CN111226389A

CN111226389A - 监测多绕组组定子

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Publication number: CN111226389A
Application number: CN201880068878.5A
Authority: CN
Inventors: N.M.A.弗赖雷
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: DK3652853T3; CN111226389B; US20210028731A1; WO2019037908A1; EP3652853A1; US11165379B2; EP3652853B1

Abstract

描述了一种在操作期间监测发电机（13）的定子的第一绕组组（15）和至少一个第二绕组组（23）的方法，所述方法包括：获得从所述第一绕组组（15）产生的第一功率（17、19、21）的二次谐波的第一强度（X1、2f）；获得从所述第二绕组组（23）产生的第二功率（25、27、29）的二次谐波的第二强度（X2、2f）；基于所述第一强度（X1、2f）和所述第二强度（X2、2f）之间的二次谐波功率差诊断所述第一绕组组（15）和/或所述第二绕组组（23）。

Description

监测多绕组组定子

技术领域

本发明涉及一种在操作期间监测发电机的定子的第一绕组组和至少一个第二绕组组的方法和装置。此外，本发明涉及一种包括所述装置的发电机，并且还涉及一种包括所述发电机的风力涡轮机。

背景技术

多定子电机包括具有两个或更多组绕组的定子。所述绕组组中的一者或多者可能因数个原因而发生故障。例如，高电阻连接通常可能由松动连接（因不良工艺、热循环和振动或者因点蚀、腐蚀或污染所致的接触表面的损坏）导致，其可能演变为开路故障。此外，可能由于过热和过度振动而造成继发损坏，一些示例是绝缘损坏、铜导体的熔化、短路故障和火灾。因此，考虑此类故障情况的高经济影响，最终导致发电机更换，至关重要的是，将可靠诊断方法并入到转换器/涡轮机控制器中以保护风力涡轮机、并且通常是保护发电机。理想地，一种诊断方法应该能够在不产生错误警报的情况下在早期检测到故障。

用以检测发电机的定子中的高电阻连接的一些常规使用的技术可以基于：借助于红外热成像的目视检查；静止/离线测试（例如电阻测量）；对相电流和/或电压中的负序分量的分析；零序电压；以及高频信号注入。常规上，对定子不对称性的诊断可以集中在对短路匝的检测，从而显示某种程度上类似于高电阻连接的故障特征。

因此，可能需要一种用于监测发电机的定子的第一绕组组和至少一个第二绕组组的方法和装置，其使得能够可靠和在线监测所述绕组组，并且易于执行和实现。

发明内容

此需求可以由根据独立权利要求的主题满足。从属权利要求描述本发明的有利实施例。

本发明的实施例提供一种故障诊断方法，其被配置成用于特别在风力涡轮机中采用的发电机的在线状况监测和保护。本发明的实施例允许检测多定子永磁发电机中的高电阻连接，从而使得转换器控制器能够停止操作或者应用其他措施，例如关闭故障绕组组。本发明的实施例可以检测高电阻连接或短路匝、转换器开路故障、电流传感器故障、电和磁不对称性以及静态偏心率。因此，本发明并不限于检测发电机的定子的一个或多个绕组组的高电阻连接。

根据本发明的一实施例，提供一种在操作期间监测发电机的定子的第一绕组组和至少一个第二绕组组的方法，所述方法包括：获得从第一绕组组产生的第一功率的二次谐波的第一强度；获得从第二绕组组产生的第二功率的二次谐波的第二强度；基于所述第一强度和所述第二强度之间的二次谐波功率差诊断所述第一绕组组和/或所述第二绕组组。

所述方法可以用软件和/或硬件实现，并且可以特别在发电机（特别是风力涡轮发电机）的操作期间执行，例如由风力涡轮机控制器或风力发电站控制器执行。所述第一绕组组和所述至少一个第二绕组组可以特别是多相绕组组，诸如三相绕组组。从而，每一绕组组可以包括多根线，诸如三根线，其缠绕在定子轭的槽中的齿周围。可以应用不同缠绕方案。所述发电机还可以包括相对于定子可旋转地支撑的转子，其中特别是多个永磁体附接在转子处。在转子旋转时，在第一绕组组中和至少一个第二绕组组中感生出电压，从而实现电能的产生。所述方法可以在转子相对于定子旋转时并且在发电机产生电能时实施。

