风力发电机轴电流轴电压测量系统开发及测试实验--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

风力发电机轴电流轴电压测量系统开发及测试实验

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：刘一凡1 朱明月2 叶可3

[导读] 摘要：为了找到风力发电机轴电流轴电压的产生原因，找到抑制方法，设计了一种测量轴电流轴电压的测量系统。

        1.吉林省电力科学研究院有限公司吉林长春 130051；2.吉林大学吉林长春 130022；
        3.吉林大学吉林长春 130022；
        摘要：为了找到风力发电机轴电流轴电压的产生原因，找到抑制方法，设计了一种测量轴电流轴电压的测量系统。测量系统由上位机和下位机两部分组成。下位机采用 PicoScope®2407B双通道USB示波器。分析了上位机的功能需求，并根据实地考察对发电机进行改造，安装探头、引线、电压变送器等部件搭建硬件测量平台，利用官方软件开发包（SDK）和 API 程序员手册并参考示例代码与 LabVIEW进行交互。完成了一个具有双通道电压采集、读取、显示和记录功能的软件。并在大安海陀风电场进行了测试实验，验证了测量系统的可行性。
        关键词：风力发电机；轴电压；轴电流；测量系统；LabVIEW；示波器;测试实验
        引言
        作为一种可再生和无污染的能源，风能正逐渐在国内外开发和使用。2018年全世界风力发电3200万吨油当量，贡献了超过40%的可再生能源增长[1]。目前国内近30个风力发电场建设完成并投入运行，国家在2020年将风力发电机发电功率定位20到30万千瓦，兆瓦级风力机组目前有15到20兆瓦输出功率以满足我国生产风能的需求。
        发电机中每个零部件的稳定运转决定了整个发电机组的稳定性。2013年发电机驱动侧轴承更换19次，年损坏率高达28.7 %。非驱动侧轴承更换为21次，年损坏率高达31.8 %[2]，国内某家能源公司的300多台风力发电机中，真正能够使用并发电的只有1/3，并且许多其他公司在运营初期也都发生了许多故障，严重影响发电使用效率[3][4]。大多数风力发电机长期工作在严苛恶劣的环境中，受到风沙、极端温度的考验。在实际运行中，由于轴电流导致轴承损伤致使风力发电机停机的问题频发[5][6]。由于风力发电机磁路不对称、转子运转不同心等问题，导致发电机轴上产生感应电势、继而击穿油膜产生轴电流[7]。轴电流会损伤轴承、影响发电机正常运转[8]。因此，分析风力发电机轴电压和轴电流产生原因，对保证风力发电机组的稳定运转有重要意义，开发轴电流轴电压的测量系统有重要价值。
        本文针对上述问题提出了一种测量轴电流轴电压的测量系统，利用官方软件开发包（SDK）和 API 程序员手册并参考示例代码与LabVIEW进行交互，并将测试系统用于大安海陀风电厂风电机的轴电流轴电压测量。
        1. 测量系统总体设计思路
        1.1硬件系统的方案设计
        硬件系统包括数据采集系统和电流传感器。数据采集系统采用了PicoScope公司的USB示波器，款式为2407BPicoScope 2000系列，可以被用作为高级示波器，频谱分析仪，函数发生器，任意波形发生器和开箱即用的协议解码器。采用USB供电，小巧便捷。PicoScope 2000系列中B型号具有深存储器（高达128 MS），更高带宽（高达100 MHz）和更快的波形更新速率。PicoScope2407B是四通道示波器，带宽可达70MHz，采样率高达1GB/s，可以自定义输出波形。作为一款高响应的USB示波器，响应速度完全超过轴电压的变化速度。除了官方提供的配套软件，PS公司的示波器还可以利用SDK与编程软件通讯，进行对测量功能的自定义。完全符合对轴电压轴电流测量系统的开发要求。

        图1 轴电压轴电流测量原理
        Fig. 1 Principle of shaft current and voltage measurement
        由于PicoScope2407B只能够测量电压值，所以对于轴电流的测量还需要霍尔传感器将轴电流值转换为电压值进行测量。采用罗氏线圈将轴电流变送为电压信号。罗氏线圈又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流[9]。将罗氏线圈套在所需要测量的线路外面，当线路中有电流通过时，就会在罗氏线圈中感应出一个交流电压。其中这个电压会与被测线路中通过的电流呈线性关系如公式 1所示。其中与罗氏线圈配套的还有标定线圈和积分器。其中标定线圈可以标定罗氏线圈和确定罗氏线圈的互感系数。积分器可以将输出的电压值直接转换为所测的电流值。

