本發(fā)明涉及風力渦輪機，具體涉及監(jiān)控它們的發(fā)電機繞組的絕緣狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。

背景技術：

為了最大化產(chǎn)生能量并且避免發(fā)電的大型發(fā)電廠的非計劃停車，存在評估它們的發(fā)電機的絕緣狀態(tài)的不同技術和系統(tǒng)。這些技術和/或系統(tǒng)利用特定設備，使得當面對發(fā)電機電絕緣中的初發(fā)故障時，可以進行合適的正確的維修。

如在其他工業(yè)領域，建議在風能工業(yè)中監(jiān)控發(fā)電機的絕緣狀態(tài)，以避免由于故障造成的負面后果。在風力渦輪機中，如果發(fā)生發(fā)電機絕緣故障，則由于很難進行現(xiàn)場維修，因此需要替換發(fā)電機。此外，在風力發(fā)電的情況下，風力渦輪機通常安裝在遠離工業(yè)環(huán)境的地方，因此，替換發(fā)電機涉及很長的維修時間并且會損失產(chǎn)生的相當多的能量。

然而，用于評估其他工業(yè)領域(諸如，例如，傳統(tǒng)熱電廠或水力發(fā)電廠的發(fā)電機)中發(fā)電機絕緣狀態(tài)的技術不適用于風力渦輪機。原因是傳統(tǒng)發(fā)電廠裝配有高功率(例如，50mva及以上)發(fā)電機，然而相同功率的風力發(fā)電場可由帶有功率小于10mva的發(fā)電機的幾個風力渦輪機形成。因此，為了探測風力發(fā)電場中發(fā)電機的絕緣故障，需要在每個發(fā)電機中安裝故障探測系統(tǒng)，從而極大增加了系統(tǒng)的成本。

換言之，需要利用特定設備以計劃的方式監(jiān)控整個生命周期中每個發(fā)電機狀態(tài)的這些方法在風能工業(yè)中是不利的。

因此，風能工業(yè)中需要專門設計探測風力渦輪機發(fā)電機的絕緣故障的方法和系統(tǒng)，而無需將用于該目的附加元件作為整體并入現(xiàn)存的風力渦輪機中，因此不會增加成本。

本發(fā)明關注以上需求。

技術實現(xiàn)要素：

在一方面，本發(fā)明提供用于探測通過轉(zhuǎn)換器耦合至電氣網(wǎng)絡的風力渦輪機的發(fā)電機的絕緣故障的方法，并且提供了測量發(fā)電機的電氣變量(轉(zhuǎn)子和定子的電壓和電流)以及耦合側(cè)和另一相對側(cè)的徑向水平振動和徑向垂直振動的裝置。

該方法包括以下步驟：a)在預定時間段(在發(fā)電機與電氣網(wǎng)絡同步但不與之耦合的情況下，以及在發(fā)電機發(fā)電的情況下)實時捕獲發(fā)電機的一個或多個電氣變量的值和/或在發(fā)電機的兩個耦合側(cè)的至少一側(cè)的徑向水平振動和徑向垂直振動的值；b)實時獲?。涸谝粋€或多個預定頻率處的所述電氣變量的逆向分量的時間演變，和/或在一個或多個預定頻率下所述振動的值的時間演變；c)當至少一個電氣變量的逆向分量和/或一個振動在預定頻率處超過絕對閾值或預設的時間增加閾值時，則識別出發(fā)電機中可能存在絕緣故障。

可以想到用于在提及的耦合情形中耦合至電氣網(wǎng)絡的不同類型的發(fā)電機(雙饋、永磁和鼠籠式)的方法的實施例，并且描述了相關的變量和用于它們中每個的預定頻率。

在另一方面，本發(fā)明提供用于實施所述方法的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：連接至風力渦輪機的數(shù)據(jù)總線的計算機系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)用于捕獲電氣變量的測量值(其可由轉(zhuǎn)換器提供，或由單獨的設備提供)和由連接至設置在發(fā)電機上的一組傳感器的測量設備提供的振動變量的測量值。

以下通過結(jié)合附圖對繪示的實施例的目的進行的詳細描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得清楚。

附圖說明

圖1示出了包含雙饋風力發(fā)電機的定子電壓的逆向(或負)序列和直接(或正)序列的快速傅里葉變換，其繪示了由棱形標注的故障情況和由環(huán)形標注的非故障情況。

圖2a是示出了在-50hz的雙饋風力發(fā)電機的定子電壓的逆向分量的時間演變圖表，并且圖2b是指示用作故障指示器的絕對閾值和時間增加閾值(temporalincreasethreshold)的相同的圖表。