取决于相对于定子旋转的转子的旋转速度，发电机可以在第一绕组组和第二绕组组处输出相应AC功率通量或功率流。从而，第一功率和第二功率由分别承载在第一绕组组和第二绕组组中的电压和电流给出。第一功率以及第二功率可以包括有功功率和/或无功功率。根据本发明的实施例，仅（第一和第二绕组组的）无功功率分量用于诊断或仅有功功率分量用于诊断或有功功率分量和无功功率分量两者都被用于诊断所述第一绕组组和至少一个第二绕组组。

二次谐波可以是（相应绕组组的输出电压和/或输出电流的）振荡，其以两倍于发电机的基本电频率的频率振荡。在不存在劣化或故障的理想情况下，预期所述绕组组中的任一者仅递送基本电频率的功率流，使得二次谐波基本上为零。在相应功率的二次谐波不为零或不小于阈值的情况下，可能已经指示相应绕组组至少部分地发生故障。

二次谐波的第一强度和二次谐波的第二强度可以获得或被定义为具有两倍于基本电频率的频率的振荡的振幅。二次谐波功率差是第一功率的二次谐波的第一强度和第二功率的二次谐波的第二强度之间的差。如果在第一强度和第二强度之间存在偏差，则可能指示所述绕组组中的一者、特别是具有二次谐波的较高强度的一者至少部分地发生故障，诸如表现高电阻连接或松动连接或其他缺陷。

电机的至少一个相中的高电阻连接可能导致额外电压降，从而导致不对称/不平衡端子电压和/或相电流。因此，如果高电阻连接存在于所述绕组组中的一者中，则预期此特定绕组组的电压降高于（健康或未受损）绕组组。尽管事实是大多数大型机器在某种程度上是固有地不平衡的（这将如下文所解释的那样通过施加偏移来考虑），但是可以通过如在本发明的实施例中提出的合适状况监测方法来检测正常操作和故障操作之间的变化。

本发明的实施例可以用于闭环控制***（例如矢量控制驱动器、直接转矩控制驱动器等等），其中电气量中所包含的故障信息可能因为所采用的控制策略和控制器的带宽而并不限于相电流。因此，由于组合了电流和电压中所包含的故障信息，因此瞬时功率的使用似乎是有吸引力的。

本发明的实施例的一个基本原理是监测多定子发电机的所有定子（即，定子绕组）中的有功和无功瞬时功率中的二次谐波，并且出于诊断目的利用不同定子之间的偏差。

通过使用来自多个定子的信息，与常规方法相比，可以提高所述诊断方法的稳健性和灵敏度。特别地，可以提高抵抗瞬变（诸如速度和功率变化）的稳健性。此外，可以避免可能已经在常规方法中因瞬变和固有不对称性引起的错误警报。

特别地，根据本发明的实施例，还可以在低负载条件和低严重性故障下实现故障检测。因此，可以提供一种可靠和稳健诊断方法。

根据本发明的一实施例，所述方法还包括：获得第一功率的第一功率时间平均值；获得第二功率的第二功率时间平均值；其中所述诊断涉及形成功率差比，所述功率差比与所述二次谐波功率差与第一功率时间平均值和第二功率时间平均值的总和、特别是平均值之间的比成比例。

可以通过在特定时间间隔、特别是移动时间间隔内求平均值来获得第一功率时间平均值和第二功率时间平均值。相应功率时间平均值可以与振荡功率通量或功率流的振幅成比例。可以将二次谐波功率差除以第一功率时间平均值和第二功率时间平均值的总和以获得功率差比。当形成此比时，将所述差归一化为两个绕组组的功率输出的平均值，从而适当地使二次谐波功率差与相关功率阶数相关。当考虑所述比用于进一步分析时，阈值可能无需取决于负载，而是可以设置为固定值。在其它实施例中，二次谐波功率差被认为没有形成所述比，但是然后可以将相应阈值设置成取决于负载或功率。形成功率差比可以进一步简化所述方法，并且可以特别简化设置所述阈值。

