考虑风电机组故障电压穿越特性的连锁故障关键线路辨识

新能源的接入提高了电网连锁故障发生的概率,给故障传播中关键线路的辨识增加了难度。为此,建立了考虑风电机组故障电压穿越特性和线路可靠性的连锁故障仿真模型,从线路失负荷严重程度、失负荷不均匀性和结构脆弱性3个角度建立了线路综合风险指标评价集。基于状态故障网络计及线路失负荷程度和线路失负荷不均匀性,分别定义了失负荷风险指标和不均匀风险指标;基于电气介数提出了考虑分布式新能源接入的脆弱结构指标;同时,考虑电网的网络结构和状态转移特性,采用模糊熵权法定义综合风险指标,以衡量线路开断的综合影响。通过IEEE 39节点和IEEE 118节点系统算例验证所提方法用于关键线路辨识的有效性,且针对关键线路的缓解措施能显著降低大停电风险。

改进滑模观测器的电流源逆变器驱动PMSM无位置传感器控制

由于电流源逆变器(CSI)的叠流效应以及前级DC-DC控制的母线电流脉动较大,使得扩展反电动势中含有大量谐波,造成较大的位置误差。针对此问题,该文提出一种改进滑模观测器的电流源逆变器驱动永磁同步电机无传感器控制方法。首先,基于传统滑模观测器,设计复系数滤波器代替传统低通滤波器,实现了对估计反电动势的准确提取,同时也抑制了估计反电动势中的高频抖动和高次谐波。其次,将二阶广义积分器内嵌于锁相环中,用于消除位置误差信号中的低次谐波,提高位置观测准确度。最后,将估算的速度信息反馈回复系数滤波器,实现复系数滤波器的自适应性。实验结果表明,所提方法在不同工况下,能够有效提高估算的转子位置精度,验证了方法的可行性与有效性。

考虑极端天气冲击过程的风电机组竞争失效可靠性评估

针对风电机组的运行可靠性易受极端天气影响的问题,提出了一种考虑极端天气冲击过程的风电机组竞争失效可靠性评估方法。同时考虑风电机组自然退化、极端天气冲击导致的瞬时退化以及极端天气持续过程产生的加速退化,构建极端天气下的风电机组综合退化模型;考虑风电机组退化过程对其耐冲击性能的影响,建立风电机组竞争失效可靠度模型以评估风电机组可靠性;基于我国北方某风电场工程数据和极端天气历史数据评估了某2 MW风电机组的可靠性并进行了参数灵敏度分析。结果显示,到第5年时,仅考虑自然退化的方法评估风电机组可靠度为0.84,而考虑极端天气冲击过程的方法评估风电机组可靠度为0.178,后者更加符合工程实际。通过模型参数的灵敏度分析发现,运行时间超过3年后,退化失效开始逐渐影响风电机组的可靠性。

小型风力机叶片电加热融冰功率的影响因素

电加热融冰技术作为解决风力机叶片覆冰最为行之有效的方法,有必要对融冰功率的影响因素进行研究分析。为此以小型风力机覆冰叶片为研究对象,建立了叶片电加热融冰数值计算模型,阐述了数值求解过程;进而定义了临界融冰功率和限时融冰功率,并给出了相应的计算过程;通过对旋转叶片进行人工覆冰试验并获得冰型,仿真分析了覆冰程度、环境温度、合成风速、叶片攻角、允许融冰时长等因素对融冰功率的影响。结果表明:限时融冰功率随着允许融冰时长的增加而减小,但认为允许融冰时长4~6min为宜;融冰功率随着覆冰程度的增加而减小;环境温度与融冰功率呈现负线性关系;合成风速与融冰功率呈现正相关;融冰功率随叶片攻角的增加整体呈现先增加后减小的规律,且在0°~4°之间出现最大值;限时融冰功率相较于临界融冰功率高1~2 kW/m^(2)。该文结果可为实际风力机叶片电加热融冰系统的运行与设计提供一定的帮助。

覆冰条件下风力发电机叶片防/除冰方法综述

覆冰地区的风力发电机叶片覆冰会导致功率损失,及时预防和治理叶片覆冰灾害,有助于保障风力发电机的安全、稳定与可靠运行。该文综述了覆冰条件下风力发电机叶片防/除冰方法的研究现状。首先,介绍了叶片覆冰的机理及覆冰特性,总结了叶片覆冰对其升力系数与阻力系数、功率损失的影响,分析了当前面临的挑战;其次,对现有叶片主动防/除冰、被动防冰及协同防/除冰方法的原理及其优缺点进行了评述,并进行了全面的对比分析;最后,从整体角度对叶片覆冰的关键科学问题及其经济可行性进行了分析,给出了未来的研究趋势,认为电热法、电脉冲法、气动脉冲法、疏冰涂层和含有电热功能的协同防/除冰方法在风力发电机叶片上极具应用前景。

