CN101995529A - 用于风力涡轮发电机中的电力滤波器的监视以及电力滤波器失效的检测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定风力发电机的电力滤波器中的故障的方法，该方法包括以下步骤：计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及将所计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。还公开了一种用于检测风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的系统，和一种计算机可读介质，所述介质包含有用于确定风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的计算机程序代码。

Description

用于风力涡轮发电机中的电力滤波器的监视以及电力滤波器失效的检测的系统和方法

技术领域

本发明的实施例提供一种用于监视发电系统中的电力滤波器的性能以及检测该系统中的电力滤波器故障或失效的系统和方法。在优选实施例中，所述发电系统是大容量风力涡轮机。

背景技术

发电系统典型地通过旋转发电机的转子来将一种能源转换成电能。以特定的电压和频率将电力供应给电网，然后电网将电力输给用户。为了确保以恒定的电压和频率供应电力，可以采用多种控制设备/装备。对于不是以恒定的速度转动发电机转子的风力涡轮发电机来说，要保证以期望的电压和频率提供电力是特别有挑战性的。涡轮机产生的电力必需转换成稳定的电力用于传输。

例如，一种现有的风力涡轮发电机提供全功率转换器(full powerconverter)，该转换器具有一个发电机侧有源整流器，该整流器通过直流(DC)链(link)耦接到一个电网侧(grid side)有源逆变器。在此配置中，该有源整流器将来自发电机的变频交流(AC)信号转换成直流电压，传递给直流链。有源逆变器将直流链上的直流电压转换成用于电网的固定频率交流电。该配置需要复杂而昂贵的采用有源开关(例如，绝缘栅双极晶体管--IGBT)的电路用于有源整流器和逆变器。这些类型的有源开关典型地在电力转换期间具有较高的电力损耗，并且可以引起电网上的不希望的高频谐波。

例如，并网转换器器(grid converter)可能产生5kHz的开关频率谐波。电网侧的谐波滤波器(电网滤波器)可以用于为开关频率谐波提供通路，并防止不希望的开关频率谐波被传递给电网设备。电网滤波器可以是电容器组，其以可变的速率储存电能，并以受控的速率释放能量。电网滤波器可以利用例如保险丝连接到电网侧。

与目前可用的风力涡轮机相关的一个问题是当所述电网滤波器的保险丝的一个或者多个熔断时，或者电网滤波器的某些其他部件失效时，所述电网滤波器就不能正常工作。在这些现有可用系统的一些中，当电网滤波器的保险丝熔断时，没有反馈信号提供给风力涡轮机控制系统。结果，风力涡轮机在没有电网滤波器的情况下继续给电网供电。然后这就会导致其他的问题，比如过电压故障警报或者与电网连接的问题。该问题可能在受到较差的整体控制在电网中进一步恶化。

解决该问题的一个方案是提供和电网滤波器直接相连的多种电气部件来监视该滤波器的失效，并且通过控制系统将该失效报告给操作人员。然而，在现有系统中，很难找到容易安装和维护且能满足各种调节需求的部件。

所以如果能研制出一种克服上述一个或多个问题的系统和方法，其对现有技术中就是一种改进。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于确定风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的方法。所述方法包括以下步骤：计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及将所计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。

在一些实施例中，所述计算的无功功率可以基于所述风力涡轮发电机的每个相线的转换器支路电流和一个转换器支路电压的测得值。计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤可以包括计算所述风力涡轮发电机的并网转换器支路在一个时间段内消耗的平均无功功率。

在另一些实施例中，计算所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率的步骤还可以包括以电压因子来调整所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率，以确定所述并网转换器支路消耗的已调整的平均无功功率。所述测得值可以基本上在所述风力涡轮发电机从预充电状态到运行状态的转变时获得。

在替代实施例中，计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤还可以包括：计算所述风力涡轮发电机的辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率；计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率；以及基于所述辅助电源消耗的所述平均无功功率的值和所述辅助电源与所述电力滤波器消耗的所述平均无功功率的值，计算所述电网滤波器单独消耗的所述平均无功功率。

在一些实施例中，计算所述辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还可以包括：将直流链电容器连接至所述风力涡轮发电机的转换器支路；在断开所述电力滤波器时，对所述直流链电容器进行预充电；以及获得在所述预充电状态期间的所述测得值。计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还可以包括：电连接所述电力滤波器；提供时间延迟；计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述时间段内消耗的所述已调整的平均无功功率；以及断开所述直流链电容器。

在一些实施例中，所述电力滤波器可以是电网侧电力滤波器、机械侧dv/dt滤波器、或者定子滤波器之一，且所述故障至少可以是保险丝失效、电容器失效、或者所述电力滤波器的连接失效之一。一个基本周期可以是0.02秒，且所述时间段可以是一个或者多个基本周期。

本发明的替代方面提供一种用于检测风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的系统，所述系统包括：计算机处理器；以及电连接至所述风力涡轮发电机和所述计算机处理器的多个传感器；其中所述计算机处理器配置为：基于来自所述传感器的数据计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及将所计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。

在所述系统的替代实施例中，所述传感器可以提供所述风力涡轮发电机的每个相线的转换器支路电流和转换器支路电压与定子支路电压之一的测得值。所述处理器还可以计算所述风力涡轮发电机的并网转换器支路在一个时间段内消耗的平均无功功率。