根据本发明的一实施例，诊断涉及将由功率差比得出的项与差阈值进行比较，其中如果所述项的绝对值大于差阈值，则第一或第二绕组组中的一者被诊断为发生故障。

当所述项的绝对值大时，第一强度和第二强度之间的差大，从而指示所述绕组组中的一者发生故障。所述项可以作为从功率差比移位一偏移量的值而获得。通过如此考虑所述项、而非功率差比，可以考虑到第一绕组组和第二绕组组之间的固有（功率输出）差。从而，例如可以避免或至少减少错误警报。差阈值可以设置成使得在正常条件（即，健康或非故障绕组组）下，所述项的绝对值小于差阈值。例如可以通过在操作期间分析非劣化或非故障绕组组来设置差阈值。当将所述项与差阈值进行比较时，可以执行简单诊断方法。

根据本发明的一实施例，所述项形成为功率差比减去与都在正常状态下的第一绕组组和第二绕组组之间的功率输出的预期差有关的偏移。

从所述功率差比，可以减去偏移以获得所述项。所述偏移可以考虑到功率输出的固有不对称性或第一绕组组和第二绕组组的配置或构成的固有差异。通过施加偏移，可以避免或至少减少错误警报。可以从操作参数（诸如正常健康状况下的电压、电流）确定或者在健康状态下测量所述偏移。所述偏移可以例如是常数或变量。在第二情况下，偏移可以定义为基本功率的函数。例如，预期偏移可以由如下线性函数简单地给出：

，

其中Pdc是DC功率值，Expected_m和Expected_b是拟合参数或预先确定的常数。

可以考虑更复杂的关系，但是所提供的结果显示，可以借助于线性函数获得良好的近似。

根据本发明的一实施例，二次谐波与基本电频率的两倍相关，所述基本电频率与相对于定子旋转的转子的旋转速度成比例。基本电频率可以计算为转子的旋转速度和永磁体的极对数量的乘积。

以Hz为单位的基本电频率f可以由下式给出：

其中n是转子速度（以rpm为单位），并且p是极对数量。

在正常操作条件下，（电压、电流和/或功率）的二次谐波应该基本上为零。

根据本发明的一实施例，所述方法还包括：形成第一功率比，所述第一功率比与第一强度和第一功率时间平均值之间的比成比例；将第一功率比与第一阈值进行比较；形成第二功率比，所述第二功率比与第二强度和第二功率时间平均值之间的比成比例；将第二功率比与第二阈值进行比较；如果发生以下情况，则将所述第一绕组组和第二绕组组诊断为发生故障：第一功率比大于第一阈值，并且第二功率比大于第二阈值，并且所述项的绝对值小于差阈值。

本实施例允许检测其中第一绕组组和第二绕组组两者都发生故障的情况。在此情况下，在其中两个绕组组都表现类似故障的情况下，功率差比可能相对小或甚至接近于零。然而，在此情况下，如果相应功率比大于相应阈值，则也可以检测出两个绕组组都发生故障。从而，再次，第一功率比可以计算为形成第一强度和第一功率时间平均值之间的比以形成第一强度的适当归一化。这可以具有如下优点：第一阈值（其可以特别与第二阈值相同）可以设置为固定值。从而，本发明的实施例允许检测仅所述绕组组中的一者发生故障，并且还允许检测多定子机器的两个绕组组或所有绕组组都发生故障。

根据本发明的一实施例，第一功率和/或第二功率包括有功功率和/或无功功率，其中对于有功功率和/或无功功率，获得所述功率的所述二次谐波的相应强度和/或相应二次谐波功率差和/或相应功率时间平均值和/或相应功率差比并且将其单独地或组合地用于诊断。

本发明的实施例允许排他地考虑有功功率或排他地考虑无功功率或考虑无功功率和功功率的组合来诊断绕组组。公开为应用在“功率”上的上述逻辑操作中的任一者可以排他地应用于有功功率，排他地应用于无功功率或应用于无功功率和功功率两者。针对每一有功功率和无功功率考虑，可以定义适当特定阈值，并且将其应用于所述逻辑操作中以便诊断绕组组。

