本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種用于對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)故障進行判斷和保護的電弧檢測裝置以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著對可再生能源的關(guān)注和需求與日俱增，風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電領(lǐng)域中所占的比重越來越大。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(dfig)是目前網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機主流機型之一，滑環(huán)和電刷是發(fā)電機運行過程中極易出現(xiàn)問題的組成部分之一，極小的故障都會引起較大的事故。通過對并網(wǎng)期間雙饋風(fēng)力發(fā)電機故障統(tǒng)計分析，可知滑環(huán)系統(tǒng)故障占雙饋風(fēng)力發(fā)電機總故障的20％以上，嚴重制約著雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)常會因電刷滑環(huán)系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)電機勵磁失敗，阻礙功率傳遞，燒毀勵磁系統(tǒng)，造成機組解裂等嚴重故障。目前常用的故障監(jiān)測方法有：(1)觀察電刷滑環(huán)系統(tǒng)的溫度場；(2)基于機械滑環(huán)故障后的機械振動變化進行檢測；(3)基于hht方法的燒傷故障檢測。但是，常用的故障監(jiān)測方法主要有以下幾點缺陷：(1)造價較高；(2)算法復(fù)雜，穩(wěn)定性較差；(3)安裝要求高；(4)容易受干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種成本低、判斷準(zhǔn)確、不易受干擾的用于對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)故障進行判斷和保護的電弧檢測裝置以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)。

本發(fā)明提供了一種電弧檢測裝置，用于對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)進行電弧檢測，從而對電刷滑環(huán)的故障進行判斷并保護電刷滑環(huán)，其特征在于，包括：第一電弧檢測單元，包括：三個互感器，對應(yīng)地與三條電刷滑環(huán)的支路連接，用于采集三條電刷滑環(huán)的支路上的電壓信號或電流信號；以及三個濾波放大電路，其輸入端對應(yīng)地與三個互感器的輸出端連接，用于對電壓信號或電流信號進行濾波和放大；第二電弧檢測單元，包括：hilbert分形天線，以預(yù)定距離固定放置在電刷滑環(huán)一側(cè)，用于檢測和采集電刷和滑環(huán)間電流的電磁輻射信號；放大電路，其輸入端與hilbert分形天線的輸出端相連，用于將hilbert分形天線采集的電磁輻射信號進行放大；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸入端與放大電路的輸出端連接，用于將hilbert分形天線采集的電磁輻射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；以及數(shù)字信號處理器，分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和三個濾波放大電路的輸出端連接，其中，濾波放大電路包括依次相連的電壓跟隨器、有源高通濾波器、有源低通濾波器以及運算放大器。

在本發(fā)明提供的電弧檢測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，互感器為電壓互感器或電流互感器。

在本發(fā)明提供的電弧檢測裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，預(yù)定距離為10～150mm。

本發(fā)明還提供了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)，其特征在于，包括電弧檢測裝置，用于對電刷滑環(huán)進行電弧檢測并產(chǎn)生電弧參數(shù)；通訊模塊，與電弧檢測裝置的輸出端相連，用于將電弧檢測裝置產(chǎn)生的電弧參數(shù)發(fā)送至上位機；以及兩個脫扣裝置，分別與電弧檢測裝置連接，用于控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機運轉(zhuǎn)。