在其它实施例中，所述处理器还可以通过以电压因子调整并网转换器支路消耗的平均无功功率来计算所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率，以确定所述并网转换器支路消耗的已调整的平均无功功率。所述测得值可以基本上在所述风力涡轮发电机从预充电状态到运行状态的转变时获得。

在一些实施例中，所述处理器可以通过以下步骤计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率：计算所述风力涡轮发电机的辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率；计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率；以及基于所述辅助电源消耗的所述平均无功功率的值和所述辅助电源与所述电力滤波器消耗的所述平均无功功率的值，计算所述电网滤波器单独消耗的所述平均无功功率。

在另外的实施例中，所述处理器可以通过如下步骤计算所述辅助电源在所述预充电状态消耗的所述已调整的平均无功功率：将直流链电容器连接至所述风力涡轮发电机的转换器支路；在断开所述电力滤波器时，对所述直流链电容器进行预充电；以及获得在所述预充电状态期间的所述测得值。所述处理器可以通过如下步骤计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的所述已调整的平均无功功率：电连接所述电力滤波器；提供时间延迟；计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述时间段内消耗的所述已调整的平均无功功率；以及断开所述直流链电容器。一个基本周期可以是0.02秒，且所述时间段可以是一个或者多个基本周期。

本发明的另一方面提供一种计算机可读介质，其包含有用于确定风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的计算机程序代码，所述计算机代码配置为：计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及将计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。

在一些实施例中，所计算的无功功率可以基于所述风力涡轮发电机的每个相线的转换器支路电流和转换器支路电压/定子支路电压的测得值。计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤还可以包括计算所述风力涡轮发电机的并网转换器支路在一个时间段内消耗的平均无功功率。

在替代实施例中，计算并网转换器支路消耗的所述平均无功功率的步骤还可以包括以电压因子来调整所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率，以确定所述并网转换器支路消耗的已调整的平均无功功率。所述测得值可以基本上在所述风力涡轮发电机从预充电状态到运行状态的转变时获得。

在另外的实施例中，计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤还包括：计算所述风力涡轮发电机的辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率；计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率；以及基于所述辅助电源消耗的所述平均无功功率的值和所述辅助电源与所述电力滤波器消耗的所述平均无功功率的值，计算所述电网滤波器单独消耗的所述平均无功功率。

在另外的实施例中，计算所述辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还可以包括：将直流链电容器连至所述风力涡轮发电机的转换器支路；在断开所述电力滤波器时，对所述直流链电容器进行预充电；以及获得在所述预充电状态期间的所述测得值。计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还可以包括：电连接所述电力滤波器；提供时间延迟；计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述时间段内消耗的所述已调整的平均无功功率；以及断开所述直流链电容器。

所述电力滤波器可以是电网侧电力滤波器、机械侧dv/dt滤波器、或者定子滤波器之一。所述故障至少可以是保险丝失效、电容器失效、或者所述电力滤波器的连接失效之一。

附图说明

对于本领域技术人员来说，根据下面结合附图所做的仅作为示例用的文字说明，本发明的实施例将能够得到更好的理解并将变得明显：

图1示例风力涡轮发电机的简单示意图，其中有本发明的实施例可以用于确定电力滤波器的失效；

图2示例了风力涡轮发电机的电路图，其中本发明的实施例可以用于确定电力滤波器的失效；

图3示例了图2中电路图的关于并网逆变器和电力滤波器部分的特写；

图4A示例了图2和3中所示的电网滤波器的一个实施例的示意图；

图4B示例了示出图4A的电网滤波器的正常运行模式的示意图；

图4C示例了示出图4A的电网滤波器的一种可能失效模式的示意图；

图4D示例了示出图4A的电网滤波器的另一种可能失效模式的示意图；

图4E示例了示出图4A的电网滤波器的另一种可能失效模式的示意图；

图5是示例可以与本发明的系统和方法一起使用的检测过程的一种可能实施的图示；

图6示例了示出本发明的方法的一种可能实施的流程图；

图7示例了可以用于实施本发明的系统和方法的一种可能的计算机系统的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种无需安装附加的硬件部件就能警告发电系统的操作人员电力滤波器失效的系统和方法。为示例目的，以下将针对产生三相电力的风力涡轮发电机来描述本系统和方法的一个实施例。然而，应当明白在不脱离所附的权利要求所限定的本实施例的范围的情况下也可以使用其他类型和尺寸的发电机，包括单相的和多相的。作为示例，本发明的实施例可以使用双/单馈感应发电机、同步发电机、异步发电机、以及本领域技术人员所知晓的其他类型的发电机，同步发电机包括永磁(PM)发电机、内永磁(IPM)发电机和表面安装的永磁(SMPM)发电机，异步发电机包括感应发电机(IG)、鼠笼发电机。还可以考虑全部(full-scale)电力系统。

类似地，虽然下面所讨论的实施例的电力滤波器是电网侧滤波器，但是应当理解，其他类型和位置的电力滤波器也可以用于本发明的实施例中。所述的确定电力滤波器失效的方法可以应用于发电机中的任何滤波器，尤其是风力涡轮发电机。作为示例而不是限制，该滤波器包括机械侧(machine side)dv/dt滤波器、定子滤波器或其他类型的能够滤除开关频率谐波的电力滤波器。为了讨论目的，下面所使用的术语“电网滤波器”适用于所有的电力滤波器。