从而，所述方法是灵活的，并且允许用户根据特定应用选择适当功率分量，即，有功功率分量和/或无功功率分量。

根据本发明的一实施例，差阈值、第一阈值和第二阈值中的至少一者或全部是固定的或取决于负载或功率。

即使将比与相应阈值进行比较，所述阈值也仍然可能是取决于负载、特别是取决于功率。在其它实施例中，相应阈值可以设置为固定值。

根据本发明的一实施例，总共N个绕组组包括在所述定子中，其中诊断所述N个绕组组包括：获得功率差比，所述功率差比与所述N个绕组组中的两者的相应二次谐波功率差和所述N个绕组组中的两者的相应功率时间平均值的总和之间的比成比例；获得N个功率比，这N个功率比与从所述N个绕组组中的一者产生的功率的二次谐波的强度和所述N个绕组组中的一者的功率时间平均值之间的比成比例；将所述功率差比与相应阈值（特别是恰好一个差阈值）进行比较；将所述功率比与相应阈值（特别是恰好一个阈值）进行比较；其中N特别是在2和10之间；以及基于所述比较诊断所述绕组组。

从而，诊断方法可以应用于具有N个绕组组的多定子发电机，其中N为2、3、4、5、6、7、9、10或甚至大于10。从而，所述方法可适用于多种不同类型的多绕组定子。

根据本发明的一实施例，获得第一强度和/或第二强度和/或第一功率时间平均值和/或第二功率时间平均值包括：测量第一绕组组的第一电流、特别是三相电流；和/或测量第二绕组组的第二电流、特别是三相电流；和/或获得第一绕组组的第一电压、特别是三相电压；和/或获得第二绕组组的第二电压、特别是三相电压；和/或从第一电流和第一电压计算第一功率；和/或从第二电流和第二电压计算第二功率。

测量第一电流可以涉及测量相应绕组组的所有输出端子（例如三个输出端子）处的电流。可以测量所述电压或者所述电压可以作为供应到可以耦接到发电机的转换器的参考电压被获得。可以在旋转参考系中和/或在具有基本电频率的同步旋转的静止d、q-参考系中计算第一功率和第二功率。从而，使得技术人员能够执行本发明。

根据本发明的一实施例，所述方法还包括：将使所述二次谐波通过的自适应带通滤波器应用到第一功率，以获得第一强度；和/或将使所述二次谐波通过的自适应带通滤波器应用到第二功率，以获得第二强度。

所述自适应带通滤波器可以具有允许通过二次谐波的通过窗口。由于转子的旋转速度可以在操作期间改变，因此有必要应用具有根据转子的旋转速度改变的自适应带通的自适应带通滤波器。替代性地或另外，可以通过应用相应功率的频率分析（诸如通过傅里叶变换）来获得第一强度或第二强度。从而，可以从所测量的量或参考量容易地计算第一强度和第二强度。

根据本发明的一实施例，所述方法还包括：将第一功率时间平均值计算为第一功率在具有l/2f的窗口大小的移动窗口内的时间平均值，其中f是所述基本电频率；将第二功率时间平均值计算为第二功率在具有l/2f的窗口大小的移动窗口内的时间平均值，其中f是所述基本电频率。

在其他实施例中，窗口大小可以不同于l/2f。第一功率时间平均值还可以称为第一功率的DC值，并且第二功率时间平均值还可以称为第二功率的DC值。从而，提供得出第一和第二功率时间平均值的简单方式。低通滤波器也可以用于获得功率的DC值。

应理解的是，在在操作期间监测发电机的定子的第一绕组组和至少一个第二绕组组的方法的上下文中单独地或按任何组合公开、描述或解释的特征还可以单独地或按任何组合应用于根据本发明的实施例的用于监测发电机的多个绕组组的装置，反之亦然。

根据本发明的一实施例，提供一种用于在操作期间监测发电机的定子的第一绕组组和至少一个第二绕组组的装置，所述装置包括：处理器，所述处理器被配置成：获得从第一绕组组产生的第一功率的二次谐波的第一强度；获得从第二绕组组产生的第二功率的二次谐波的第二强度；基于所述第一强度和所述第二强度之间的二次谐波功率差诊断第一绕组组和/或所述第二绕组组。

