基于定子電流的風(fēng)電機組機械傳動鏈診斷技術(shù)研究

金 鑫

（遼寧龍源新能源發(fā)展有限公司，沈陽 110013）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是中國新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的重要支柱，其裝機容量及年增速連續(xù)多年位居世界第一[1]。國家“十四五”規(guī)劃中，尤其是碳達峰、碳中和的背景下，新能源產(chǎn)業(yè)將迎來進一步大發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的過程中，風(fēng)電機組檢測技術(shù)也發(fā)展很快，特別是對風(fēng)電機組機械傳動鏈上的葉片、滾動軸承、增速箱、發(fā)電機等關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)檢測技術(shù)，已經(jīng)普遍有良好的應(yīng)用。檢測技術(shù)對于及早發(fā)現(xiàn)故障，預(yù)防故障惡化，精準(zhǔn)故障定位，維修維護等都起著至關(guān)重要的作用，是確保風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行，提高風(fēng)電場運營效益的關(guān)鍵。

1 風(fēng)電機組檢測技術(shù)

風(fēng)電場一般分布在灘涂島嶼、高山丘陵、戈壁荒漠等工作環(huán)境惡劣地區(qū)，極易遭受鹽霧腐蝕，潮濕凝露，風(fēng)沙侵蝕和極寒高溫等環(huán)境影響，疊加工況不穩(wěn)定、連續(xù)運行等因素導(dǎo)致風(fēng)電機組往往處于不健康狀態(tài)。風(fēng)電機組單機容量小、數(shù)量眾多、分布廣泛，給風(fēng)電機組檢測工作帶來極大困難[2]。風(fēng)電機組長期在交變載荷的作用沖擊下，其機械傳動鏈上的機械部件極易產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致停運時間較長，電量損失最高等的故障，所以針對風(fēng)電機組機械傳動鏈的預(yù)防性檢測技術(shù)一直是風(fēng)電機組檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1.1 性能檢測技術(shù)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)作為國內(nèi)風(fēng)電場標(biāo)準(zhǔn)配置，可以實時對批量風(fēng)電機組的運行參數(shù)進行監(jiān)視、分析與控制[3]。利用眾多運行參數(shù)開展數(shù)據(jù)分析是目前風(fēng)電機組性能評價的主要手段，具體分別是性能參數(shù)曲線分析、功率曲線分析，用以判斷影響風(fēng)電機組運行性能及發(fā)電效率。

性能參數(shù)曲線分析主要通過截取周期時間的溫度、壓力、變槳角度、偏航、變槳力矩、風(fēng)速、風(fēng)向等SCADA數(shù)據(jù)生成二維曲線圖，與正常機組曲線比對，依靠風(fēng)電機組運行邏輯、溫度、壓力閾值等參數(shù)來判斷機組的風(fēng)扇、傳感器、電磁閥、驅(qū)動閥、驅(qū)動電機、電容器、電感器等部件是否存在故障。這些故障具有不報警，不影響機組運行的“隱性”特征，是近年來隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)而發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)分析方法，對“隱性”故障效果良好。

功率曲線是風(fēng)電機組發(fā)電性能的設(shè)計依據(jù)，反映了風(fēng)電機組的功率特性和運行特點，在風(fēng)電機組設(shè)計、認(rèn)證、使用及維護過程中都涉及功率曲線驗證。功率曲線是10min的平均風(fēng)速與輸出功率生成二位關(guān)系曲線，與標(biāo)準(zhǔn)曲線比對可判斷機組性能。其中，一般精度曲線可從SCADA系統(tǒng)調(diào)取數(shù)據(jù)繪制得到；精準(zhǔn)曲線則需實際測量，同時采集風(fēng)速、平均功率、氣壓、空氣密度、溫度等參數(shù)，經(jīng)過換算、修正數(shù)據(jù)可得到精確量值，常用來作為評估風(fēng)電機組的運行性能的一個重要指標(biāo)[4,5]。