图1示例了使用本发明的实施例来确定电力滤波器失效的风力涡轮发电机(WTG)系统10的简化示意图。WTG系统10可以是前述PM、IPM、SMPM或IM系统。WTG系统10包括通过输入轴22连接到可选变速箱24的转子叶片20。变速箱24通过输出轴26连接到WTG 30，WTG将转子叶片20的旋转运动转换成电能。所述可选变速箱24可以用于提高输出轴26的旋转速度。

在该实施例中，WTG 30配置为给固定频率(典型地为50或者60Hz)的电网130供电。WTG 30给电网130提供同步电力的一种方法是保证转子叶片20以恒定速度转动。然而，为了提供较高的电生产效率，可以允许转子叶片20的速度在一定范围内变动。这使得转子叶片20在任何风速下都能以最佳的速度旋转。所以WTG 30可以产生与电网130不同步的交流电。

为了减轻此问题，交流/直流转换器35可以通过输电线31a、31b、31c连接到WTG 30的定子绕组。所述交流/直流转换器35将WTG 30输出的交流电转换成直流电。所述交流/直流转换器35通过滤波电容器36连接到直流/交流转换器40，直流/交流转换器40将直流电转换成和电网130同步的交流电。在一些配置中，变压器(未示出)可以放置在直流/交流转换器40和电网130之间。一个或者多个电力滤波器42和/或电网滤波器44可以电连接至输出输电线45a、45b、45c，所述输出输电线连接至变压器和电网130。

图2示例了风力涡轮发电机150的电路图100，其中可以使用本发明的实施例来确定电网滤波器102的状态以及向系统操作人员报告电网滤波器102中的任何失效。在此实施例中，WTG 150是双馈感应发电机(DFIG)。然而，如前面所指出的那样，应当理解，本发明的实施例可以使用任何类型的WTG。所述DFIG WTG150包括具有三相绕组的定子(未示出)，所述三相绕组经断路开关断路器152通过输电线154a、154b、154c经升压电压变压器156直接连接到输电网130。输电线154a、154b、154c中流入主电网130的电流可以通过预先存在的变换器155a、155b、155c来测量。在下面的讨论中，输电线154a、154b、154c形成了“定子支路(leg)”，并且使用变换器155a、155b、155c测得的电流作为定子支路电流。应当理解，也可以使用具有测量定子支路电流和/或定子支路电压功能的其他类型和位置的测量设备。三相转子绕组(未示出)通过滑环和刷组件(未示出)经由输电线158a、158b、158c连接到电力转换器120的转子侧。

电力转换器120包括交流值流机械侧整流器122，直流链124和直流/交流并网转换器126。电网滤波器102通过输电线128a、128b、128c连接到并网逆变器126的输出端。然后，通过输电线140a、140b、140c经由第一断路器/开关131和第二断路器/开关133将三相滤波电力提供给变压器156和主电网130。在某些情况下，可以提供风力涡轮机辅助电源142以给风力涡轮机中的某些特定部件提供电力。辅助电源142可以消耗来自主电网130的电力，或者来自并网逆变器126的电力。输电线140a、140b、140c中流到主电网130的电流可以通过预先存在的变换器160a、160b、160c来测量。在下面的讨论中，输电线140a、140b、140c形成了“并网转换器支路”，采用传感器160a、160b、160c测得的电流称作的转换器支路电流。这将在后面更详细讨论。应当理解，也可以使用具有测量转换器支路电流和/或转换器支路电压功能的其他类型和位置的测量设备。

在此实施例中，断路器/开关131可以用于在故障或者其他状况期间将电力输出和电力转换器120断开。类似地，断路器/开关133可以用于在故障或者其他状况期间将电力输出和电力转换器120断开，以及将辅助电源142和主电网130断开。

图3示例了图2中所示的并网逆变器126和电网滤波器102的特写视图。在此实施例中，电网滤波器102安装在电网扼流器/连接器开关104，106以及断路器133之间。电网滤波器102通过电网保险丝134c、134b、134a分别连接到输电线140c、140b、140a上的点132c、132b、132a。示例为开关108和预充电电阻器109的预充电电路可以用于在发电机起动之前或者连接到机械侧转换器之前给直流链124内的直流链电容器125供电。在预充电期间，断开开关104，106。在正常操作期间，一旦测得的跨直流链电容器125的电压达到目标值，则开关104和106接通，同时开关108切断。然而，本发明的方法允许开关108仍然保持接通达一段时间。这将在下面更详细地讨论。

图4A示出了电网滤波器102的示意图一个范例。在此实施例中，电网滤波器102包括：第一电容器组102a、第二电容器组102b、放电线圈102c。每个电容器组102a、102b通过输出线136a、136b、136c分别电连接到输电线128a、128b、128c。类似地，放电线圈102c电连接到输电线128a、128b、128c。当所述电网滤波器102由于某些原因被切断时，可以通过放电线圈102c对保持在电容102a、102b中的残余DC电压进行快速放电。这有助于确保在所述电网滤波器102重新接通时的重新连接时间短。

应当理解，还可以使电网滤波器102的其他配置。例如，电网滤波器102可以包括一个或者多个以不同配置连接的电容器组。电容器组中所用的电容器可以是自恢复(selfhealing)的。只要这些配置具有对供应的电力进行包括但不限于开关频率谐波过滤的功能，电网滤波器102的所有这些配置能够过视为落入所附的权利要求的范围内。