在本發(fā)明提供的雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征，其中：電弧參數(shù)包括電弧的次數(shù)、頻度、持續(xù)時間以及強度。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明所涉及的電弧檢測裝置以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)，因為第一電弧檢測單元以及第二電弧檢測單元能夠分別分析各自的信號特征，數(shù)字信號處理器能夠通過第一電弧檢測單元和第二電弧檢測單元各自不同的信號特點進行分析和判斷電刷和滑環(huán)間是否有電弧產(chǎn)生，并相互驗證，當(dāng)有電弧產(chǎn)生時，數(shù)字信號處理器通過通訊模塊將產(chǎn)生的電弧的一系列參數(shù)發(fā)送給上位機并在用戶后臺進行數(shù)據(jù)存儲和特性分析。與此同時，數(shù)字信號處理器根據(jù)滑環(huán)損耗模型綜合判斷滑環(huán)系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。若數(shù)字信號處理器判斷滑環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了故障，則立即啟動脫扣裝置，使發(fā)電機處于獨立斷電狀態(tài)。所以本發(fā)明的電弧檢測裝置以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)具有成本低、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定和無需破壞原雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點，能夠有效保障雙饋風(fēng)力發(fā)電機的安全運行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例中雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)中功能模塊連接示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例中濾波放大器的電路示意圖；以及

圖3是本發(fā)明的實施例中雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)的工作流程示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)作具體闡述。

圖1是本發(fā)明的實施例中雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)的功能模塊連接示意圖。

如圖1所示，雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)100用來對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)的故障進行判斷并保護電刷滑環(huán)，從而保證雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常運行，它包括電弧檢測裝置10、通訊模塊107以及兩個脫扣裝置108。在本實施例中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)采用的是三相交流電接通。此外還可以采用單相交流電。

電弧檢測裝置10包括第一電弧檢測單元(未標(biāo)出)、第二電弧檢測單元(未標(biāo)出)以及數(shù)字信號處理器106。

第一電弧檢測單元包括三個互感器101以及三個濾波放大電路102。圖1中只畫出一個互感器101和一個濾波放大電路，對另外兩個進行了省略。

三個互感器101分別與三條電刷滑環(huán)的支路相連接，它用來采集三條電刷滑環(huán)的支路上的電壓信號或電流信號。三個互感器101可以采用電壓互感器或電流互感器，在本實施例中，三個互感器101均為電壓互感器101。

圖2是本發(fā)明的實施例中濾波放大器的電路示意圖。

如圖1、2所示，三個濾波放大電路102的輸入端對應(yīng)地與三個互感器101的二次繞組相連接，用來對電壓信號進行濾波和放大?，F(xiàn)以其中一個濾波放大電路102進行詳細說明，省略另外兩個濾波放大電路102的說明。濾波放大電路102包括電壓跟隨器111、有源高通濾波器112、有源低通濾波器113以及運算放大器114。

電壓跟隨器111的輸入端和電壓互感器101的二次側(cè)繞組相連，用于對電壓信號進行信號隔離和改善阻抗特性。

有源高通濾波器112的輸入端和電壓跟隨器111的輸出端相連，用于對電壓信號進行高通濾波，濾除信號中不需要的低頻段部分。

有源低通濾波器113的輸入端和有源高通濾波器112的輸出端相連，用于對電壓信號進行低通濾波，濾除信號中不需要的高頻段部分。有源高通濾波器112和有源低通濾波器113共同組成帶通濾波器，保留電壓信號中需要的特定頻段。

運算放大器114的輸入端和有源低通濾波器113的輸出端相連，用于對濾波后的電壓信號進行適當(dāng)放大。

第二電弧檢測單元包括hilbert分形天線103、放大電路104以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器105。

hilbert分形天線103以10mm～150mm的預(yù)定距離固定放置在電刷滑環(huán)的右側(cè)，靠近電刷滑環(huán)最容易產(chǎn)生電弧處，它用來檢測和采集電刷和滑環(huán)間電流的電磁輻射信號。在本實施例中，預(yù)定距離為20mm，預(yù)定距離可以根據(jù)需要進行調(diào)整。

放大電路104的輸入端與hilbert分形天線103的輸出端相連接，用于將hilbert分形天線103采集的電磁輻射信號進行放大。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器105的輸入端與放大電路104的輸出端連接，用于將hilbert分形天線103采集的并經(jīng)過放大電路104放大的電磁輻射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