1.2 健康檢測技術(shù)

健康檢測是保證風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行的一種重要手段。應(yīng)用較為成熟的包括振動檢測、油液檢測、載荷檢測、模態(tài)檢測、無損檢測等。其中，振動檢測、油液檢測已在國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)推廣應(yīng)用，對風(fēng)電機組機械傳動鏈上的主軸承、齒輪箱、發(fā)電機等關(guān)鍵設(shè)備診斷效果精準(zhǔn)，國內(nèi)已陸續(xù)形成一整套診斷、評價標(biāo)準(zhǔn)。其余檢測方法為非常規(guī)性檢測方式，多用于設(shè)計、研發(fā)過程中的理論驗證及實際中的事故分析。載荷檢測主要是用于風(fēng)電機組不同工況下的載荷計算，開展動態(tài)性能分析，常見的實效分析居多，如葉片連接螺栓斷裂、塔筒法蘭螺栓斷裂，塔筒彎矩、轉(zhuǎn)矩及一階固有頻率分析，偏航振動大等問題，通過將計算值與極限載荷比較診斷問題；模態(tài)檢測主要是用于風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)損傷的檢測方法，通過測量、計算得到固有頻率、阻尼和振型，對比原始設(shè)計值來診斷是否存在共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)是否在安全范圍內(nèi)運行；無損檢測主要用于葉片、塔筒及螺栓，常用的有渦流檢測、滲透檢測、激光超聲檢測等[6,7]。

1.3 檢測技術(shù)現(xiàn)狀

性能檢測是基于SCADA系統(tǒng)中周期時間數(shù)據(jù)生成曲線進行分析診斷的，故障診斷定位精準(zhǔn)、快速，數(shù)據(jù)采集方式從SCADA中調(diào)取簡易，只需自動化手段生成圖形，其結(jié)果往往對提升機組發(fā)電性能成效明顯，原理及圖形對診斷人員要求不高，種種條件顯示性能檢測具備推廣應(yīng)用條件，目前已經(jīng)在各新能源發(fā)電企業(yè)大范圍應(yīng)用。

健康檢測針對的是影響機組安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)，其故障預(yù)警的有效性、經(jīng)濟性及社會效益已經(jīng)廣為證實并被認(rèn)可，但由于性價比低、檢測難度高等問題一直沒有有效改觀，處于較尷尬的地位。主要是因為需要在被檢測設(shè)備上布置大量傳感器，同時還需要滿足一定的外部環(huán)境條件才能采集到有效完整數(shù)據(jù)，測試要求較高，測試難度較大，偶爾還存在測試風(fēng)險，致使風(fēng)電行業(yè)短時間內(nèi)難以有效實現(xiàn)狀態(tài)檢修模式的轉(zhuǎn)變。

至此，一些學(xué)者提出了基于發(fā)電機定子電流的檢測研究思路。這種方法減少了大量傳感器，采用非接觸數(shù)據(jù)采集方式，降低了設(shè)備成本，受噪聲及環(huán)境干擾小，更可貴的是電流信號中包含了風(fēng)電機組機械傳動鏈上所有關(guān)鍵設(shè)備的運行工況信息，以電流信號為切入點開展分析診斷，具有很重要的學(xué)術(shù)價值和工程意義[8-10]。

2 定子電流檢測機理

以裝機數(shù)量最多的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機（DFIG）為例，定子繞組直接連接三相電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過背靠背IGBT變流器連接電網(wǎng)，如圖1。轉(zhuǎn)子繞組的幅值、頻率與相位由變流器根據(jù)運行工況自動調(diào)節(jié)。發(fā)電機變速恒頻輸出頻率公式：