图4B示例了图4A中所示的电网滤波器102的正常(normal)操作模式。在正常操作模式下，所有的三相电网滤波器102a、102b被连接，并且没有电网滤波器保险丝被熔断。

图4C-4E示例了电网滤波器102的失效模式。电网滤波器102中所使用的自恢复类型的电容器102a、102b的失效模式通常是电容慢慢降低，即电容会随时间下降。电网滤波器102的通常失效模式可以包括保险丝134a、134b、134c或者接触器中的一个或者多个失效。图4C示例了一个电网滤波器保险丝/接触器(134c)失效导致一个电容器103a断开的情况。图4D示例了两个电网滤波器保险丝/接触器(134b，134c)失效导致两个电容103a、103b断开的情况。图4E示例了所有电网滤波器保险丝/接触器失效导致所有电容103a、103b、103c断开的情况。为了以下讨论的目的，当电网滤波器102正常工作时，所有三相电网滤波器支路都工作，并且没有电网滤波器保险丝/接触器/电容器被熔断。电网滤波器失效可以包括任何保险丝失效、任何电网滤波器接触器失效、任何电容器失效、或者电网滤波器102中的部件的任何其他失效。

在交流电系统中，术语“无功功率”用于表示由电感器和/或电容器交替储存和释放的能量。在本发明的实施例中，可以使用瞬时无功功率概念。以下参考等式1-4讨论图4A-4E中所示的电网滤波器102所消耗的瞬时无功功率。

为讨论目的，假设电网电压在0.8功率单位(p.u.)到1.2p.u.之间变化。因此，假定无功功率计算为电压单位的平方，在正常模式下的无功功率在0.64Q_nom-1.44Q_nom的范围内。

对于图4C中所示例的失效模式，所述电网滤波器102所消耗的无功功率接近正常模式下所消耗的无功功率的一半。所以，这种情况下的无功功率的范围是0.32×Q_nom-0.72×Q_nom。对于图4D和4E中所示例的失效模式，电网滤波器102所消耗的无功功率是零。

为示例目的，假设电容器103a-103c在440V的电压下额定56KVar，且电网流出的标称电压是400V(线-线)，根据电网的位置标称频率是50Hz或者60Hz。标称电压的值Q_nom通过下面的公式计算：

Q_nom＝Cap*(V_cap/V_grid)²    (A)

其中Cap是电容器额定值，V_cap是电容器的电压额定值，且V_grid是电网的标称电压额定值。

从而，对于于此所讨论的发电机而言，在标称电压下电容102的值Q_nom将是46.44kVar。然而，应当理解，值Q_nom可以根据所使用的电容器类型、风力涡轮发电机的容量、线-线电压等而改变。

本发明的系统和方法的实施例提供仅使用存在的输入来测量电网滤波器102在上述的每一个模式期间所消耗的无功功率的装置。然后，测量结果可以用于确定电网滤波器102的失效模式，然后将该失效报告给管理系统，如果所述电网滤波器102失效，该管理系统就发出警报。通过比较开关104和106闭合前后的无功功率的平均值完成测量。这里，假设辅助电源142在所述失效检测过程中没有循环开启和关断。

图5是示例检测过程的一个可能实施的图示，总体由参考数字300表示，其可以用于本发明的系统及方法。图6示例流程图，总体由参考数字400表示，其示出了本发明的方法的一种可能实施。

在此实施例中，用于监视和检测电网滤波器102的失效的各种可用信号概括于如下的表1中：

表1

主并网转换器支路变换器Il1	MGC_IL1
		主并网转换器支路变换器Il2	MGC_IL2
主并网转换器支路变换器Il3	MGC_IL3
		主电网定子支路变换器UL1	MGS_UL1
主电网定子支路变换器UL2	MGS_UL2
		主电网定子支路变换器UL3	MGS_UL3
主并网转换器支路变换器Ul1	MGC_UL1
		主并网转换器支路变换器Ul2	MGC_UL2
主并网转换器支路变换器Ul3	MGC_UL3

其中MGC_ILx表示利用，例如，变换器160a、160b、160c测量得到的，输送给电网130的并网转换器支路上的电流，其包括来自并网转换器126的电流和来自辅助电源142的电流；MGS_ULx是在开关152和高压变压器156之间的点测得的定子支路的电压。MGC_ULx表示并网转换器支路的每个相线的电压，其可以通过位于变换器160附近的电压传感器来测量。应当理解，也可以使用其他的测量点。

于是，并网转换器支路上所消耗的无功功率q可以通过下面的公式1来进行计算：

$q=\frac{1}{\sqrt{3}}[(\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}1-\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}2)\×\mathrm{MGC}\_\mathrm{IL}3+(\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}2-\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}3)\×$

$\mathrm{MGC}\_\mathrm{IL}1+(\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}3-\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}1)\×\mathrm{MGC}\_\mathrm{IL}2]$

$=1.5(\mathrm{MGC}\_v_{\mathrm{\β}}\×\mathrm{MGC}\_i_{\mathrm{\α}}-\mathrm{MGC}\_v_{\mathrm{\α}}\×\mathrm{MGC}\_i_{\mathrm{\β}})---\left(1\right)$

