風(fēng)電機組控制與監(jiān)測

第一部分 功率變流器系統(tǒng)

第一章 永磁同步變速風(fēng)電機組的建模和控制

1．1 引言

1．2 永磁同步風(fēng)電機組電力系統(tǒng)的動態(tài)模型

1．2．1 永磁同步發(fā)電機組

1．2．2 輸電線

1．2．3 變壓器

1．2．4 電纜

1．2．5 RL載荷

1．2．6 網(wǎng)側(cè)變流器上的RL-濾波器

1．2．7 電壓源型變流器控制器

1．3 無功功率的監(jiān)控

1．4 案例研究

1．4．1 風(fēng)速變化

1．4．2 本地載荷變化

1．4．3 無限母線中的壓降

1．4．4 故障穿越研究

1．5 結(jié)論

1．6 未來工作

附錄

第二章 雙饋感應(yīng)發(fā)電機組的高階滑?？刂?

2．1 介紹

2．2 風(fēng)電機組建模

2．2．1 風(fēng)電機組模型

2．2．2 發(fā)電機組模型

2．3 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組的控制

2．3．1 問題描述

2．3．2 高階滑動模態(tài)控制設(shè)計

2．3．3 高增益觀測器

2．3．4 高階滑動模態(tài)速度觀測器

2．4 使用FAST代碼的仿真

2．4．1 測試條件

2．4．2 高階滑模控制性能

2．4．3 高階滑?？刂菩阅埽ㄅ溆懈咴鲆嬗^測器）

2．4．4 無傳感器高階滑?？刂菩阅?

2．4．5 高階滑模控制故障不間斷運行性能

2．5 結(jié)論

2．6 未來工作

附錄

第三章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制

3．1 簡介

3．2 風(fēng)電機組模型

3．3 最大功率點跟蹤

3．4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

3．5 風(fēng)電并入電網(wǎng)的控制策略

3．5．1 直流側(cè)電壓控制器設(shè)計

3．5．2 d軸電流控制器設(shè)計

3．5．3 q軸電流控制器設(shè)計

3．6 仿真

3．6．1 載荷電流的階躍變化

3．6．2 源電壓的階躍變化

3．7 結(jié)論

……

第二部分 控制

第三部分 監(jiān)測和故障診斷

第四部分 減振

第五部分 研究/教學(xué)測試平臺2100433B

《風(fēng)電機組控制與監(jiān)測/新能源科技譯叢》著眼于風(fēng)電機組的研究工作，對目前先進的風(fēng)電技術(shù)進行了介紹和前瞻性描述。

《風(fēng)電機組控制與監(jiān)測/新能源科技譯叢》提出了風(fēng)電控制和監(jiān)測的新見解、新方法和算法，介紹了計算機建模和仿真工具，還列舉了多個示例和研究案例進行講解。這種理論與實際相結(jié)合的方式大大提升了《風(fēng)電機組控制與監(jiān)測/新能源科技譯叢》內(nèi)容的實用性。

《風(fēng)電機組控制與監(jiān)測/新能源科技譯叢》是專為風(fēng)電機組、風(fēng)能領(lǐng)域的研究人員和研究生，以及電氣、機械和控制工程的專業(yè)人士編制的專業(yè)書籍，同時希望能夠為工程專業(yè)的研究生以及本科一年級學(xué)生擴充風(fēng)能系統(tǒng)知識。另外，風(fēng)電技術(shù)工程師也可以捅討《風(fēng)電機組控制與監(jiān)測/新能源科技譯叢》獲得關(guān)于風(fēng)電機組的新專業(yè)知識。

風(fēng)電機組一般要求服役20 a，風(fēng)電運營商或者電網(wǎng)調(diào)度部門更多關(guān)心的是整機安全性、運行可靠性、發(fā)電能力、運行狀態(tài)變化趨勢及服役剩余時間等指標(biāo)，因此，有必要開展整機的綜合狀態(tài)監(jiān)測方法研究。目前，關(guān)于整機的狀態(tài)方法研究大多是在風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開展，其故障預(yù)測3 個方向分別進行綜述。

1、基于統(tǒng)計分析的風(fēng)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測與評估利用統(tǒng)計分析方法，通過分析大量的風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測的各類特征量（功率、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、溫度、振動等）離線運行數(shù)據(jù)，提取某些有規(guī)律的指標(biāo)，與出廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，或通過多個機組之間的比較，達到對風(fēng)電機組整機狀態(tài)監(jiān)測的目的。