數(shù)字信號處理器106具有兩個輸入端和三個輸出端，兩個輸入端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器105和運算放大器114的輸出端兩連接，用于處理兩個電弧檢測單元所發(fā)送的信號，判斷是否有電弧產(chǎn)生并發(fā)出相應(yīng)指令。對于第一電弧檢測單元，數(shù)字信號處理器106的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳(當(dāng)需要提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度時，可以外擴高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端接至數(shù)字信號處理器的數(shù)字i/o引腳)與濾波放大電路102的輸出端相連，利用數(shù)字信號處理器106的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能把經(jīng)濾波和放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進行快速傅里葉變換得到電刷滑環(huán)上交流電壓信號的頻譜，并進行頻譜分析，檢測電刷滑環(huán)上特定頻段噪聲(由于放電現(xiàn)象的發(fā)生，在特定頻段上會引入電壓噪聲信號)的振幅，最后將檢測結(jié)果進行模式識別，進而判斷是否有電弧的產(chǎn)生。對于第二電弧檢測單元，數(shù)字信號處理器106的數(shù)字i/o引腳與模數(shù)轉(zhuǎn)換器105的輸出端相連，數(shù)字信號處理器對轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電磁輻射信號進行快速傅里葉變換得到其頻譜，并進行頻譜分析，檢測電磁輻射信號在特定頻段的幅值，將檢測結(jié)果進行相應(yīng)的模式識別，進而判斷是否有電弧產(chǎn)生。第一電弧檢測單元和第二電弧檢測單元同時工作，彼此結(jié)果相互驗證，當(dāng)數(shù)字信號處理器106采信任一電弧檢測單元輸出的信號，判斷雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷和滑環(huán)間有電弧產(chǎn)生時，數(shù)字信號處理器106便會根據(jù)由產(chǎn)生電弧的次數(shù)、頻度、持續(xù)時間和強度建立的滑環(huán)系統(tǒng)損耗模型綜合判斷滑環(huán)系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。

通訊模塊107的輸入端與數(shù)字信號處理器106的輸出端相連，用于將電弧檢測裝置10產(chǎn)生的電弧參數(shù)發(fā)送至上位機，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷和滑環(huán)間有電弧產(chǎn)生時，數(shù)字信號處理器106通過通訊模塊107采用串行通訊或無線通訊的方式將電刷滑環(huán)間產(chǎn)生的電弧的一系列參數(shù)發(fā)送給上位機并在用戶后臺進行數(shù)據(jù)存儲和特性分析。

兩個脫扣裝置108分別和數(shù)字信號處理器106的兩個輸出端連接，它采用斷路器實現(xiàn)雙饋風(fēng)力機的電路連通和斷開，受數(shù)字信號處理器106的控制。當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常工作時，脫扣裝置關(guān)閉，電路連通。若數(shù)字信號處理器106根據(jù)滑環(huán)系統(tǒng)損耗模型綜合判斷滑環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了故障則立即啟動脫扣裝置108，即斷開雙饋風(fēng)力發(fā)電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和交流電網(wǎng)的連接，使發(fā)電機處于獨立斷電狀態(tài)，避免發(fā)電機受到進一步的損害。