基于定子电流法的绕线转子无刷双馈发电机偏心故障研究

绕线转子无刷双馈电机在船舶轴带发电以及风力发电等领域中具有良好的应用前景。转子偏心是一种常见的机械故障,威胁着现代化工业体系的稳定运转,因此实现其状态检测和故障诊断非常关键。由于无刷双馈电机具有特殊的定、转子绕组结构以及复杂的气隙磁场,因此传统的故障检测方法无法直接用于该类电机。该文通过定子电流法提取了功率绕组电流的特征频率分量作为故障指标,实现对静偏心、动偏心以及混合偏心的无创诊断。建立故障电机的时步有限元模型,并通过详细的故障机理分析,得出不同类型的偏心故障可能导致的特征频率信号。最后,以一台2/4对极无刷双馈电机为例,并通过有限元仿真、样机试验验证解析法的结论,为绕线转子无刷双馈电机偏心故障的精准检测提供了理论依据。

基于多层级时空图神经网络的风电机组在线异常检测

在风电场运营中,准确及时的故障检测是降低风电机组运行维护成本的关键。然而,现有检测方法未充分挖掘功能单元间的潜在时空关联,限制了检测准确性的提升。文中提出了一种基于多层级时空图神经网络的风电机组在线异常检测方法,以提高故障检测的准确性。该方法依据风电机组物理结构,将其功能单元划分为多个子图,从而构筑了一个多层级的时空图神经网络,通过图注意力机制和多头注意力机制全方位地分析风电机组各传感器节点与功能单元之间的关联强度。同时,针对数据采集与监控(SCADA)系统数据的时间关联,设计了动态图神经网络和时间注意力机制,使正常行为预测模型捕捉了SCADA系统数据的时间关联特性,实现了空间和时间特性的有效融合。最后,基于中国上海某风电场的实际数据验证了所提方法的显著有效性。

非理想运行条件下双馈感应发电机转矩脉动抑制方法综述

在非正弦和不平衡运行条件下,双馈感应发电机会面临显著的转矩脉动问题,严重威胁系统的安全稳定运行,因此有必要采取转矩脉动抑制措施。近些年,诸多学者针对该问题进行了广泛研究,并取得了一系列的科研成果,但鲜有对其进行总结归纳的文献。为此,该文首先介绍了双馈感应发电机系统结构,分析了非正弦和不平衡运行条件下转矩脉动成因,并明确了转矩脉动抑制的主要目标。其次,从硬件结构改进法和控制策略改进法两方面对现有技术方案进行归类总结,并从七个维度进行综合对比分析。最后,从软硬件协同抑制、参数鲁棒性提升、谐波损耗抑制和故障穿越四个方面对双馈感应发电机转矩脉动抑制方法的未来发展趋势进行了展望。

基于MTF-ResNet-ViT的风电机组精细级联故障预警

提出一种基于MTF-ResNet-ViT的风电机组(WT)精细级联故障预警方法。第1级将SCADA数据转换为马尔可夫转移场图像,利用残差网络提取故障特征,实现WT大部件状态监测和故障预警,并对故障代码数据进行标签与扩充。第2级将标签后数据灰度图像化后,利用视觉变换器建立故障代码预警模型,实现精细故障代码预警。实验结果表明,该方法可以有效标签和扩充故障代码数据,实现精细故障代码早期预警。

基于改进VMD-MCKD和深度残差网络的风机齿轮箱故障诊断

行星齿轮箱是风电机组传动系统中的重要部件,其运行工况复杂,背景噪声大,导致齿轮早期故障信号微弱且极易受背景噪声的影响。针对风电机组齿轮箱早期故障特征难以有效提取,齿轮故障难以识别的问题,提出一种风机齿轮箱故障诊断方法。首先,通过变分模态分解算法(variational mode decomposition,VMD)分解风机齿轮箱原始振动信号,获得振动信号故障的最优模态分量;接着,利用最大相关峭度解卷积算法(maximum correlated kurtosis decnvolution,MCKD)通过解卷积重构最优模态分量,削弱背景噪声增强故障冲击成分,获得故障特征;同时利用麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)优化惩罚因子α、模态分解个数K、滤波器阶数L和反褶积周期T等参数,提升振动信号故障特征提取的准确度;最后,构建基于深度残差网络(deep residual network,ResNet)的齿轮箱故障诊断模型,建立齿轮箱故障特征与类别的非线性映射关系,实现风机齿轮箱故障分类识别。实验结果表明,所提风机齿轮箱故障诊断方法的准确率达到97.48%,相较其他方法在信号特征提取和故障诊断效率方面有明显提高。