其中，上述MGC_lLx和MGC_ULx定义为a-b-c原始框架内的并网转换器支路，MGC_v_α和MGC_v_β表示α-β框架内的主并网转换器支路电压，MGC_i_α和MGC_i_β表示在α-β框架内的主并网转换器支路电流，其中：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{MGC}\_i_{\mathrm{\α}}\\ \mathrm{MGC}\_i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{MGC}\_\mathrm{IL}1\\ \mathrm{MGC}\_\mathrm{IL}2\\ \mathrm{MGC}\_\mathrm{IL}3\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{MGC}\_v_{\mathrm{\α}}\\ \mathrm{MGC}\_v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}1\\ \mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}2\\ \mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}3\end{array}\right]---\left(3\right)$

在直接测量值MGC_ULx的电压传感器不可用时，需要公式4。值MGS_ULx表示测得的定子支路电压，将其乘以变压器156的匝数比来确定MGC_ULx。在某些实施例中，使用q在a-b-c框架内的定义。替代地，使用到α-β框架的变换。

在一个实施例中，WTG系统是实比电力系统，并且发电机的电力输出提供给背对背电力转换器，其其后耦合到电网滤波器。测量并网转换器支路的电流和电压直接测量结果，来确定电网滤波器的无功功率消耗。

继续参考图6，所述方法400开始的第一步是使能电力滤波器检查并将所有变量设置为零，如参考数字402所示。例如，可以在系统的操作人员开启一个或者多个控制微处理器上的软件程序时，完成该使能步骤，所述微处理器接收来自系统的数据并为系统提供各种控制功能。

如上所述，所述方法400采用无功功率的平均值。为了确定所述无功功率的平均值，应当确定一个采样期。为示例目的，我们将使用100微秒(μs)作为采样期。应当理解，也可以使用其他的采样期。采用100μs的采样期，并网转换器支路在基本周期(0.02秒)内的平均无功功率可以计算为：

$\stackrel{\‾}{q}=\∫\mathrm{qdt}$

$=\frac{1}{200}\underset{i=1}{\overset{200}{\mathrm{\Σ}}}q\left(i\right)$           (5)

在该实施例中，等式(1)和(5)中所计算的无功功率包括风力涡轮机辅助电源142和电网滤波器102(见图1)所消耗的无功功率。为了确定电网滤波器102独自所消耗的无功功率，需要考虑多个因素。

首先，可以注意到，在正常情况(图4B)和第一失效情况(图4C)之间存在交叠区域。如前面所述，在正常模式下电网滤波器所消耗的无功功率在0.64Q_nom-1.44Q_nom之间。在第一失效情况下电网滤波器所消耗的无功功率是正常模式下所消耗的无功功率的一半，即在0.32Q_nom-0.72Q_nom之间。为了补偿在这些范围内的交叠合，在平均无功功率的计算(公式5)中引入电压因子来消除电网电压弯动的影响。如下所示：

其中

是并网转换器支路的经过调整的平均无功功率，且电压因子U_factor定义为：

$\mathrm{UL}1\_\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{200}\underset{i=1}{\overset{200}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}1\left(i\right)]}^2}---\left(8\right)$

$\mathrm{UL}2\_\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{200}\underset{i=1}{\overset{200}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}2\left(i\right)]}^2}---\left(9\right)$

$\mathrm{UL}3\_\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{200}\underset{i=1}{\overset{200}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{MGC}\_\mathrm{UL}3\left(i\right)]}^2}---\left(10\right)$

Unom是标称电网电压。

第二个需要考虑的因素是上述计算的值和

取决于图1和2中所示的特定电路配置的事实。无功功率

和

能够包含辅助电源142和电网滤波器102所消耗的无功功率。为了获得电网滤波器102单独消耗的无功功率，可以在开关104和106闭合前和闭合后计算和比较无功功率。下面要考虑两个不同阶段，阶段a和阶段b，其提供风力涡轮发电机在“预充电”状态和“运行”状态之间转变。

在阶段a中，开关108设置为开启，且开关104和106为关断，如图6中参考数字404所示。然后直流链电容器125(图3)通过一个或者多个预充电电阻器109被充电。在该阶段，无功功率和

值仅包括风力涡轮机辅助电源142所消耗的无功功率。

在阶段b中，当所述直流链电压达到某个电压值时，例如500V，开关104和106接通，同时电网滤波器102被连接。在此“运行”阶段，无功功率

和

值包括风力涡轮机辅助电源142和电网滤波器102所消耗的无功功率。

在该实施例中，如果辅助电源142在阶段a和阶段b中消耗的无功功率相同，那么阶段a和阶段b之间的无功功率差值就是电网滤波器102所消耗的无功功率。然而，辅助电源142在两阶段中并非总是消耗相同的无功功率。例如，在正常运行期间，风力涡轮发电机可以自动偏航以保持机舱对准风向。冷却系统(未示出)可以自动运行以冷却发电机120。所以，在阶段b可能会需要一些来自辅助电源142的辅助电能。从而，阶段a和阶段b之间的无功功率差值可以不代表电网滤波器102所消耗的无功功率。

为了减少在电网滤波器失效检测过程中辅助电源142循环开启和关断的可能性并获得电网滤波器无功功率，可以使检测过程既连续而又短暂，并且可以检查数据的一致性。参考图5，图示300的左轴301示出了开关104，106和108的开启-关断状态，下轴303是以秒为单位的时间。注意到开关104和106是同时连接到电网滤波器102。然而，应当理解，可以使用包括更多或者更少开关数量的各种电路。