所述装置可以特别包括用于获得测量信号的输入端口，所述测量信号是诸如电流测量信号和/或电压测量信号或电压参考信号。然后，所述装置可以适于计算分别由第一和第二绕组组产生的第一功率和第二功率。所述装置可以适于应用变换以将量变换成与基本频率同步旋转的d-q参考系。所述装置还可以包括自适应滤波器，并且被配置成用于计算移动时间平均值。此外，所述装置可以包括逻辑/算术电路***。所述装置可以适于执行如在以上实施例中解释的监测绕组组的方法。

根据本发明的一实施例，提供一种发电机，其包括：具有第一绕组组和至少一个第二绕组组的定子；相对于定子可旋转地支撑的转子；以及根据前述实施例的装置。

此外，提供一种风力涡轮机，其包括根据先前描述的实施例的发电机以及连接到与发电机耦接的转子轴的转子叶片。

必须注意的是，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述获悉，除非另外说明，否则除属于一类主题的特征的任何组合以外，还有关于不同主题的特征之间的任何组合、特别是方法类权利要求的特征和装置类权利要求的特征之间的任何组合也都被认为与此文档一起公开。

本发明的上文所限定的方面和其他方面根据将在下文中描述的实施例的示例而是显而易见的并参考所述实施例的示例进行解释。在下文中将参考实施例的示例更详细描述本发明，但是本发明并不限于此。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的一实施例的风力涡轮机，其包括根据本发明的一实施例的发电机；

图2示出如在本发明的一实施例中考虑的诊断信号的曲线图；

图3示出显示在本发明的一实施例中考虑的诊断信号的曲线图；并且

图4示意性地示出根据本发明的一实施例的监测发电机的绕组组的方法。

具体实施方式

附图中的图解呈示意性形式。应注意的是，在不同图中，类似或相同元件设置有相同附图标记或者设置有仅在第一个数字内不同于对应附图标记的附图标记。

在图1中示意性地示出的风力涡轮机1包括毂3，多个转子叶片5连接在毂3处。毂3连接到旋转轴7，旋转轴7耦接到任选齿轮箱9。也耦接到齿轮箱9的另一端的副轴11耦接到具有两个绕组组定子的发电机13。在第一绕组组15、特别是三个绕组组处，发电机13输出第一功率作为三相电流17、19、21。第二绕组组23输出第二功率25、27、29作为三相电流。由第一绕组组15产生的第一功率17、19、21供应到第一AC-DC-AC转换器31，并且第二功率25、27、29供应到第二AC-DC-AC转换器33。从而，第一转换器31以及第二转换器33包括AC-DC转换器部分35、DC链路37和DC-AC转换器部分39。转换器31、33被配置成用于将可变频率AC功率流17、19、21或25、27、29分别转换成固定频率功率流、特别是三相功率流41、43、45或47、49、51。来自第一绕组组15和第二绕组组23的两个功率流在共用变压器53中变换成更高电压以便作为三相功率流提供给公用电网55。

风力涡轮机1还包括根据本发明的一实施例的用于在操作期间监测发电机13的第一绕组组15和第二绕组组23的装置2。从而，装置2执行根据本发明的一实施例的监测第一绕组组15和第二绕组组23的方法。因此，装置2包括处理器4，处理器4被配置成获得从第一绕组组15产生的第一功率的二次谐波的第一强度，其中所述第一功率使用第一功率信号6供应到装置2，第一功率信号6可以通过使用电流传感器57测量第一绕组组15中的电流来获得。处理器4还被配置成获得从第二绕组组23产生的第二功率的二次谐波的第二强度，其中所述处理器接收指示由第二绕组组23输出的第二功率25、27、29的第二功率信号8。处理器还被配置成基于所述第一强度和所述第二强度之间的二次谐波功率差诊断第一绕组组15和/或第二绕组组23。

在永磁同步发电机（诸如图1中示出的发电机13）的控制***中，所测量的相电流和参考电压可容易获得，并且在本发明的实施例中用于诊断目的。在本文中，使用电流传感器57测量由第一绕组组15输出的电流，并且使用由控制器61供应到第一转换器31的第一参考电压59来得出作为第一功率信号6供应到装置2的第一功率。按类似方式，获得由第二绕组组23产生的第二功率流或功率通量25、27、29的电流和电压，并且将相应第二功率作为第二功率信号8供应到装置2。对于给定定子和多定子发电机，可以如下在静止和同步参考系中给出有功和无功瞬时功率：