圖3是本發(fā)明的實施例中雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)的工作流程示意圖。

本實施例的雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)100的工作過程和原理如下：

當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機開始穩(wěn)定工作時，兩個不同的電弧檢測單元同時開始工作，對于第一路電弧檢測單元，電壓互感器101實時采集每組電刷滑環(huán)支路上的電壓信號，將采集到的電壓信號輸入濾波放大電路102中，濾波放大電路102對電壓信號進行濾波和放大，只保留特定頻段的電壓信號。濾波放大電路102的輸出端將處理后的電壓信號輸入到數(shù)字信號處理器106的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳(當(dāng)需要提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度時，可以外擴高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果接至數(shù)字信號處理器的數(shù)字i/o引腳)，數(shù)字信號處理器106通過模數(shù)轉(zhuǎn)換功能對電壓/電流信號進行采樣，為了保證等時間間距采樣，數(shù)字信號處理器106采用定時器去觸發(fā)adc采樣，在采樣期間，程序一直查詢adc轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，轉(zhuǎn)換完成一次后將數(shù)據(jù)保存到ram中，清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位接著下一個循環(huán)，直到采樣完成規(guī)定長度的點數(shù)為止。然后數(shù)字信號處理器106將采樣到的數(shù)字量進行快速傅里葉變換處理得到電壓信號的頻譜，最后數(shù)字信號處理器106對頻譜進行分析，檢測特定頻段噪聲的振幅，將檢測結(jié)果進行模式識別，進而判斷是否有電弧產(chǎn)生。

對于第二路電弧檢測單元，hilbert分形天線103實時采集電刷和滑環(huán)間電流的電磁輻射信號，將采集到的電磁輻射信號輸入放大電路104進行適當(dāng)放大后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器105中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器105將適當(dāng)放大后的電磁輻射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號通過數(shù)字i/o引腳輸入到數(shù)字信號處理器106中。數(shù)字信號處理器106對轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電磁輻射信號進行快速傅里葉變換得到其頻譜，并進行頻譜分析，檢測電磁輻射信號在特定頻段的幅值，將檢測結(jié)果進行相應(yīng)的模式識別，進而判斷是否有電弧產(chǎn)生。

當(dāng)數(shù)字信號處理器106采信任一電弧檢測單元輸出的信號，判斷雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷和滑環(huán)間有電弧產(chǎn)生時，數(shù)字信號處理器106通過通訊模塊107將電弧的一系列參數(shù)發(fā)送給上位機并在用戶后臺進行數(shù)據(jù)存儲和特性分析。與此同時，數(shù)字信號處理器106會根據(jù)滑環(huán)損耗模型(主要評估參數(shù)包括電弧發(fā)生的次數(shù)、頻度、持續(xù)時間和強度等)綜合判斷滑環(huán)系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。若數(shù)字信號處理器106判斷滑環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了故障，則立即啟動脫扣裝置108，斷開雙饋風(fēng)力發(fā)電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和交流電網(wǎng)的連接，使發(fā)電機處于獨立斷電狀態(tài)，從而實現(xiàn)保護雙饋風(fēng)力發(fā)電機的安全運行，避免雙饋風(fēng)力發(fā)電機受到進一步的損害。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例所涉及的電弧檢測裝置以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)，因為第一電弧檢測單元以及第二電弧檢測單元能夠分別分析各自的信號特征，數(shù)字信號處理器能夠通過第一電弧檢測單元和第二電弧檢測單元各自不同的信號特點進行分析和判斷電刷和滑環(huán)間是否有電弧產(chǎn)生，并相互驗證，當(dāng)有電弧產(chǎn)生時，數(shù)字信號處理器通過通訊模塊將產(chǎn)生的電弧的一系列參數(shù)發(fā)送給上位機并在用戶后臺進行數(shù)據(jù)存儲和特性分析。與此同時，數(shù)字信號處理器根據(jù)滑環(huán)損耗模型綜合判斷滑環(huán)系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。若數(shù)字信號處理器判斷滑環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了故障，則立即啟動脫扣裝置，使發(fā)電機處于獨立斷電狀態(tài)。所以本實施例的電弧檢測裝置以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)具有成本低、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定和無需破壞原雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點，能夠有效保障雙饋風(fēng)力發(fā)電機的安全運行。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。

此外，本實施例的雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)保護系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)還可以采用直流電機，若該具有直流電機的雙饋風(fēng)力發(fā)電機也具有電刷滑環(huán)系統(tǒng)，則經(jīng)過簡單的物理變形，改變接線方法后的電弧檢測裝置也可以應(yīng)用于系統(tǒng)故障判斷和保護。