式（1）中：f1為定子輸出頻率；f2為轉(zhuǎn)子頻率（P×n/60）；fs為轉(zhuǎn)差頻率。即當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速n＜同步轉(zhuǎn)速n1時，轉(zhuǎn)差率s＞0，有f1=f2+fs，正序低頻交流勵磁；當(dāng)n＞n1時，s＜0，有f1=f2-fs，負序低頻交流勵磁；當(dāng)n=n1時，s=0，fs=0，變頻器提供直流勵磁。由以上可知，定子電流包含轉(zhuǎn)子電流及勵磁電流成分。同理，可理解為當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生扭矩、負載或振型變化時，將影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組磁通量及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進而可從定子電流入手分析，診斷分析影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子扭矩、負載或振型等特征信息。所以，DFIG允許發(fā)電機在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運行，通過變流器勵磁轉(zhuǎn)子繞組，實現(xiàn)變流器對轉(zhuǎn)子機械頻率和電頻率之差進行補償來實現(xiàn)機組變速恒頻運行。

為了方便研究DFIG的數(shù)學(xué)模型，不考慮空間諧波、磁路飽鐵心損耗等，假設(shè)定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組每相匝數(shù)相等，那么，當(dāng)機械傳動鏈上的葉輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機等關(guān)鍵設(shè)備異常時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生額外的干擾轉(zhuǎn)矩，影響定子磁通量，進而引起定子電流變化，達到穩(wěn)態(tài)。干擾轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性的波動，將其分解為三角函數(shù)，可表示為：

圖1 雙饋風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Doubly-fed wind turbine system structure diagram

式（2）中：t是瞬態(tài)時間；TL是發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩；TL0是發(fā)電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩分量；ΔTL是干擾轉(zhuǎn)矩在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量；fg是故障特征的基本頻率；TLK和φLK是故障特征的周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)，k是整數(shù)。

相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩表示式為：

式（3）中：Te0為干擾產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩分量對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩分量；ΔTe為干擾產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分量；Tek和φek是故障特征中的周期函數(shù)的傅里葉級數(shù)。

結(jié)合abc三相靜止坐標(biāo)系和dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，雙饋發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩Te可利用定子電流在d軸方向上的分量isd表示：

定子繞組直連定頻三相電網(wǎng)，定子三相電壓矢量us可視為不變。那么，在dq坐標(biāo)系下，Ψs也可視為不變。故當(dāng)Te中出現(xiàn)周期性震蕩時，會導(dǎo)致isd出現(xiàn)相同的頻率。有：

式（5）中：isd0為Te0對應(yīng)產(chǎn)生的定子電流在d軸上的分量；Δisd為干擾發(fā)生時額外產(chǎn)生的定子電流在d軸上的分量；isdk和φdk是故障特征中的傅里葉級數(shù)。

abc-dq坐標(biāo)系有如下關(guān)系：

那么，發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置信息可表示為：

式（7）中：θ0為轉(zhuǎn)子瞬時初始狀態(tài)；fe為轉(zhuǎn)子電角速度頻率；θtz為角速度波動量產(chǎn)生的調(diào)制分量。將id和θ的表達式帶入式（5）中，有：

式（8）揭示了扭矩與發(fā)電機定子電流信號的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。干擾轉(zhuǎn)矩波動體現(xiàn)在發(fā)電機定子電流信號頻譜上會產(chǎn)生頻率調(diào)制現(xiàn)象，即電流基頻fe兩側(cè)出現(xiàn)|fe±kfg|的頻率分量，k為正整數(shù)。