其中u_dq和i_dq代表同步参考系中的电压和电流，并且u_αβ和i_αβ代表静止参考系中的电压和电流，即，d-q参考系将与基本电频率同步旋转。在已经计算有功和无功功率（即，第一有功和无功功率p1、q1以及第二有功和无功功率p2和q2）的情况下，可以借助于具有1/(2*f )的移动大小的移动平均值获得其DC值，而通过使用如下的自适应带通滤波器获得2f振幅：

计算具有2f的频率的振幅正弦信号可以由平均绝对值乘以π/2给出。

如上文所提及的，两个计算（即，获得功率的dc值和/或获得2f谐波的振幅）可以按替代方式进行。

滤波器的实施方案可以是：

因此，提取DC和谐波电平需要速度信息，所述速度信息由可用于控制***61、63或另一个控制装备中的速度估计器给出。第二控制器63将第二参考电压信号65供应到第二转换器33。

为简单起见，选取双定子机器（如例如在图1中示出的）作为示例，针对其计算以下诊断信号：

其中X₁和X₂分别代表第一绕组组15和第二绕组组23的有功功率（P）或无功功率（Q）。X_DC代表相应功率的功率的DC分量的振幅，并且X_2f代表二次谐波的振幅。d₁₂可以是正或负的。

以上方程式允许检测双定子发电机的单个定子中的故障（高电阻连接），但是两个定子中的相同故障可以未检测而通过。因此，可能需要额外信息来检测两个绕组组15、23中的同时故障发生，其可以由以下方程式给出：

其中d₁和d₂始终为正值。

值得注意的是，与使用方程式（4）相比，预期基于（5）和（6）的故障检测更慢且灵敏度更低，因为必须设置更高故障阈值以便确保抵抗瞬变的稳健性并且应付负载依赖性。

总之，对于双定子机器的完整故障诊断，可能需要三个诊断信号和两个阈值。故障诊断复杂性连同定子或绕组组的数量一起自然增加，对于具有N个三相定子的机器，所需信号的数量由N+ (N²- N)/2给出，即，如（4）中的(N² - N) /2个信号和如（5）中的N个信号。选取四定子发电机作为第二示例，将采用10个诊断信号（D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₂₃、D₂₄、D₃₄、D₁、D₂、D₃、D₄）。关于故障阈值的数量，其等于2并且与绕组组的数量无关。

为了实现有效故障诊断，至关重要的是，考虑健康机器的固有不对称性及其对故障特征的影响。来自健康双定子永磁发电机（诸如示出在图1中）的实验数据出于图解目的显示在图2中。从而，横坐标67指示有功功率，并且纵坐标69指示诊断信号。从而，曲线73示出当连接有功功率时的量d₁₂（方程式（4）），而曲线73指示由方程式（6）获得的量d₂。根据图2显而易见的是，新提出的诊断信号d₁₂（曲线71）比信号d₂（曲线73）更少依赖于负载。

虽然在图2中，使用瞬时有功功率来得出诊断信号，但是在具有相同横坐标的图3中，无功功率的使用替代显示为曲线75。根据图2和图3可以推断出，图2（有功功率）和图3（无功功率）中的信号d₁₂的变化范围相同或类似，并且两者都可以适用于诊断。高电阻连接的初步结果显示，有功和无功功率两者都可以是有效选项。

最后，需要仔细考虑故障阈值（Τ₁₂、Τ₁）的设置以便赋予所述诊断方法稳健性和灵敏度。为了简化实施方案，可以根据本发明的一实施例选择固定阈值的使用。其他实施例应用取决于负载或功率的阈值。

对于双定子发电机，故障检测逻辑可以是如下所指示的：

如果abs (d12 - Doffset) > T12，则在一个绕组组中检测到故障。

如果d1 >T1并且d2 >T1并且abs (d12 - Doffset) < T12，则在两个绕组组中检测到故障，其中，

Doffset = (d12,min + d12,max)/2，其中d12,min和d12,max是由d12在健康状况下采取的最小值和最大值。T₁₂必须高于由abs (d12 - Doffset)在健康操作下采取的最高值，并且T₁必须高于由d₁和d₂ 在健康操作下采取的最高值。