目前，對功率運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析研究較多，例如2 臺1.5 MW 風(fēng)電機組功率曲線如圖2 所示，它是通過獲取反映機組運行性能的實測風(fēng)速、功率等數(shù)據(jù)，采用Bin 方法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理后獲得2 臺機組的功率曲線。通過2 臺機組的功率曲線、風(fēng)能利用曲線及其標(biāo)準(zhǔn)差值，對機組的運行性能進行了對比分析和評估。圖2（b）所示機組2 的實際功率曲線在低于額定風(fēng)速以下區(qū)間內(nèi)要比圖2（a）機組1 的低一些，而且在高于額定風(fēng)速時，有部分Bin 區(qū)間內(nèi)功率的標(biāo)準(zhǔn)差偏大，運行狀態(tài)不太穩(wěn)定。

上述研究是通過對功率信息進行統(tǒng)計分析來實現(xiàn)整機的狀態(tài)監(jiān)測，能否采用其他特征量的統(tǒng)計結(jié)果來更好地表征整個風(fēng)電機組的運行狀態(tài)，值得深入探索研究。

2、基于多參數(shù)融合的風(fēng)電機組綜合狀態(tài)監(jiān)測與評估

在該研究方向，大多數(shù)研究是在風(fēng)電SCADA 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行開展的。風(fēng)電機組SCADA 系統(tǒng)中包括的物理特征量有：角度、壓力、溫度、速度、機艙振動、電氣等，通過分析這些運行數(shù)據(jù)，可以反映整機的運行狀態(tài)。

目前，關(guān)于風(fēng)電機組多參數(shù)融合的狀態(tài)監(jiān)測和評估方法，包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高斯混合模型參數(shù)估計、物元分析、模糊綜合評判等。

3、風(fēng)電機組的故障預(yù)測方法

故障預(yù)測是指根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)在或歷史性能狀態(tài)預(yù)測性地診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)（未來的健康狀態(tài)），包括確定部件或者系統(tǒng)的剩余壽命或正常工作時間。

故障預(yù)測的3 種方法為：基于模型的方法、基于統(tǒng)計可靠性的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。目前，基于模型的風(fēng)電機組故障預(yù)測研究方向比較鮮見，而另外2 個研究方向已出現(xiàn)在相關(guān)文獻中。

a. 基于統(tǒng)計可靠性的風(fēng)電機組故障預(yù)測研究。

目前，關(guān)于已出質(zhì)保期或服役了較長時間的風(fēng)電機組，其運行性能下降和各部件劣化度增加，導(dǎo)致可靠度不斷降低和平均故障間隔時間MTBF（Mean TimeBetween Failures）逐漸縮短，對于上述方面的故障預(yù)測研究比較少見。而對試運行期間風(fēng)電機組MTBF的預(yù)測已有少量文獻報道，一般是在假設(shè)風(fēng)電機組可靠性服從某種分布（如Weibull、非齊次泊松等分布）的基礎(chǔ)上開展研究。

b. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風(fēng)電機組故障預(yù)測研究。

在該部分的研究多集中利用SCADA 數(shù)據(jù)對風(fēng)電機組關(guān)鍵部件（如齒輪箱、發(fā)電機、主軸等）開展故障預(yù)測研究，現(xiàn)有的故障預(yù)測方法有支持向量機、ARMA 方法、多元線性回歸方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。

大多數(shù)研究的基本思路是通過殘差趨勢分布來實現(xiàn)故障預(yù)測，如圖4 所示的故障預(yù)測框架，將SCADA 的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為預(yù)測模型的輸入，通過所建立如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機的預(yù)測模型獲得預(yù)測值，進而將實際監(jiān)測值與預(yù)測值結(jié)合求取殘差，結(jié)合利用事先通過專家經(jīng)驗或正態(tài)分布等方法確定的殘差閾值，通過檢測是否超過閾值或通過殘差趨勢分析實現(xiàn)對故障預(yù)測。

隨著大功率風(fēng)電機組安裝與并網(wǎng)運行，對其運行可靠性將提出更高的要求，必將促進風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)進一步發(fā)展。風(fēng)電機組整機狀態(tài)評估和故障預(yù)測方法以及其關(guān)鍵部件故障診斷的研究現(xiàn)狀進行綜述，綜合分析了現(xiàn)有的風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀和存在的不足，提出以下研究要點及趨勢。

（1） 對于地處偏遠、交通不便的陸地風(fēng)電機組和受復(fù)雜運行環(huán)境約束的海上風(fēng)電機組往往存在故障診斷難、維修時間長等問題。通過對風(fēng)電機組故障統(tǒng)計情況分析可知，除了對導(dǎo)致停機時間長的機械系統(tǒng)等部件關(guān)注的同時，還應(yīng)對故障頻率高的電氣部件引起高度重視，如變流器、變槳系統(tǒng)等，對電氣系統(tǒng)的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)研究可能是今后的發(fā)展趨勢之一。