如图示300所示例，恰好在开关104和106开启前，同时开关108为开启的情况下，可以处理10个基本周期无功功率数据，从而获得阶段a期间的无功功率平均值

如图5中参考数字302和图6中参考406所示。应当理解更多或者更少个数的基本周期也可以用作期望的时间段。下面详细讨论步骤406中所示的值ΔQ的计算。

其后，可以插入0.1秒的延时以避开和开关104，106的闭合相关联的瞬时时段，如图5中参考数字304和图6中参考数字408所示。应当理解，可以被使用其他的期望时间延迟值，长于或者短于0.1秒。接下来，开关104和106开启，如参考数字410所示。

然后，可以处理无功功率的另外10个基本周期数据，以获得阶段b期间的无功功率平均值如图5中参考数字306和图6中参考数字412所示。下面详细讨论步骤412中所示的对值ΔQ的计算。例如，整个检测过程仅仅需要0.5秒。应当理解，如上所述，其他的时间段，延时和周期数量，或长或短，都可以被使用。

为了确定所述辅助电源142在监视过程中没有循环开启和关断，如参考数字414所示，可以检查所述的两组10个基本周期数据的一致生。下面讨论检查数据的过程。

一个基本周期数据的平均值可以定义为

$\left\{\begin{array}{ccc}{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{a}_1& L& {\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{a}_{10}\end{array}\right\}---\left(11\right)$

以及 $\left\{\begin{array}{ccc}{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{b}_1& L& {\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{b}_{10}\end{array}\right\}---\left(12\right)$

其中

和

是基于以上定义的等式6计算的。

为了确定辅助电源142在检测过程中没有循环开启和关断，应当满足下列等式：

$\left|\right\{{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{a}_i-{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{a}_k\left\}\right|\≤\mathrm{\ΔQ},i,k=1~10---\left(13\right)$

$\left|\right\{{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{b}_i-{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{b}_k\left\}\right|\≤\mathrm{\ΔQ},i,k=1~10---\left(14\right)$

$\left|\right\{{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}b-{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}a\left\}\right|\∈\left[\begin{array}{cc}{Q}_{\_}\mathrm{Min}& Q_{\_}\mathrm{Max}\end{array}\right]---\left(15\right)$

其中阶段a和阶段b的平均无功功率是

${\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}a=\frac{1}{10}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{a}_i---\left(16\right)$

${\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}b=\frac{1}{10}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}{b}_i---\left(17\right)$

且ΔQ和[Q_Min Q_Max]是由风力涡轮发电机的操作人员选择的值。作为示例而不是限制，ΔQ可以选择为0.05Q_nom，而[Q_Min Q_Max]可以选择为[-0.2Q_nom 1.2Q_nom]。注意，如前面所述那样，在步骤406和412中计算值ΔQ。

如果公式13-15没有得到满足，那么辅助电源142在检测过程中循环开启和关断。此时，可以终止电力滤波器检查，如参考数字416和417所示。

如果等式13-15得到满足，那么辅助电源142在检测过程中没有循环开启和关断，如参考数字418所示。那么就能获得电网滤波器所消耗的平均无功功率为

$Q={\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}b-{\stackrel{\‾}{Q}}_{\_}a---\left(18\right)$

如参考数字420所示。

于是可以将上面计算的无功功率值Q和期望值，即无功功率阈值相比较，从而确定是否检测到了电力滤波器故障，如参考数字422所示。作为示例而不是限制，如果

Q≤0.75Q_nom    (19)

则可能产生故障状况，其中Q_nom表示在具有标称电网电压的正常运行模式下所消耗的无功功率，如先前所定义。应当理解，待使用的Q_nom具体百分数可以由风力涡轮发电机的系统管理员来规定，使得在测试和操作期间可以对其容易地进行调整。类似地，值“Q/Q_nom”也可以由系统管理员规定的。所以，等式19可以写成下面的等式20：

如果等式20得不到满足，则值Q在可接受限度内，如参考数字426所示。然后可以开始WTG的正常运行，如参考数字428所示。

但是，如果公式20得到满足，则确定故障状况，如参考数字430所示。然后报错信息可以发送给操作人员，比如“滤波器电容器值太低，计算为：xxxx p.u.，应当在xxxx p.u.以上”，如参考数字432所示。

在一个实施例中，给风力涡轮机系统10提供诊断系统。该诊断系统可以包括测试和诊断电气系统及独立部件的能力，独立部件诸如是发电机、变压器、接触器、滤波器、半导体开关设备等等。如前所述的用于监视所述电网滤波器102的方法400作为该诊断系统的部分实施。可以实施滤波器温度监视方案以作为方法400的补充。

其他测试方法也可以用于所述电气系统的诊断系统，或者用于电网滤波器102、任何其他独立部件，或者部件组。例如，周围温度测试、电气参数监视、频率响应分析、部分放电检测，或者任何其他测试方案都可以用作所述诊断系统的部分。该诊断系统还可以包括诸如控制系统中控制某个独立部件或者部件组的功能性。该诊断系统还可以响应于所检测到的某些故障修改风力涡轮发电机的电力产量，或是预先(pre-emptively)关闭涡轮机。也可以响应于对一个部件接近失效的确定，给风力涡轮机的维护方案呈现维护请求的输入信号。

就算法和关于计算机存储器内的数据的操作的函数或符号描绘，明确地或者暗示地呈现了以上描述的一些部分。这些算法描述和函数或符号描绘是数据处理领域中的普通技术人员使用的最有效地传达其工作实质给本领域其他技术人员的手段。这里的算法，通常理解为导致期望结果的自相容的系列。所述步骤是需要物理量的物理操作的那些，物理量诸如是能进行储存、传输、组合、比较或者其他操作的电、磁或光信号。