圖3是示出了雙饋風力發(fā)電機的振動分量的比較圖表，繪示了由棱形標注的故障情況和由環(huán)形標注的非故障情況。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的風力發(fā)電機的絕緣故障探測系統(tǒng)的示意圖。

圖5和圖6是根據(jù)本發(fā)明的永磁風力發(fā)電機的絕緣故障探測系統(tǒng)的兩個實施例的示意圖。

圖7繪示了設置在位于耦合側(cè)(發(fā)電機軸的出口側(cè))和耦合側(cè)的另一相對側(cè)的風力發(fā)電機中的徑向垂直和徑向水平振動傳感器的位置。

具體實施方式

本發(fā)明提供通過一方面實時監(jiān)控電氣變量另一方面實時監(jiān)控振動來探測風力渦輪機發(fā)電機的繞組的絕緣狀態(tài)的方法和系統(tǒng)，因此，可以執(zhí)行預防性維修工作，以避免發(fā)電機絕緣中出現(xiàn)災難性故障。

關于此，人們已經(jīng)注意到發(fā)電機中的絕緣故障會使轉(zhuǎn)子和定子中的電壓和電流產(chǎn)生不平衡，從而引起所述變量的逆向分量尤其在某些頻率上增加。

例如，當分析雙饋發(fā)電機(參見圖1)的定子電壓的逆向序列和直接序列時，可以看到，當在-50hz的定子電壓的逆向分量達到某值時會發(fā)生故障。

通過由本發(fā)明提出的方法監(jiān)控電氣變量涉及三個步驟：

-在預定時間周期實時捕獲發(fā)電機的一個或多個電氣變量的測量值(如以下討論的，可以在將發(fā)電機耦合至電氣網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)換器中或與其分開的特定設備中執(zhí)行該步驟)。

-從發(fā)電機轉(zhuǎn)子和/定子的電壓和/或電流測量值中實時獲取在發(fā)電機可能出現(xiàn)故障的一個或多個預定頻率處的一個或多個電氣變量的逆向分量時間演變。參考圖1，一旦識別出雙饋發(fā)電機中定子的逆向分量在-50hz時發(fā)生故障，則必須獲取所述變量的時間演變。如圖2a所示，定子電壓的逆向分量在-50hz處的值根據(jù)短路的嚴重程度隨時間增加。

-當至少一個電氣變量的逆向分量在給定頻率處超過絕對閾值或預設的時間增加閾值時，則識別發(fā)電機中可能存在絕緣故障。根據(jù)圖2a中的示例以及圖2b所示，當出現(xiàn)以下情況時可以識別可能存在故障：

a)定子電壓的逆向分量的絕對閾值ua達到10v。

b)時間增加閾值uit達到預設閾值。當定子電壓的逆向分量達到5v時可以達到該閾值，在范圍2.5-5v中，表示定子電壓逆向分量的時間演變的函數(shù)之導數(shù)(derivative)達到很高的值。

還發(fā)現(xiàn)，由絕緣故障導致的電流的不平衡會產(chǎn)生電磁不平衡，這將引起發(fā)電機在某頻率振動。例如，當分析11kw的雙饋發(fā)電機的振動的演變時，可以看到(參見圖3)，當發(fā)電機定子中出現(xiàn)初始短路時，那么在100hz和200hz(是頻率為50hz的電氣網(wǎng)絡頻率的2倍和4倍)時振動會增加。

由本發(fā)明提出的監(jiān)控振動的方法涉及與監(jiān)控電氣變量類似的三個步驟：

-在耦合至電氣網(wǎng)絡的一側(cè)及其另一相對側(cè)于預定時間周期實時捕獲發(fā)電機的徑向水平振動和徑向垂直振動的測量值，如以下將討論的，該步驟由并入發(fā)電機中的振動測量裝置(諸如，ep1531376b1中描述的)執(zhí)行。