（2） 受隨機風(fēng)速大小和風(fēng)向隨機變化影響，風(fēng)電機組SCADA 等監(jiān)測信息呈現(xiàn)出頻繁的波動性和不確定性，基于數(shù)據(jù)挖掘的整機綜合狀態(tài)評估和故障預(yù)測可能是今后的研究趨勢。如，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，考慮原始運行數(shù)據(jù)波動性和間歇性，探索基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的風(fēng)電機組整機運行狀態(tài)漸變規(guī)律的新方法，制定出整機長期和短期狀態(tài)趨勢變化的定量指標(biāo)。

另外，還可以考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)不同時間尺度固有特點，研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的整機故障預(yù)測方法，獲取整機的在線運行狀態(tài)和剩余運行時間。

（3） 從風(fēng)電機組關(guān)鍵部件的故障診斷研究現(xiàn)狀分析情況可知，現(xiàn)有的方法各有優(yōu)缺點和局限性，如何準(zhǔn)確地從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取故障特征以提高故障診斷的精確度，研究多類故障診斷技術(shù)將可能是今后的研究熱點。近期可能的研究趨勢如下。

① 基于電氣特征量的關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究。風(fēng)電機組是一個機電耦合較強系統(tǒng)，任何機械和電氣故障勢必會在電氣特征量中有所反映，如當(dāng)齒輪箱齒輪、各部件的軸承損壞，發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的匝間短路和相間短路等故障發(fā)生時，會不同程度地引起發(fā)電機轉(zhuǎn)軸振動，進一步改變氣隙分布情況，進而將故障特征信息疊加在定子和轉(zhuǎn)子的電氣特征量上。如何基于電氣特征量，尋求各類故障的機理和演化規(guī)律，特別是揭示異常的根源，實現(xiàn)有效故障診斷需進一步深入研究。

② 多參數(shù)信息融合的關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究。目前，單一參數(shù)信息含量有限或者故障特征提取較難，很難準(zhǔn)確反映關(guān)鍵部件的異常狀態(tài)，特別是早期的潛在故障。

可考慮充分利用多類型參數(shù)信息，依據(jù)某種方法實現(xiàn)時空冗余和互補信息融合，獲取更為準(zhǔn)確關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷結(jié)果，如行星輪的通過效應(yīng)或行星架和太陽輪的旋轉(zhuǎn)對嚙合振動產(chǎn)生額外的調(diào)幅作用，導(dǎo)致橫向振動信號的頻譜結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需借助于復(fù)雜的故障特征提取方法實現(xiàn)對故障頻率的提取，而扭轉(zhuǎn)振動信號不受這些額外的調(diào)幅效應(yīng)影響，使得頻譜結(jié)構(gòu)更加簡單，但是扭振振動信號還可能受測量誤差和噪聲干擾等影響，提取的故障特征準(zhǔn)確性會受到影響。

然而，對這2 類特征量的監(jiān)測信息，采用基于信息融合的故障特征提取方法，可能會獲得更準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。

③ 基于老化失效過程的關(guān)鍵部件狀態(tài)評估和故障預(yù)測研究。受隨機風(fēng)速大小和風(fēng)向隨機變化影響，電氣系統(tǒng)老化失效過程存在不確定性和難預(yù)測性，有必要開展基于老化失效過程的電氣部件狀態(tài)評估和故障預(yù)測研究，如探索關(guān)鍵部件在運行過程的不同階段的磨損、老化和失效過程的一般規(guī)律，研究關(guān)鍵部件狀態(tài)評估和故障預(yù)測方法，如變流器功率器件作為整個系統(tǒng)中故障發(fā)生率高且較為脆弱的部件之一，在掌握其不同運行階段的磨損、老化和失效過程的一般規(guī)律基礎(chǔ)上，考慮變流器功率器件的應(yīng)力分布、疲勞積累，以及在非平穩(wěn)工況導(dǎo)致的功率器件結(jié)溫大幅度波動等因素，從狀態(tài)監(jiān)測角度研究出適合功率器件在線狀態(tài)評估、運行可靠性以及故障預(yù)測建模的新方法。 2100433B

本教材系統(tǒng)講解了安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)的法律規(guī)定、礦用傳感器、地面控制中心、井下監(jiān)控分站和通信信道等安全監(jiān)測職業(yè)技能知識，同時介紹了幾種煤礦使用比較普遍的安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

由于安全監(jiān)測與控制領(lǐng)域自身的特點，教材在框架構(gòu)建時決定采用與之相適應(yīng)的模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律和礦山監(jiān)測與控制職業(yè)能力的養(yǎng)成規(guī)律對模塊進行了排序。為了便于學(xué)員總結(jié)、提煉知識，根據(jù)各個模塊的