基于LightGBM-VIF-MIC-SFS的风电机组故障诊断输入特征选择方法

针对风电机组数据采集与监视控制(SCADA)系统数据维数较高、特征冗余、特征相关性高导致风电机组的故障诊断过程存在误差大、分类正确率低的问题,提出一种基于LightGBM-VIF-MIC-SFS的三段式特征选择方法。首先,根据LightGBM实现对所有特征的重要性计算,确定初步特征空间;其次,根据方差膨胀因子(VIF)和最大信息系数(MIC)构建相关性判别阵,据此评估一次筛选中重要性相近的特征,舍弃相似性高的输入特征;最后,使用序列前向搜索法对特征进行第3次处理,逐个输入前2次特征选择获得的特征,保留能提升系统性能的特征,从而实现最终特征的选取。在完成了模型的建立后,使用风电场真实SCADA系统数据进行性能评估,将所提方法与2种对比算法在6个数据集上进行对比,结果显示所提出的LightGBM-VIF-MIC-SFS相较2种对比特征选择算法有显著优势。对所提方法内部的3个模块进行了消融实验,有效验证了所提特征选取方法内部各个模块的有效性以及基于所提方法得到的最优特征空间的合理性及准确性。

基于多元精细复合多尺度波动散布熵和累积欧氏距离矩阵测度的风电机组变桨轴承退化状态评估

针对风电机组变桨轴承服役过程环境噪声干扰严重、退化状态评估精度低的问题,提出一种基于多元精细复合多尺度波动散布熵和累积欧氏距离矩阵测度的退化状态评估模型。该模型将监测数据状态特征获取过程由单通道拓展为多通道进行,通过提出的多元精细复合多尺度波动散布熵算法来获取多通道监测数据的多尺度状态特征,并将累积和检验算法与欧氏距离矩阵测度方法相结合,用于定量衡量基准样本与待分析样本间的差异,从而实现变桨轴承退化状态评估。风电机组变桨轴承全寿命周期加速疲劳实验验证结果表明:该模型能够及时捕捉到变桨轴承的初始退化时刻并且准确跟踪整个退化过程。

虚拟惯量控制对直驱风电机组载荷影响的分析及评估

针对虚拟惯量控制诱发风电机组机械载荷的问题,开展虚拟惯量控制对采用直驱永磁同步发电机(D-PMSG)的风电机组载荷影响的理论分析和仿真评估研究。从叶片、塔筒等机械结构低阶模态出发,建立虚拟惯量控制下D-PMSG线性化多体动力学模型,并通过线性化多体动力学模型分析虚拟惯量控制对机组载荷的影响机理。采用软件联合建模方法,构建涵盖永磁同步电机及其控制、电网、机械和气动特性等的D-PMSG非线性机电耦合模型。依据冲击载荷最大值、最大变化幅度百分比及等值疲劳载荷等指标,通过所建立的非线性机电耦合模型仿真分析并量化评估虚拟惯量控制对机组冲击载荷和动态疲劳载荷的影响。结果表明,D-PMSG附加虚拟惯量控制后,电网侧频率突变会使得传动轴和塔底侧向出现显著冲击载荷,且其随虚拟惯量时间常数增大而增大,在湍流风运行工况下机组传动轴和塔底侧向等值疲劳载荷较无附加虚拟惯量控制均有所减小。

倾覆力耦合的大兆瓦风机主轴-齿轮箱法兰结构疲劳寿命研究

大兆瓦风机主轴-齿轮箱法兰连接受倾覆力及其他交变载荷的作用,极易产生疲劳破坏。文中建立了考虑倾覆力耦合作用的法兰连接有限元数值模型,分析了特定工况下法兰连接各部件应力场分布规律;通过GH-Bladed获得主轴实际转矩变化数据,根据雨流计数法计算得到了主轴和螺栓多种工况下载荷-时间历程曲线,基于Brown-Miller准则并结合材料的S-N曲线,使用FE-SAFE给出了不同预紧力条件下主轴和螺栓的疲劳寿命,疲劳分析结果表明:随着预紧力的减小,主轴的疲劳寿命大于螺栓的,螺栓在风机运行过程中更容易发生疲劳破坏。基于VDI2230规范,结合法兰界面涂层增摩工艺,得到了法兰界面摩擦因数、螺栓预紧力与法兰结构疲劳寿命的理论模型。该研究对于大兆瓦风机主轴-齿轮箱法兰连接结构设计和疲劳寿命提升具有一定的指导意义。

