风电机组控制与监测

第一部分 功率变流器系统

第一章 永磁同步变速风电机组的建模和控制

1．1 引言

1．2 永磁同步风电机组电力系统的动态模型

1．2．1 永磁同步发电机组

1．2．2 输电线

1．2．3 变压器

1．2．4 电缆

1．2．5 RL载荷

1．2．6 网侧变流器上的RL-滤波器

1．2．7 电压源型变流器控制器

1．3 无功功率的监控

1．4 案例研究

1．4．1 风速变化

1．4．2 本地载荷变化

1．4．3 无限母线中的压降

1．4．4 故障穿越研究

1．5 结论

1．6 未来工作

附录

第二章 双馈感应发电机组的高阶滑模控制

2．1 介绍

2．2 风电机组建模

2．2．1 风电机组模型

2．2．2 发电机组模型

2．3 双馈感应风电机组的控制

2．3．1 问题描述

2．3．2 高阶滑动模态控制设计

2．3．3 高增益观测器

2．3．4 高阶滑动模态速度观测器

2．4 使用FAST代码的仿真

2．4．1 测试条件

2．4．2 高阶滑模控制性能

2．4．3 高阶滑模控制性能（配有高增益观测器）

2．4．4 无传感器高阶滑模控制性能

2．4．5 高阶滑模控制故障不间断运行性能

2．5 结论

2．6 未来工作

附录

第三章 风力发电系统的最大功率点跟踪控制

3．1 简介

3．2 风电机组模型

3．3 最大功率点跟踪

3．4 风力发电系统模型

3．5 风电并入电网的控制策略

3．5．1 直流侧电压控制器设计

3．5．2 d轴电流控制器设计

3．5．3 q轴电流控制器设计

3．6 仿真

3．6．1 载荷电流的阶跃变化

3．6．2 源电压的阶跃变化

3．7 结论

……

第二部分 控制

第三部分 监测和故障诊断

第四部分 减振

第五部分 研究/教学测试平台2100433B

《风电机组控制与监测/新能源科技译丛》着眼于风电机组的研究工作，对目前先进的风电技术进行了介绍和前瞻性描述。

《风电机组控制与监测/新能源科技译丛》提出了风电控制和监测的新见解、新方法和算法，介绍了计算机建模和仿真工具，还列举了多个示例和研究案例进行讲解。这种理论与实际相结合的方式大大提升了《风电机组控制与监测/新能源科技译丛》内容的实用性。

《风电机组控制与监测/新能源科技译丛》是专为风电机组、风能领域的研究人员和研究生，以及电气、机械和控制工程的专业人士编制的专业书籍，同时希望能够为工程专业的研究生以及本科一年级学生扩充风能系统知识。另外，风电技术工程师也可以捅讨《风电机组控制与监测/新能源科技译丛》获得关于风电机组的新专业知识。

风电机组一般要求服役20 a，风电运营商或者电网调度部门更多关心的是整机安全性、运行可靠性、发电能力、运行状态变化趋势及服役剩余时间等指标，因此，有必要开展整机的综合状态监测方法研究。目前，关于整机的状态方法研究大多是在风电机组数据采集与监视控制（SCADA）系统的运行数据基础上开展，其故障预测3 个方向分别进行综述。

1、基于统计分析的风电机组综合状态监测与评估利用统计分析方法，通过分析大量的风电机组状态监测的各类特征量（功率、风速、转速、温度、振动等）离线运行数据，提取某些有规律的指标，与出厂设计标准值进行对比，或通过多个机组之间的比较，达到对风电机组整机状态监测的目的。

目前，对功率运行数据进行统计分析研究较多，例如2 台1.5 MW 风电机组功率曲线如图2 所示，它是通过获取反映机组运行性能的实测风速、功率等数据，采用Bin 方法对数据进行统计处理后获得2 台机组的功率曲线。通过2 台机组的功率曲线、风能利用曲线及其标准差值，对机组的运行性能进行了对比分析和评估。图2（b）所示机组2 的实际功率曲线在低于额定风速以下区间内要比图2（a）机组1 的低一些，而且在高于额定风速时，有部分Bin 区间内功率的标准差偏大，运行状态不太稳定。

上述研究是通过对功率信息进行统计分析来实现整机的状态监测，能否采用其他特征量的统计结果来更好地表征整个风电机组的运行状态，值得深入探索研究。

2、基于多参数融合的风电机组综合状态监测与评估

在该研究方向，大多数研究是在风电SCADA 系统运行数据基础上进行开展的。风电机组SCADA 系统中包括的物理特征量有：角度、压力、温度、速度、机舱振动、电气等，通过分析这些运行数据，可以反映整机的运行状态。

目前，关于风电机组多参数融合的状态监测和评估方法，包括人工神经网络、高斯混合模型参数估计、物元分析、模糊综合评判等。

3、风电机组的故障预测方法

故障预测是指根据系统现在或历史性能状态预测性地诊断部件或系统完成其功能的状态（未来的健康状态），包括确定部件或者系统的剩余寿命或正常工作时间。

故障预测的3 种方法为：基于模型的方法、基于统计可靠性的方法和基于数据驱动的方法。目前，基于模型的风电机组故障预测研究方向比较鲜见，而另外2 个研究方向已出现在相关文献中。

a. 基于统计可靠性的风电机组故障预测研究。

目前，关于已出质保期或服役了较长时间的风电机组，其运行性能下降和各部件劣化度增加，导致可靠度不断降低和平均故障间隔时间MTBF（Mean TimeBetween Failures）逐渐缩短，对于上述方面的故障预测研究比较少见。而对试运行期间风电机组MTBF的预测已有少量文献报道，一般是在假设风电机组可靠性服从某种分布（如Weibull、非齐次泊松等分布）的基础上开展研究。

b. 基于数据驱动的风电机组故障预测研究。

在该部分的研究多集中利用SCADA 数据对风电机组关键部件（如齿轮箱、发电机、主轴等）开展故障预测研究，现有的故障预测方法有支持向量机、ARMA 方法、多元线性回归方法、人工神经网络等方法。