（1）
        其中V表示罗氏线圈输出的电压信号，C为线圈的互感系数，dI/dt为电流的变化。
        分析了轴电流轴电压生成原因和其主要成分，选择在转子室外部的轴的外伸端测量主轴两端的轴电压。测量原理图如图1所示。
        1.2 软件系统的方案设计
        软件系统基于LabVIEW：设计一款集数据实时显示、读取、记录为一体的轴电流轴电压测量系统。测量系统软件由用户交互界面、前后台交流、软硬件沟通三部分组成。三者共同作用形成一款完整的软件。
        用户交互界面为仿示波器界面。包含了用户根据实际需求可以进行调整的设置界面，具体有：
        (1)双通道的显示波形窗口。
        (2)可以进行触发设置的触发设置窗口。
        (3)可以进行选择通道开关、量程、交直流切换的通道设置窗口。
        (4)可以进行实时显示当前测量值的字符显示窗口。
        (5)可以选择采样速率，采样数的采样设置窗口。
        前后台交流和软硬件沟通两部分应该共同组成本软件的程序框图[10]。前后台交流可以相应进行用户参数的改变。比如前面板通过更改通道开关，程序框图相应的更改通道的使用，等等。而软硬件交流则需要将硬件测量所得的数据读取到软件里显示、保存等。为本软件设计的总体思路导如图2所示

        图2 测量系统功能设计思维导图
        Fig. 2 Mind map of functional design of measurement system
        图3为测量系统的前面板设计，这也是用户可以直接读取数据和进行所需设置的面板。其包含双通道的波形显示模块，通道A和通道B的设置，数据记录文件的路径，触发设置和测量设置。
        图4为测量系统的程序框图总体程序，分为ADC-MV转换、打开并识别设备信息、通道设置、通道信息设置、运行流模式、获取幅值、关闭几个子模块。

图3 轴电压轴电流测量系统前面板
Fig. 3 Front panel of shaft current and voltage measurement system

        图 4 轴电压轴电流测量系统程序框图
        Fig. 4 Program diagram of shaft current and voltage measurement system
        总体的程序的主体由两个“while循环”组成。从“打开并识别设备信息”模块引出的“handle”连入外部while循环。分别连接“设通道设置”、“通道信息设置”、“运行流模式”、“获取幅值”、“关闭”模块的输入端。完成设备标识符的传递。
        “通道A设置”、“通道B设置”、“触发设置”、“测量设置”分别连入对应功能的子模块。完成在前面板能够对测量程序进行调整的操作。
        “max adc”从“打开并识别设备信息”模块引出连接至内部“while循环”。从“运行流模式”模块中的“Channel A”引线，与“获取幅值”模块中的“Start Index”和“Number of Samples”共同连接到“数组子集”函数中。目的是从A通道的缓冲区中，从“起始索引”位置开始，索引采样数量个数值。此步连线完成了“从A通道的缓冲区中获取采样数值”的操作，并向外传递ADC值。B通道同理连线。
        从缓冲区获得的采样值，还是ADC数值，需要经过“ADC转换为mV”这一步操作。从“打开并识别设备信息”传递出的“max adc”值与“通道设置”簇的量程和上一步传递出的ADC值经过“ADC-mV”模块转换为毫伏值向外传递。毫伏值连入“波形图表”显示电压波形。
        最后底部的连线完成了“自动关闭”的功能。可以在完成了用户在“测量设置”中选择的预定测量数或者用户点击停止按钮时自动关闭测量系统。
        2. 实验测试
        实验团队前往吉林省白城市大安海陀风电场对风力发电机轴电流轴电压进行实地测量，检测测量系统是否可行。
        为了测得的风机更有代表性，随机选择了一架带有助爬器的风机进行测试，测试人员按照图 1进行接线，为了避免风机运行过程中产生电磁干扰，在留够接线长度的同时不能过长，此外仍需要单独设计屏蔽装置，防止USB示波器受到外界电磁干扰以提高采样效率。待所有人员撤离风机机仓后进行轴电流轴电压采集。
        表 1 测量结果分析

40kw

130kw

145-210kw

260kw

脱网

                                         脱网-停机
        图 5 轴电流轴电压随时间变化波形图
        Fig. 5 Waveform of shaft current and shaft voltage changing with time
        风速决定了风机了最大功率，为了获得更加广泛的功率范围，测试选择在中午风速变化较大的时候，据风机上风速仪显示，风速在3 m/s-8 m/s。分别在以下6组不同工况下测试了风机轴电流轴电压：40 kw,130 kw,145 kw-210 kw,260 kw，脱网，脱网-停机。得到波形图如图5所示，对原始数据进行分析，记录了采样时间，通过式（2）（3）计算有效值，利用MAX函数得到最大值，VAR函数计算方差，上述数据汇总如表1所示。