3 定子電流診斷方法

3.1 風(fēng)電機組葉輪故障診斷分析

風(fēng)電機組葉片由于受風(fēng)沙磨損、鹽霧侵蝕、葉片結(jié)冰等影響，會引起葉輪在旋轉(zhuǎn)時發(fā)生揮舞、擺振等現(xiàn)象，均反映為葉輪不平衡故障，該故障會對發(fā)電機扭矩產(chǎn)生影響。風(fēng)電機組單機容量增加，葉片呈大型化、柔性化發(fā)展趨勢，葉輪不平衡將對風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行帶來極大的安全隱患。根據(jù)葉輪不平衡時一倍葉輪轉(zhuǎn)頻凸顯的故障特征，可通過查找一倍葉輪轉(zhuǎn)頻處是否出現(xiàn)頻率尖峰來判斷。葉輪轉(zhuǎn)速一般介于12rpm～30rpm，頻率對應(yīng)在0.2Hz～0.5Hz之間。假定葉輪轉(zhuǎn)速為20rpm，即一倍轉(zhuǎn)頻約為0.33Hz。結(jié)合發(fā)電機定子電流故障頻率分量|fe±kfg|可知，故障特征頻率為（50±0.33）Hz，即50Hz兩邊出 現(xiàn)49.67Hz與50.33Hz邊頻?？紤]定子電流較大，故障特征頻率相對較微弱，特征信號易被基頻電流的泄露及噪聲淹沒，往往很難直接診斷出葉輪一倍轉(zhuǎn)頻分量。特別是風(fēng)電機組正常運行時，風(fēng)速不恒定導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速不恒定，為消除基頻電流的泄露及噪聲影響，可以采取對定子電流求二次導(dǎo)數(shù)等方法消除噪聲。

3.2 風(fēng)電機組齒輪故障診斷分析

齒輪系統(tǒng)發(fā)生嚙合運動時，漸開線齒輪機構(gòu)的輸入扭矩保持恒定，輸出扭矩會有一定波動[11]。當(dāng)齒輪傳動系統(tǒng)發(fā)生故障時，會影響發(fā)電機所受到的負載扭矩，如齒輪斷齒故障會使負載扭矩包含沖擊成分信息，齒輪磨損故障會使齒輪嚙合時的負載扭矩波動增大，相應(yīng)故障頻率幅值的大小正比于故障嚴(yán)重程度，即與信號調(diào)制的變化程度緊密關(guān)聯(lián)。

風(fēng)電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多級傳動。假設(shè)某一級齒輪傳動發(fā)生故障，結(jié)合發(fā)電機定子電流故障頻率分量|fe±kfg|可知，頻率成分應(yīng)該包含fe、fm±fe、fe±fr1、fe±fr2的頻率分量。其中，fm為齒輪嚙合頻率，fr1為嚙合齒輪主動輪轉(zhuǎn)頻，fr2為嚙合齒輪從動輪轉(zhuǎn)頻。由于電流信息被調(diào)制，頻譜中應(yīng)該會出現(xiàn)一系列上述頻率分量的邊頻帶，即齒輪故障負載扭矩的波動體現(xiàn)在定子電流頻譜上的是基頻fe兩側(cè)出現(xiàn)齒輪調(diào)制頻率|fe±kfg|邊頻帶，結(jié)合時域波形特征信息及頻譜中特征頻率幅值等變化情況，判斷齒輪故障類型。

3.3 風(fēng)電機組發(fā)電機故障診斷分析

3.3.1 匝間短路故障

匝間短路會導(dǎo)致發(fā)電機三相電流不平衡，線圈發(fā)熱、電流增大，發(fā)電機仍可運行，嚴(yán)重時會引發(fā)相間短路。匝間短路主要原因是繞組絕緣老化失去作用，而絕緣老化會因發(fā)電機長期超過限溫運行而加劇。當(dāng)發(fā)生定子匝間短路時，定子三相繞組電感不平衡，磁通畸變，通過電壓、磁通間的耦合關(guān)系，可推導(dǎo)出定子發(fā)生匝間短路故障特征頻率公式：

發(fā)電機正常運行時，定子繞組是對稱的，諧波成分和諧波幅值很??；當(dāng)發(fā)生定子匝間短路故障時，諧波成分和幅值將明顯增大，其3次、5次諧波分量的幅值增大最為明顯，實際測試中也很容易發(fā)現(xiàn)此類故障特征。因此，高次諧波是判斷匝間短路故障較好的方法。