除非特别强调，如同下文清楚描述那样，在整个本说明书中，使用术语诸如“扫描”、“计算”、“确定”、“取代”、“产生”、“启动”、“输出”等等的讨论，指计算机系统或者类似电子设备的动作和处理，所述计算机系统和电子设备对计算机系统内那些代表物理量的数据进行处理并将其转换为计算机系统、或其他信息储存、传输或显示设备内代表物理量的其他类似数据。

本说明书还披露了一种设备，比如处理器110，用于执行所述方法的操作。该设备为了所述目的而特别构造，或者其包括多用途计算机，或由计算机内储存的计算机程序可选择性地激活或者重新配置的其他装置。这里出现的算法和显示并不与任何特定的计算机或其他装置固定关联。可以根据这里的教导使用各种多用途机器与程序。或者，能执行所需方法步骤的更特定装置的结构可以是合适的。传统多用途计算机的结构通过下面说明变得清楚。

另外，本说明书含蓄地披露了一种计算机程序，本领域技术人员清楚地知道通过计算机代码可以实施所述方法的独立步骤。所述计算机程序不被限制为任何特定的编程语言及其实施。应当理解，各种编程语言和编码方式都可以用于实施于此所包含的公开的教导。另外，所述计算机程序不被限制为任何特定的控制流程。存在计算机程序的许多其他变形，在不脱离本发明精神或范围的情况下其可以使用不同控制流程。

另外，所述计算机程序的一个或者多个步骤可以并行执行而不是顺次执行。这样的计算机程序可以储存在任何计算机可读介质上。所述计算机可读介质可以包括储存装置，诸如磁盘或者光盘、存储器片或者其他适合与多用途计算机连接的储存装置。所述计算机可读介质也可以包括硬连线介质，诸如互联网系统中，或者无线介质，诸如GSM移动电话系统中。当在多用途计算机上有效地装载并执行所述计算机程序时，就能使设备实施优选方法的步骤。

本发明还可以实施为硬件模块。更具体地，是硬件的意义上，模块是设计为和其他部件或模块一起使用的功能硬件单元。例如，可以使用分离的电子部件实施模块，或者其能形成整个电路的一部分，电路诸如是专用集成电路(ASIC)。存在其他许多可能性。本领域技术人员应当理解所述系统也能被实施为硬件和软件模块的组合。

范例实施例的所述方法和系统能实施在计算机系统500上，如图7示意性地示出的。其可实施为软件，诸如能在计算机系统500内执行的计算机程序，并且指示计算机系统500执行范例实施例的方法。

计算机系统500包括计算机模块502、诸如键盘504和鼠标506的输入模块、以及诸如显示器508和打印机510的多个输出设备。应当理解，计算机系统500和各种输入输出设备都可以远离风力涡轮发电机100设置。或者，计算机系统500的一部分与风力涡轮发电机100一起设置，而其他部分远离风力涡轮发电机100设置。还应当理解，多个计算机系统可以用于实施上述方法400的各个部分。

计算机模块502可以通过适合的收发器514连接到计算机网络512，使其能接入例如互联网或者其他网络系统，诸如局域网(LAN)或广域网(WAN)。

范例中的计算机模块502包括处理器518，随机存取存储器(RAM)520和只读存储器(ROM)522。计算机模块502还包括多个输入/输出(I/O)接口，例如连接到显示器508的I/O接口524，连接到键盘504的I/O接口526。所述计算机模块502的部件通常都是通过互连总线528并以本领域技术人员知晓的方式通信。

将应用程序提供给计算机系统500的用户，该程序被编码在数据储存介质诸如CD-ROM上或者闪存载体上，并且通过数据储存装置530的对应的数据储存介质驱动读取。所述应用程序在其执行过程中由处理器518读取和控制。程序数据的中间存储可以通过RAM 720实现。

本发明的实施例具有多个优点。因为所述系统和方法可以利用当前的可用电压和电流测量值来实施，所以不需要在WTG上安装附加硬件。所述系统和方法在确定一个或者多个连接到WTG的电力滤波器的故障状况方面提供了低成本的选择。从而当前系统和方法可以用于在WTG的部件发生任何损坏以前警告操作人员电力滤波器失效。

本发明的实施例提供一种系统和方法来准确地检测所有电力滤波器失效。该方法通过检查来指示所检测到的结果是否不准确。该方法不仅能在标称电压下检测电力滤波器失效，而且能在允许的操作电网电压下检测。

本领域技术人员应当理解，在不脱离描述的发明的宽广精神或范围的情况下可以对如实施例所示的本发明做出许多变型和/或改动。所以本发明的实施例在所有方面只是为了说明而不是限制。

Claims (25)

1.一种用于确定风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的方法，所述方法包括以下步骤：

计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及

将所计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述计算的无功功率基于所述风力涡轮发电机的每个相线的转换器支路电流和一个转换器支路电压的测得值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤包括计算所述风力涡轮发电机的并网转换器支路在一个时间段内消耗的平均无功功率。

4.如权利要求3所述的方法，其中，计算所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率的步骤还包括以电压因子来调整所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率，以确定所述并网转换器支路消耗的已调整的平均无功功率。