（2）

（3）
        以下对实验做相关说明：
        （1）由于风速是功率的决定因素，在取到40 kw以后，风速急剧增大，斜率过大导致取值点跳跃过大，没有反映出40-130 kw之间的波形随着功率变化的具体规律。
        （2）从表格中可以看出轴电流峰值都是500 mA，很明显这是由于设备量程限制，同理在脱网-停机组里面最大轴电压达到1000 mV也是这个原因，但是从波形图中可以看出，绝大多数实验组峰值点取值次数不多，可以在一定范围内认为数据具有分析价值。
        在以上陈述的基础上分析表格数据和波形图像可以得出以下结论：
        （1）波形显示正常，数据在合理范围内，证明本文设计的测量系统可行性；
        （2）从40 kw到260 kw整个过程，轴电流和轴电压呈上升趋势，其中轴电流上升了31.7mA，轴电压上升19.8 mV。但上升率呈下降趋势，轴电流轴电压值有向某值稳定的趋势。
        （3）脱网后轴电流继续增加，但轴电压有下降趋势。缓慢停机过程耗时接近3000 ms，在此过程中轴电流轴电压均匀降低，最终趋于零值，类似阻尼振动曲线，总体有着非常小的有效值。
        （4）从40 kw到260 kw整个过程中，轴电流和轴电压波形趋于稳定，峰值先上升后下降，最终260 kw下的峰值小于40 kw下的峰值，从样本方差也可以看出，从145 kw开始就不再增加，趋于稳定。
        （5）脱网后轴电流波形波动剧烈程度增加，相反轴电压下降，方差反映了同样的规律，随着缓慢停机，二者的趋势发生变化，轴电流方差越来越小，而轴电压的越来越大。
        （6）轴电流轴电压峰值较有效值都在15-20倍左右，除去缓慢停机组，最大的比例值在130 kw的轴电压处取得，高达22.8，所以预防其带来的后果不能仅仅以有效值来评定。
        （7）轴电流轴电压整体波形趋势相同，同大同小，但是增长（下降）率变化有差异。
        3.结论
        风力发电机运行过程中，轴电压轴电流的存在对发电机轴承等造成损伤，严重影响风机寿命。本文针对风力发电机轴电流和轴电压的测量，设计完成了一个具有双通道电压采集、读取、显示和记录功能的软件。并将软件用于风力发电机的实际测试，结果表明，测量系统稳定可靠。
        未来研究计划准备将该测试系统在量程和显示控制方面进行升级，并将升级后的系统用于不同风机不同工作点进行测量分析轴电流轴电压的深层规律，提出轴电流轴电压预防和抑制的策略和方法。
        参考文献
        [1]BP Statistical Review of World Energy 2019: an unsustainable path:2-4
        [2]陈国强,陈国忠,徐明,张杰等.风力发电机轴电压轴电流对轴承影响及改进措施[J].神华科技,2014, 12(05): 60-62.
        Chen guoqiang, Chen guozhong, xu Ming, zhang jie et al. Influence of electric current on bearing of wind turbine shaft and improvement measures [J]. Shenhua technology,2014,12(05):60-62.
        [3]张锁怀,张文礼,张青雷.基于Adams的MW级风力发电机组动力学建模[J].华北电力大学学报(自然科学版),2009,36(04):51-57.
        Zhang suohuai, zhang wenli, zhang qinglei. Dynamics modeling of MW wind turbine based on Adams [J]. Journal of north China electric power university (natural science edition), 2009 ,36 (04): 51-57.
        [4]Y. Amirat, M. E. H. Benbouzid, B. Bensaker and R. Wamkeue, "Condition Monitoring and ault Diagnosis in Wind Energy Conversion Systems: A Review," 2007 IEEE International Electric Machines & Drives Conference, Antalya, 2007, pp. 1434-1439.
        [5]董开松,李臻,马喜平等.变频器对风电系统轴电压和轴电流的影响[J].电源技术,2014, 38(11): 2116-2118+2129.
        Dong kaisong, li zhen, ma xiping et al. Influence of frequency converter on axial voltage and axial current of wind power system [J]. Power technology,2014, 38(11): 2116-2118+2129.
        [6] MURTHY-BELLUR D，KAZIMIERCZUK M K. Two-switch fly-back PWM DC-DC converter in continuous-conduction mode[J].International Journal of Circuit Theory and Applications，2011，39：1145-1160.
        [7]李练兵, 田晓彬. 风机备用电池组管理与健康状态监测的研究[J]. 科学技术与工程, 2014, (1): 201- 204.
        Li jing-bing, tian xiao-bin. Study on management and health condition monitoring of fan standby battery pack [J]. Science technology and engineering, 2014, (1): 201-204.
        [8]刘静. 基于S7-1200PLC的风机控制系统设计[J]. 现代电子技术, 2019, 第42卷(8):34-36，41.
        Liu jing. Design of fan control system based on s7-1200plc [J]. Modern electronic technology, 2019, vol. 42 (8):34-36, 41.
        [9]马炯.逆变器输出滤波电感的损耗分析与测试研究[D].浙江大学,2014.
        Ma jiong. Loss analysis and test of inverter output filter inductance [D]. Zhejiang university,2014.
        [10]赵晓悦, 张新燕, 罗建春. 网侧变流器开路故障下双馈风机输出电流特性研究[J]. 现代电子技术, 2019, (17):94-99.
        Zhao xiaoyue, zhang xinyan, luo jianchun. Study on output current characteristics of double-fed fan under open-circuit fault of grid-side converter [J]. Modern electronics technology, 2019, (17):94-99.
        项目支持
        国网吉林省电力有限公司科技项目：风力发电机组变频控制系统故障诊断技术研究。