永磁齿轮增速传动系统研究

基于磁场调制式永磁齿轮运行原理,提出了一种新型磁力增速齿轮传动系统,即将多个高转矩密度的磁场调制式永磁齿轮级联起来,使其成为具有过载保护、隔离冲击与振动且无须润滑等优点的高转矩密度的增速传动系统。通过有限元法详细分析了永磁齿轮增速传动系统中各组成部分的损耗产生机理及影响因素,并通过控制变量法对连接模块永磁齿轮的内外永磁体、调磁环、外转子轭铁等结构进行优化,使得整个增速系统效率提高至91.1%。

螺旋扭曲升阻复合型垂直轴风力机气动性能分析

提出了一种新型升阻复合型垂直轴风力机。阻力型风轮是由双层典型的萨沃纽斯型风轮组成,而升力型风轮是由螺旋扭曲一定角度的达里厄NACA0018翼型风轮组成。阻力型风轮在内,升力型风轮在外,二者用传动轴和离合器相连接。在低风速时由阻力型风轮带动升力型风轮旋转,高风速时二者各自旋转,互不影响。首先,基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件对其启动及气动性能进行了仿真,分析了风轮表面的压力和风速分布。然后,分别对复合型风力机和单达里厄型风力机的启动风速和输出功率进行了测量。结果表明:复合型风力机的启动风速要小于单达里厄型的启动风速,而输出功率的差别并不大。最后,探讨了单达里厄风力机不同风速下叶尖速比与转矩系数和风能利用率的关系,确定了在叶尖速比为1.9时可将阻力型风轮和升力型风轮分离,在风速为8 m/s且叶尖速比为3时风力机的风能利用率最高,为40.6%。

一种POA-VMD和自编码器结合的风电机组轴承劣化指标构建及故障诊断方法

针对目前轴承性能劣化指标的构建及故障诊断高度依赖专家经验,限制条件繁多,实际应用情景单一的问题,提出一种鹈鹕优化算法(POA)优化的变分模态分解(VMD)和自编码器结合的风机轴承劣化指标构建及故障诊断方法。首先利用POA-VMD算法将轴承振动信号采用自适应方法分解为K个固有模态分量(IMF),并针对上述分量分别构建K个自编码器;然后以正常状态振动信号的分解结果为训练样本完成自编码器的训练,并以训练完成后模型的输出结果为基础构建轴承劣化指标,借助劣化指标监测轴承早期微弱故障;最后对故障时刻振动信号的IMF分量重构结果进行包络谱分析,确定故障的类型。经实验验证:该方法不仅可以清晰地展现轴承的劣化过程,对早期微弱故障敏感性高,而且在故障发生后可以准确诊断出故障类型。

基于BP-AHP风机状态评估的超短期风电功率动态预测研究

针对传统风电功率预测仅考虑气象因素,且无法计及风电机组真实出力状态导致预测精度较差问题,本文提出一种计及风机状态的超短期风电功率动态预测方法。首先,为能够精确评估风机状态,将BP(error back propagation, BP)算法引入层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的评估结构中,构建BP-AHP风机状态评估模型,实现单台风机状态评估;然后,综合考虑地形及机组排布等因素,将风电场所有风机的状态取均值作为风电场状态,利用皮尔逊相关系数衡量所评估状态与功率之间的相关性以验证评估模型合理性,并采用XGBoost构建计及风机状态的动态预测模型;最后,以陕西地区某风电场实测数据进行算例分析,验证了所提方法的可行性及有效性。

风力发电塔基础预应力锚栓T型法兰连接系统计算方法研究

由于锚固区域基础刚度的影响,风力发电塔基础预应力锚栓组件受力不同于塔筒钢管间锻造法兰连接系统。基于Petersen计算方法的原理,推导出适用于预应力锚栓式风力机基础的计算方法,建立包含锚栓组件在内的单区隔和整体有限元模型研究基础约束刚度的空间效应。通过对单区隔和整体有限元计算所得锚栓拉力的对比发现,基础约束刚度的空间效应可忽略不计;通过对整体有限元模型计算结果和工程算法计算结果的对比,验证了工程算法的精度。

垂直错列布局风力机群尾流特征研究

风力机尾流对风电场的输出功率有着重要影响,为深入研究增设小风力机对风电场整体出力的影响,采用OpenFOAM模拟2个大风力机和2个大风力机之间横向布置的3个小风力机的组合,并以小风力机与下游大风力机之间距离不同的4种工况和其中1种工况下小风力机高度不同为研究对象。该布局在2个大风力机之间增加3个小风力机,每排小风力机与下游大风力机的距离不同。结果表明:经距离不同和高度不同的计算对比,当小风力机高度设置为37 m时,随着与上游大风力机距离的增大,下游大风力机功率逐渐增加;当小风力机距离下游大风力机位置固定,增加小风力机轮毂高度则使得下游大风力机功率降低。