大多数研究的基本思路是通过残差趋势分布来实现故障预测，如图4 所示的故障预测框架，将SCADA 的监测数据作为预测模型的输入，通过所建立如人工神经网络或支持向量机的预测模型获得预测值，进而将实际监测值与预测值结合求取残差，结合利用事先通过专家经验或正态分布等方法确定的残差阈值，通过检测是否超过阈值或通过残差趋势分析实现对故障预测。

随着大功率风电机组安装与并网运行，对其运行可靠性将提出更高的要求，必将促进风电机组状态监测与故障诊断技术进一步发展。风电机组整机状态评估和故障预测方法以及其关键部件故障诊断的研究现状进行综述，综合分析了现有的风电机组状态监测与故障诊断技术研究现状和存在的不足，提出以下研究要点及趋势。

（1） 对于地处偏远、交通不便的陆地风电机组和受复杂运行环境约束的海上风电机组往往存在故障诊断难、维修时间长等问题。通过对风电机组故障统计情况分析可知，除了对导致停机时间长的机械系统等部件关注的同时，还应对故障频率高的电气部件引起高度重视，如变流器、变桨系统等，对电气系统的在线监测和故障诊断技术研究可能是今后的发展趋势之一。

（2） 受随机风速大小和风向随机变化影响，风电机组SCADA 等监测信息呈现出频繁的波动性和不确定性，基于数据挖掘的整机综合状态评估和故障预测可能是今后的研究趋势。如，应用数据挖掘技术，考虑原始运行数据波动性和间歇性，探索基于监测数据的风电机组整机运行状态渐变规律的新方法，制定出整机长期和短期状态趋势变化的定量指标。

另外，还可以考虑监测数据不同时间尺度固有特点，研究基于数据驱动方法的整机故障预测方法，获取整机的在线运行状态和剩余运行时间。

（3） 从风电机组关键部件的故障诊断研究现状分析情况可知，现有的方法各有优缺点和局限性，如何准确地从监测数据中提取故障特征以提高故障诊断的精确度，研究多类故障诊断技术将可能是今后的研究热点。近期可能的研究趋势如下。

① 基于电气特征量的关键部件状态监测和故障诊断研究。风电机组是一个机电耦合较强系统，任何机械和电气故障势必会在电气特征量中有所反映，如当齿轮箱齿轮、各部件的轴承损坏，发电机定子和转子的匝间短路和相间短路等故障发生时，会不同程度地引起发电机转轴振动，进一步改变气隙分布情况，进而将故障特征信息叠加在定子和转子的电气特征量上。如何基于电气特征量，寻求各类故障的机理和演化规律，特别是揭示异常的根源，实现有效故障诊断需进一步深入研究。

② 多参数信息融合的关键部件状态监测和故障诊断研究。目前，单一参数信息含量有限或者故障特征提取较难，很难准确反映关键部件的异常状态，特别是早期的潜在故障。

可考虑充分利用多类型参数信息，依据某种方法实现时空冗余和互补信息融合，获取更为准确关键部件状态监测和故障诊断结果，如行星轮的通过效应或行星架和太阳轮的旋转对啮合振动产生额外的调幅作用，导致横向振动信号的频谱结构非常复杂，需借助于复杂的故障特征提取方法实现对故障频率的提取，而扭转振动信号不受这些额外的调幅效应影响，使得频谱结构更加简单，但是扭振振动信号还可能受测量误差和噪声干扰等影响，提取的故障特征准确性会受到影响。

然而，对这2 类特征量的监测信息，采用基于信息融合的故障特征提取方法，可能会获得更准确的故障诊断结果。

③ 基于老化失效过程的关键部件状态评估和故障预测研究。受随机风速大小和风向随机变化影响，电气系统老化失效过程存在不确定性和难预测性，有必要开展基于老化失效过程的电气部件状态评估和故障预测研究，如探索关键部件在运行过程的不同阶段的磨损、老化和失效过程的一般规律，研究关键部件状态评估和故障预测方法，如变流器功率器件作为整个系统中故障发生率高且较为脆弱的部件之一，在掌握其不同运行阶段的磨损、老化和失效过程的一般规律基础上，考虑变流器功率器件的应力分布、疲劳积累，以及在非平稳工况导致的功率器件结温大幅度波动等因素，从状态监测角度研究出适合功率器件在线状态评估、运行可靠性以及故障预测建模的新方法。 2100433B

本教材系统讲解了安全监测与控制系统的法律规定、矿用传感器、地面控制中心、井下监控分站和通信信道等安全监测职业技能知识，同时介绍了几种煤矿使用比较普遍的安全监测与控制系统。

由于安全监测与控制领域自身的特点，教材在框架构建时决定采用与之相适应的模块化结构，根据学生的认知规律和矿山监测与控制职业能力的养成规律对模块进行了排序。为了便于学员总结、提炼知识，根据各个模块的