5.如权利要求2-4所述的方法，其中，所述测得值基本上在所述风力涡轮发电机从预充电状态到运行状态的转变时获得。

6.如权利要求5所述的方法，其中，计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤还包括：

计算所述风力涡轮发电机的辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率；以及

基于所述辅助电源消耗的所述平均无功功率的值和所述辅助电源与所述电力滤波器消耗的所述平均无功功率的值，计算所述电力滤波器单独消耗的所述平均无功功率。

7.如权利要求6所述的方法，其中：

计算所述辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还包括：

将直流链电容器连接至所述风力涡轮发电机的转换器支路；

在断开所述电力滤波器时，对所述直流链电容器进行预充电；以及

获得在所述预充电状态期间的所述测得值；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还包括：

电连接所述电力滤波器；

提供时间延迟；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述时间段内消耗的所述已调整的平均无功功率；以及

断开所述直流链电容器。

8.如权利要求2-6中的任一项所述的方法，其中，一个基本周期是0.02秒，且所述时间段是一个或者多个基本周期。

9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电力滤波器是电网侧电力滤波器、机械侧dv/dt滤波器、或者定子滤波器之一；且所述故障至少是保险丝失效、电容器失效、或者所述电力滤波器的连接失效之一。

10.一种用于检测风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的系统，所述系统包括：

计算机处理器；以及

电连接至所述风力涡轮发电机和所述计算机处理器的多个传感器；其中

所述计算机处理器配置为：

基于来自所述传感器的数据计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及

将所计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述传感器提供所述风力涡轮发电机的每个相线的转换器支路电流和一个转换器支路电压的测得值。

12.如权利要求10或11所述的系统，其中，所述处理器计算所述风力涡轮发电机的并网转换器支路在一个时间段内消耗的平均无功功率。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述处理器还通过以电压因子调整并网转换器支路消耗的平均无功功率来计算所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率，以确定所述并网转换器支路消耗的已调整的平均无功功率。

14.如权利要求11-13所述的系统，其中，所述测得值基本上在所述风力涡轮发电机从预充电状态到运行状态的转变时获得。

15.如权利要求14所述的系统，其中，所述处理器通过以下步骤计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率：

计算所述风力涡轮发电机的辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率；以及

基于所述辅助电源消耗的所述平均无功功率的值和所述辅助电源与所述电力滤波器消耗的所述平均无功功率的值，计算所述电网滤波器单独消耗的所述平均无功功率。

16.如权利要求15所述的系统，其中：

所述处理器通过如下步骤计算所述辅助电源在所述预充电状态消耗的所述已调整的平均无功功率：

将直流链电容器连接至所述风力涡轮发电机的转换器支路；

在断开所述电力滤波器时，对所述直流链电容器进行预充电；以及

获得在所述预充电状态期间的所述测得值；以及

所述处理器通过如下步骤计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的所述已调整的平均无功功率：

电连接所述电力滤波器；

提供时间延迟；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述时间段内消耗的所述已调整的平均无功功率；以及

断开所述直流链电容器。

17.如权利要求12-16中的任一项所述的系统，其中，一个基本周期是0.02秒，且所述时间段是一个或者多个基本周期。

18.一种计算机可读介质，其包含有用于确定风力涡轮发电机的电力滤波器中的故障的计算机程序代码，所述计算机代码配置为：

计算所述电力滤波器消耗的无功功率；以及

将计算的无功功率与预定的无功功率阈值进行比较，以确定所述故障。

19.如权利要求18所述的计算机可读介质，其中，所计算的无功功率基于所述风力涡轮发电机的每个相线的转换器支路电压、转换器支路电流和定子支路电压的测得值。

20.如权利要求18或19所述的计算机可读介质，其中，计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤还包括计算所述风力涡轮发电机的并网转换器支路在一个时间段内消耗的平均无功功率。

21.如权利要求20所述的计算机可读介质，其中，计算并网转换器支路消耗的所述平均无功功率的步骤还包括以电压因子来调整所述并网转换器支路消耗的所述平均无功功率，以确定所述并网转换器支路消耗的已调整的平均无功功率。

22.如权利要求19-21所述的计算机可读介质，其中，所述测得值基本上在所述风力涡轮发电机从预充电状态到运行状态的转变时获得。

23.如权利要求22所述的计算机可读介质，其中，计算所述电力滤波器消耗的所述无功功率的步骤还包括：

计算所述风力涡轮发电机的辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率；以及

基于所述辅助电源消耗的所述平均无功功率的值和所述辅助电源与所述电力滤波器消耗的所述平均无功功率的值，计算所述电力滤波器单独消耗的所述平均无功功率。

24.如权利要求23所述的计算机可读介质，其中：

计算所述辅助电源在所述预充电状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还包括：

将直流链电容器连至所述风力涡轮发电机的转换器支路；

在断开所述电力滤波器时，对所述直流链电容器进行预充电；以及

获得在所述预充电状态期间的所述测得值；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述运行状态消耗的已调整的平均无功功率的步骤还包括：

电连接所述电力滤波器；

提供时间延迟；

计算所述辅助电源和所述电力滤波器在所述时间段内消耗的所述已调整的平均无功功率；以及

断开所述直流链电容器。

25.如权利要求18-24中的任一项所述的计算机可读介质，其中，所述电力滤波器是电网侧电力滤波器、机械侧dv/dt滤波器、或者定子滤波器之一，且所述故障至少是保险丝失效、电容器失效、或者所述电力滤波器的连接失效之一。

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