-從這些測量值實時獲取所述變量在發(fā)電機可能出現(xiàn)故障的一個或多個預定頻率的時間演變。

-當所述變量的至少一個在某頻率超過絕對閾值或預設的時間增加閾值時，則識別出發(fā)電機中可能存在絕緣故障。

一旦由于以上所述的電氣變量或振動中任何一個超過以上所述任何閾值而識別出可能存在絕緣故障，則啟動合適的校正措施。

所述監(jiān)控將在對應于低風力條件的期間進行，其間發(fā)電機與電氣網(wǎng)絡同步但不與之耦合，以及在產(chǎn)生能量的期間進行。

在第一種情況下，目的是在耦合至電氣網(wǎng)絡之前驗證正確的絕緣狀態(tài)。這將阻止在非常缺少絕緣的情況下發(fā)電機被耦合至電氣網(wǎng)絡，并且在完全短路的情況下，使發(fā)生在發(fā)電機中的損壞最小化。由于可以避免尤其是雙饋發(fā)電機中的高電流或成對的高短路，因此也可以防止其他元件疲勞或受到損壞。在低風力條件下檢查絕緣狀態(tài)會更有效，因為電氣網(wǎng)絡中產(chǎn)生的暫態(tài)事件和非預期的強風可能會引起錯誤測量。因此，可以更多地在初始階段探測絕緣故障，這是由于在沒有暫態(tài)事件的情況下可以允許改善探測系統(tǒng)。

在第二種情況下，目的是探測運行中的絕緣損失。在這種情況下，可以使發(fā)電機停機，從而檢查在之前模式中的絕緣狀態(tài)。

參考圖4可以看到，對通過轉(zhuǎn)換器13連接至電氣網(wǎng)絡15的風力渦輪機發(fā)電機11的上述監(jiān)控在連接至風力渦輪機的數(shù)據(jù)總線17的外部計算機系統(tǒng)21執(zhí)行，其控制系統(tǒng)19也連接至該風力渦輪機。

數(shù)據(jù)總線17實時接收上述電氣變量的測量值的數(shù)據(jù)流d1和所述振動的測量值的數(shù)據(jù)流d2。

如圖5更詳細繪示的，振動的測量值的數(shù)據(jù)流d2由連接至設置在發(fā)電機11上的傳感器組件12的振動測量設備14產(chǎn)生。該組件可以包括(參見圖7)由位于箭頭f1和f3指示的位置用于測量徑向垂直振動的傳感器和由位于箭頭f2和f4指示的位置用于測量徑向水平振動的傳感器，它們分別在發(fā)電機11的耦合側(cè)和另一相對側(cè)。

同時，如圖6繪示的，數(shù)據(jù)流d1可由與轉(zhuǎn)換器13分隔開的并且提供有用于測量發(fā)電機11的電氣變量的裝置的測量設備16產(chǎn)生。

計算機系統(tǒng)21的軟件可以從數(shù)據(jù)流d1、d2實時獲取上述電氣變量的逆向變量以及所述振動在指示的頻率處的時間演變。此外，當發(fā)電機11的電氣變量的逆向分量的值和/或一個上述振動的值超過任一預設閾值時，通過分析他們的時間演變就可以識別出發(fā)電機11可能存在絕緣故障。最后，執(zhí)行預測的合適的報警和消息措施，使得當探測到可能出現(xiàn)絕緣故障時可以采取合適正確的措施。

計算機系統(tǒng)21通過訪問各種風力渦輪機的數(shù)據(jù)總線，可以監(jiān)控其發(fā)電機的絕緣狀態(tài)。

本發(fā)明的系統(tǒng)因此適用于具有實時向計算機系統(tǒng)21提供所述變量的值的裝置的風力渦輪機。

需要監(jiān)控的特定變量取決于發(fā)電機的類型和執(zhí)行監(jiān)控的時間段，該特定變量包括以下中的一個或多個：

a)雙饋發(fā)電機(doublyfedgenerators)

a1)在以下頻率中的一個或多個下的定子電壓的逆向分量：電氣網(wǎng)絡的頻率、電氣網(wǎng)絡的頻率的逆向分量(inversecomponent)的整數(shù)倍，電氣網(wǎng)絡的頻率的直接分量(directcomponent)的整數(shù)倍。

a2)在以下頻率中的一個或多個下的定子電流的逆向分量：電氣網(wǎng)絡的頻率、電氣網(wǎng)絡的頻率的逆向分量的整數(shù)倍、電氣網(wǎng)絡的頻率的直接分量的整數(shù)倍(只有當發(fā)電機耦合至該網(wǎng)絡時)。

a3)處于給定速度的(該速度被選定用于處理在該速度的測量值，因為轉(zhuǎn)子的基頻隨其旋轉(zhuǎn)速度變化)在以下頻率中的一個或多個下的轉(zhuǎn)子電壓的逆向分量：轉(zhuǎn)子的基頻、轉(zhuǎn)子的基頻的逆向分量的整數(shù)倍、轉(zhuǎn)子的基頻的直接分量的整數(shù)倍。