量d12–Doffset也称为由功率差比（例如d12）减去差阈值（例如T12）得出的项。此项的符号可以识别故障绕组组。作为一示例，如果所述项在故障检测时为正，则第二绕组组为故障绕组组。另一方面，如果所述项为负，则第一绕组组为故障组。

替代性地，可以采用取决于负载的阈值，此解决方案增加了实现复杂性，并且可能需要对正常操作下的因制造公差而不期望的故障特征的非常准确的知识。然而，其可能是诸如海上涡轮机的关键应用所需的，在所述关键应用中，灵敏状况监测是非常重要的。

图4示出根据本发明的一实施例的诊断多个绕组组的方法的流程图。在方法76的第一步骤77中，获取N个定子/转换器的所测量电流、参考电压和所估计速度。在下一方法步骤79中，针对N个定子/转换器计算瞬时功率（有功功率P和无功功率Q）。在下一方法步骤81中，特别使用自适应滤波器计算N个定子/转换器的无功功率和/或有功功率的DC值和二次谐波值。在下一方法步骤83中，针对N个定子/转换器中的每一者计算诊断信号，诸如方程式（4）、（5）、（6）的信号。在决策框85中，应用故障检测逻辑（诸如上述逻辑）来检测是否存在故障。如果未检测到故障，则所述方法再次分支到第一方法步骤77。如果检测到故障，则执行方法步骤87，其中停止所述操作或采取另一补救措施。

本发明的实施例提供用于在风力涡轮机中采用的发电机的在线状况监测和保护的解决方案。提供一种用于检测多定子永磁发电机的不平衡操作的诊断方法。提出一种用于检测多定子永磁发电机中的高电阻连接的诊断方法。提出一种适于在变频器的控制器中实现的诊断方法。

因此，图1的装置2可以是控制器61、63中的一者的一部分，使得所述控制器可以在检测到绕组15、23中的一者或两者中的故障时至少关闭受影响的绕组或者采取其他措施以用于避免发电机和/或转换器或风力涡轮机的其他部件的损坏。

图1中示出的发电机13包括带有绝缘中性点的多定子。

应注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一（a）”或“一（an）”并不排除多个。而且，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应注意的是，权利要求中的附图标记不应解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种在操作期间监测发电机（13）的定子的第一绕组组（15）和至少一个第二绕组组（23）的方法，所述方法包括：

获得从所述第一绕组组（15）产生的第一功率（17、19、21）的二次谐波的第一强度（X1、2f）；

获得从所述第二绕组组（23）产生的第二功率（25、27、29）的二次谐波的第二强度（X2、2f）；

基于所述第一强度（X1、2f）和所述第二强度（X2、2f）之间的二次谐波功率差诊断所述第一绕组组（15）和/或所述第二绕组组（23）。

2.根据前述权利要求所述的方法，其还包括：

获得所述第一功率（17、19、21）的第一功率时间平均值（X1、DC）；

获得所述第二功率（25、27、29）的第二功率时间平均值（X2、DC）；

其中所述诊断涉及形成功率差比（d12），所述功率差比（d12）与所述二次谐波功率差与所述第一功率时间平均值（X1、DC）和所述第二功率时间平均值（X2、DC）的总和、特别是平均值之间的比成比例。

3. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中诊断涉及比较由所述功率差比（d12）减去差阈值（T12）得出的项（d12 - Doffset），

其中，如果所述项的绝对值大于所述差阈值（T12），则所述第一绕组组（15）或所述第二绕组组（23）中的一者被诊断为发生故障。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述项形成为所述功率差比（d12）减去与都在正常状态下的所述第一绕组组（15）和所述第二绕组组（23）之间的功率输出的预期差有关的偏移（Doffset）。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述二次谐波（2f）与基本电频率（f）的两倍相关，所述基本电频率与相对于所述定子旋转的转子的旋转速度成比例。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其还包括：

