为3个部分：(1)对风力发电机组的设备运行状态进行检测；(2)是当设备状态异常时对故障内容部位进行诊断；(3)设备故障的早期诊断与预报。风力发电机组的检测诊断主要有故障信息收集、故障信号处理、状态辨识、检测与诊断决策最后输出诊断结果组成。故障信息的收集主要依靠安装在设备上，设备附近的传感器进行采集，传感信号经过转换、传输、提取然后送入信号处理装置，去掉无用信息，将异常信息进行提取再将异常信号传入状态辨识模块，得到结果后输出到检测与诊断决策阶段，从而规划严谨的故障处理计划，最后将处理计划进行实施，就是风力发电机组状态检测与故障诊断处理的整个循环。风力发电机的状态检测技术有很多种，在叶片的检测上，大多都是根据叶片的振动、转速、温度等主要核心问题进行检测，在传动装置的检测上，依据传动部件的振动、转速、温度的不同来进行检测，其他的检测行为还有对电能的时域与频域分析、油液质量方面分析等[2]。按照检测方式的不同可以分为以下几个方面。2.1 振动检测主要是用来检测齿轮箱的齿轮、轴承、发电机的轴承、主轴等部件的振动情况来进行故障检测与分析。对收集检测到的信息进行分析与比较，从而得出较为准确的故障信息。振动检测的方式投入成本较高，但是技术相对成熟，诊断结果也比较准确，所以被广泛应用于风力发电机组的故障检测。2.2 油液检测对油液的状态进行检测与分析，可以得出两个结论：一是检测油液质量；二是通过对于油液想接触的部件的运行状态进行分析。采用的手段有污染度测试、红外光谱分析、油滤压降分析等。目前风力发电机组的油液分析一直采用离线检查的技术，但是随着传感器技术的不断发展与进步，油液检测正逐步想在线监测发展。2.3 温度检测电路系统出现故障，往往伴随着高温、着火等现象的发生，通过对电子和电气部件的温度检测，可以有效的监测与识别故障部位，检测出是否由于原件的恶化和接触不良造成的电路问题。随着热成像技术的发展，在线温度检测也变得切实可行[3]。2.4 过程与性能参数检测指的是通过风力发电机组运行过程中检测得到的数值，通过与政策情况下安全运行的允许数值进行对比来直接决定是否发出进步，此种检测系统比较落后，错误率较高，传统的检测方法有待提高。振动检测由于其应用范围广、简单易行、处理技术成熟、Copyright©博看网 . All Rights Reserved.55 科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯2018 NO.33SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程