a4)處于給定速度的(該速度被選定用于處理在該速度的測量值，因為轉(zhuǎn)子的基頻隨其旋轉(zhuǎn)速度變化)在以下頻率中的一個或多個下的轉(zhuǎn)子電流的逆向分量：轉(zhuǎn)子的基頻、轉(zhuǎn)子的基頻的逆向分量的整數(shù)倍、電氣網(wǎng)絡的頻率的逆向分量的整數(shù)倍、電氣網(wǎng)絡的頻率的直接分量的整數(shù)倍、由公式±nfsw±m(xù)frotor限定的頻率，m和n是整數(shù)，fsw是轉(zhuǎn)換器的開關頻率(switchingfrequency)，frotor是轉(zhuǎn)子的基頻。

a5)在以下頻率中的一個或多個下提及的振動：電氣網(wǎng)絡的頻率的倍數(shù)頻率、由公式限定的頻率，fred是電氣網(wǎng)絡的基頻，g是整數(shù)，q是轉(zhuǎn)子或定子的槽(slot)的數(shù)量(因此，需要計算兩次，一次計算定子，一次計算轉(zhuǎn)子)，p是極對的數(shù)量，s是發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率(slip)(由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率隨轉(zhuǎn)速變化，因此應當選定某速度以在該速度處理測量值)。

b)永磁發(fā)電機(permanentmagnetgenerators)

b1)在以下頻率的一個或多個下的定子電壓的逆向分量：定子的基頻、定子的基頻的逆向分量的整數(shù)倍、定子的基頻的直接分量的整數(shù)倍。

b2)在以下頻率的一個或多個下的定子電流的逆向分量：定子的基頻、定子的基頻的逆向分量的整數(shù)倍、定子的基頻的直接分量的整數(shù)倍、由公式±nfsw±m(xù)fstator限定的頻率，m和n是整數(shù)，fsw是轉(zhuǎn)換器的開關頻率，fstator是定子的基頻。

b3)在以下頻率中的一個或多個下的提及的振動：電氣網(wǎng)絡的頻率的倍數(shù)頻率、由公式限定的頻率，fstator是定子的基頻，g是整數(shù)，q是定子的槽的數(shù)量，p是極對的數(shù)量。

在永磁發(fā)電機與網(wǎng)絡同步但不耦合至網(wǎng)絡的情況下，計算時只考慮在相同轉(zhuǎn)速下的電氣變量和振動(即在iso速度下執(zhí)行該分析)。在這種情況下，發(fā)電機不將有功功率注入網(wǎng)絡中，并且發(fā)電機由純粹的無功功率操作。

當發(fā)電機耦合至網(wǎng)絡時，計算時只考慮在相同轉(zhuǎn)速和相同功率下的電氣變量和振動(即在iso速度和iso功率下執(zhí)行該分析)。

c)鼠籠式發(fā)電機(squirrelcagegenerators)

c1)在以下頻率的一個或多個下的定子電壓的逆向分量：定子的基頻、定子的基頻的逆向分量的整數(shù)倍、定子的基頻的直接分量的整數(shù)倍。

c2)在以下頻率的一個或多個下的定子電流的逆向分量：定子的基頻、定子的基頻的逆向分量的整數(shù)倍、定子的基頻的直接分量的整數(shù)倍、由公式±nfsw±m(xù)fstator限定的頻率，m和n是整數(shù)，fsw是轉(zhuǎn)換器的開關頻率，fstator是定子的基頻。

c3)在以下頻率中的一個或多個下的提及的振動：電氣網(wǎng)絡的頻率的倍數(shù)頻率、由公式限定的頻率，fstator是定子的基頻，g是整數(shù)，q是定子的槽的數(shù)量，p是極對的數(shù)量，s是發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。

在鼠籠式發(fā)電機與網(wǎng)絡同步但不耦合至網(wǎng)絡的情況下，計算時只考慮在相同轉(zhuǎn)速下的電氣變量和振動的值(即在iso速度下執(zhí)行該分析)。在這種情況下，發(fā)電機不將有功功率注入網(wǎng)絡中，并且發(fā)電機由純粹的無功功率操作。

當發(fā)電機耦合至網(wǎng)絡時，計算時只考慮在相同轉(zhuǎn)速和相同功率下的電氣變量和振動的值(即在iso速度和iso功率下執(zhí)行該分析)。

盡管已經(jīng)結(jié)合各個實施例描述了本發(fā)明，但是將理解可以對說明書中的元件、變形或改進進行各種組合，并且它們在隨附的權利要求限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。