风电技术专题︱基于坐标变换的双馈风力发电机组叶片/质量不平衡故障诊断
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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华北电力大学电气与电子工程学院、华北电力大学能源动力与机械工程学院的研究人员绳晓玲、万书亭等，在2016年第7期《电工技术学报》上撰文，首先分析了叶片质量不平衡故障时双馈发电机的电气特性，提出了基于dq坐标变换规则的定、转子电流特性分析法；然后采用希尔伯特解调法对电流信号进行处理，突出了电流的故障频率；最后在Matlab/Simulink环境下进行了仿真，并在双馈风力发电机组实验平台上进行了验证。
结果表明，叶片质量不平衡故障时，发电机定、转子电流中都包含故障频率——叶片转频，所提方法在叶片不平衡故障的识别中是有效的，具有一定的工程应用价值。
风能作为一种清洁、绿色的可再生能源，已成为世界各国新能源发展的重要方向[1]。随着风力发电机组装机容量的持续增加，如何降低机组维修成本和停机时间以及提高机组出力成为制约风力发电发展的关键问题[2，3]。
风电机组大多运行在环境比较恶劣的户外或海上，风沙的磨损或结冰沉积等会造成叶片质量不平衡；另外由于疲劳应力的作用会使叶片产生裂纹，从而灰尘、杂物、雨水等进入裂纹，也会引起叶片质量的不平衡，并进一步加剧叶片和其他部件的疲劳和振动，若继续运行会对机组产生非常大的危害，严重时叶片断裂造成重大损失[4]。
针对风机叶片质量不平衡问题，文献[5]建立了风机模型，利用有限元方法分析了叶片质量不平衡引起的机组振动特点。
文献[6，7]在模拟实验平台上采集了机组振动信号进行频谱分析，结果显示质量不平衡情况下机组在水平方向的振动会增加。但振动信号的采集需要安装振动传感器，这首先增加了监测成本，其次对于安装在几十米高空的机舱很难进行实时监测。
文献[8-10]则分析了叶片质量不平衡与发电功率的关系。由于功率的计算需要三相电流和电压，采集和计算都较麻烦，因此这些文献只分析了功率有效值或单相功率的变化，故分析结果难免偏颇。
文献[11]分析了直驱风力发电机组叶片质量不平衡情况下发电机定子电流与轴转频的关系，利用定子电流信号间接分析转频变化特性来诊断叶片质量不平衡。文献[12]同样也是针对直驱风力发电机组，提出了利用定子电流信号模平方的方法来诊断叶片质量不平衡。
对于双馈风力发电机组，叶片质量不平衡故障时发电机电气特性以及故障诊断等问题的研究较少见诸于文献。因此本文针对该问题展开研究，找出故障诊断依据，实现故障的早发现早诊断，避免重大事故发生，提高机组运行效率。
图9 11 kW双馈风力发电实验平台
结论
本文针对双馈风力发电机组叶片质量不平衡故障，从双馈发电机的数学模型出发，提出了基于dq坐标变换的定、转子电流特性分析法来诊断叶片不平衡故障，并采用希尔伯特解调法从电流信号中解调出故障频率，结果比较清晰直观。通过理论分析、仿真和实验分析得出以下结论：
1）叶片质量不平衡故障会导致双馈发电机定、转子电流中都包含以叶片一倍转频为调制频率的故障频率，并随着不平衡度系数的增加，故障频率对应幅值也增加，在一定程度上能够表征故障的严重程度。
2）除此之外，不平衡故障情况下转子电流与正常情况下相比其相位发生变化，这是转子电流频率存在波动所导致的。
基于双馈发电机定、转子电流特性来监测风机叶片的运行状态，及时消除引起不平衡的因素，防微杜渐，对于整个机组的安全、稳定运行具有重要的实际意义。
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