3.3.2 轉(zhuǎn)子偏心故障

發(fā)電機轉(zhuǎn)子偏心總是存在的，只要不超過誤差平均值10%就不會對發(fā)電機正常運行造成太大影響。發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障后，轉(zhuǎn)子氣隙磁場中心偏移，導(dǎo)致磁通畸變，定子繞組會感應(yīng)出大量電流諧波，轉(zhuǎn)子偏心故障的定子電流故障特征頻率公式：

式（10）中：Z為電機轉(zhuǎn)子槽數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；p為電機極對數(shù)；v為定子諧波階階次，可取±1,±3,±5…；nq為偏心系數(shù)，靜態(tài)偏心取值0，動態(tài)偏心取值1,2,3…。靜態(tài)偏心與動態(tài)偏心往往同時存在，定子繞組感應(yīng)頻率公式：

式（11）中：fr為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率。實際分析時，需要同時考慮式（10）和式（11）。分析可知，式（10）為轉(zhuǎn)子偏心故障調(diào)制的高頻分量，式（11）為轉(zhuǎn)子偏心故障調(diào)制的低頻分量。轉(zhuǎn)子偏心故障在風(fēng)電機組中很少發(fā)生，往往通過細化譜，比較2倍fe處頻率幅值，并查找其邊頻是否存在對稱轉(zhuǎn)頻諧波為判斷的故障特征。

3.4 風(fēng)電機組滾動軸承故障分析

風(fēng)電機組均采用滾動軸承，主要分布在主軸軸承、齒輪箱軸承和發(fā)電機軸承。軸承故障會引起轉(zhuǎn)子中心徑向位移和負載扭矩的變化，相繼會引發(fā)一系列發(fā)電機內(nèi)部磁場變化，在定子電流上反映出轉(zhuǎn)子偏心和扭矩振動的電流調(diào)制特征，轉(zhuǎn)子偏心對定子電流的影響頻率如下：

對于滾動軸承外圈故障：

對于滾動軸承內(nèi)圈故障：

對于滾動軸承滾動體故障：

式（14）中：k=1,2,3…。fo是滾動軸承外圈特征頻率；fi是滾動軸承內(nèi)圈特征頻率；fcage是滾動軸承保持架特征頻率；fb是滾動軸承滾動體特征頻率。

轉(zhuǎn)子扭矩變化反映在定子電流效果即在相位m上進行相位信息調(diào)制，等效于隨時間變化的頻率內(nèi)容，對定子電流的影響頻率如下：

對于滾動軸承外圈故障：

對于滾動軸承內(nèi)圈故障：

對于滾動軸承滾動體故障：

綜上，風(fēng)電機組滾動軸承發(fā)生故障，相關(guān)特征信息都會映射到定子電流中，可通過時域波形結(jié)合頻譜中fe兩側(cè)的邊頻數(shù)值診斷軸承故障。

4 總結(jié)

定子電流診斷技術(shù)主要通過采集定子電流，分析基頻 兩側(cè)的諧波進行診斷。手段相比傳統(tǒng)狀態(tài)檢測方法具有明顯優(yōu)勢，但實現(xiàn)應(yīng)用及分析診斷在實踐過程中十分復(fù)雜。目前，基于定子電流檢測技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域還未有市場應(yīng)用。本文從風(fēng)電機組健康檢測和性能檢測兩方面，綜述了近年來風(fēng)電機組的檢測應(yīng)用情況。針對目前風(fēng)電機組機械傳動鏈設(shè)備檢測的特點，提出了基于定子電流的診斷方法，推導(dǎo)出定子電流檢測機理，歸納了風(fēng)電機組機械傳動鏈上關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障在定子電流上映射的故障特征頻率關(guān)系，希望可以為風(fēng)電行業(yè)狀態(tài)檢測工作提供有價值的參考。