形成第一功率比（d1），所述第一功率比（d1）与所述第一强度（X1、2f）和所述第一功率时间平均值（X1、DC）之间的比成比例；

将所述第一功率比（d1）与第一阈值（T1）进行比较；

形成第二功率比（d2），所述第二功率比（d2）与所述第二强度（X2、2f）和所述第二功率时间平均值（X2、DC）之间的比成比例；

将所述第二功率比（d2）与第二阈值（T2）进行比较；

如果以下情况发生，则将所述第一绕组组和所述第二绕组组诊断为发生故障：

所述第一功率比（d1）大于所述第一阈值（T1）；并且

所述第二功率比（d2）大于所述第二阈值（T2）；并且

所述项（d12 - Doffset）的绝对值小于所述差阈值（T12）。

7. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一功率（17、19、21）和/或所述第二功率（25、27、29）包括有功功率（p）和/或无功功率（q），其中对于有功功率和/或无功功率，获得所述功率的所述二次谐波的相应强度和/或相应二次谐波功率差和/或相应功率时间平均值和/或相应功率差比（d12有功, d12无功）并且将其单独地或组合地用于所述诊断。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述差阈值（T12）、所述第一阈值（T1）和所述第二阈值（T2）中的至少一者或全部是固定的或取决于负载的。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中总共N个绕组组被包括在所述定子中，其中诊断所述N个绕组组包括：

获得（Ν² - N）/2个功率差比，所述（Ν² - N）/2个功率差比与所述N个绕组组中的两个（i、j）的相应二次谐波功率差和所述N个绕组组中的所述两个（i、j）的相应功率时间平均值（Xi、DC; （Xj、DC））的总和之间的比成比例；

获得N个功率比（d1、...、dN），所述功率比（d1、...、dN）与从所述N个绕组组中的一者产生的功率的二次谐波的强度（X1、2f; ... ;XN、2f）和所述N个绕组组中的所述一者的功率时间平均值（X1、DC）之间的比成比例；

将所述功率差比与相应阈值、特别是恰好一个差阈值进行比较；

将所述功率比与相应阈值、特别是恰好一个阈值进行比较；

其中，N特别是在2和10之间；以及

基于所述比较诊断所述绕组组。

10. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中获得所述第一强度和/或所述第二强度和/或所述第一功率时间平均值（X1、DC）和/或所述第二功率时间平均值（X2、DC）包括：

测量所述第一绕组组的第一电流（17、19、21）、特别是三相电流；和/或

测量所述第二绕组组的第二电流（25、27、29）、特别是三相电流；和/或

获得所述第一绕组组的第一电压（59）、特别是三相电压；和/或

获得所述第二绕组组的第二电压（65）、特别是三相电压；和/或

从所述第一电流和所述第一电压计算所述第一功率（p1、q1、6）；和/或

从所述第二电流和所述第二电压计算所述第二功率（p2、q2、8）。

11. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其还包括：

将使所述二次谐波通过的自适应带通滤波器应用到所述第一功率（p1、q1），以获得所述第一强度（X1、2f）；和/或

将使所述二次谐波通过的自适应带通滤波器应用到所述第二功率（p2、q2），以获得所述第二强度（X2、2f）。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其还包括：

将所述第一功率时间平均值（X1、DC）计算为所述第一功率（p1、q1）在具有l/2f的窗口大小的移动窗口内的时间平均值，其中f是所述基本电频率；

将所述第二功率时间平均值（X2、DC）计算为所述第二功率（p2、q2）在具有l/2f的窗口大小的移动窗口内的时间平均值，其中f是所述基本电频率。

13.一种用于在操作期间监测发电机的定子的第一绕组组和至少一个第二绕组组的装置（2），所述装置包括：

处理器（4），所述处理器（4）被配置成：

获得从所述第一绕组组产生的第一功率（6）的二次谐波的第一强度（X1、2f）；

获得从所述第二绕组组产生的第二功率（8）的二次谐波的第二强度（X2、2f）；

基于所述第一强度和所述第二强度之间的二次谐波功率差诊断所述第一绕组组和/或所述第二绕组组。

14.一种发电机（13），其包括：

具有第一绕组组（15）和至少一个第二绕组组（23）的定子；

相对于所述定子可旋转地支撑的转子（11）；以及

根据前述权利要求所述的装置（2）。

15.一种风力涡轮机（1），其包括：

根据前述权利要求所述的发电机（13）；

连接到与所述发电机（13）耦接的转子轴（7、11）的转子叶片（5）。