风电变流器直流母线电容寿命预测方法及系统

1.本发明涉及风电变流器智能监测技术领域，尤其涉及一种风电变流器直流母线电容寿命预测方法及系统。

背景技术：

2.风力发电机组产品，特别是海上风力发电，要求在可靠性、稳定运行能力方面具有良好性能，以有效地降低风电变流器因故障导致停机事故发生概率，达到最大化发电效益同时降低运维成本的目的。因此风电产品的智能程度，尤其是核心部件的预测性维护能力显得十分重要。
3.直流母线电容是风电变流器实现能量缓存、维持母线电压恒定的核心装备，具有实现直流-交流转换和交流-直流转换的作用，其是由多个电解电容或薄膜电容串联或并联组成。直流母线电容作为风电变流器的关键部件，其安全性和可靠性将直接决定风电机组的运行稳定性。风电变流器中直流母线电容组件，当投入运营之后就进入产品浴盆曲线中。但随着时间的推移以及不同的风速环境的影响，电容达到生命周期末端的时间也不一样。比如在海上等风能丰富运行环境，电容寿命明显比内陆较差风能资源地区的更短。电容故障当前已成为风电变流器中一种典型故障，在实际应用中直流母线电容所产生的故障率大概占到风电机组故障率的27％左右，是当前风电变流器的第二大故障影响因素。如果能够准确对电容寿命期间进入到末期进行预警，及时在保养期进行更换，则可以极大地降低因寿命因素导致的故障。因而实现对直流母线电容精准寿命预测，是提升风力发电可靠性的重点问题。
4.现有技术中针对于设备寿命评估，通常是在特定工况下通过获取设备运行数据构建寿命预测模型进行估计得到，估计精度依赖于模型构建的精度，但是直流母线电容寿命会受运行负载、工作电压、散热条件等多种因素影响，例如当运行在不同功率下，其流过电容的电流有效值是不同的，所造成的温升影响也是不同的；在直流母线电容高温连续工作下，其直流母线电容的容值将降低、谐波电流将会增加，这进一步造成了电容温升增加，会影响直流母线电容的寿命；在不同的地区，其风能资源也是不同的，对直流母线电容寿命的影响也是不同的，因而就难以构建得到精准描述直流母线电路损失特性的寿命预测模型，导致预测精度及可靠性不高。

技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、预测精度及可靠性高且灵活性强的风电变流器直流母线电容寿命预测方法及系统。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种风电变流器直流母线电容寿命预测方法，步骤包括：
8.s1.采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据ic并进
行频域分析；
9.s2.根据所述纹波电流数据在频域分析结果计算得到不同工况下直流母线电容损耗功率p
loss
；
10.s3.根据不同工况下所述直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升t
eh
；
11.s4.根据所述不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命le；
12.s5.获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，根据所述风速、功率变化信息以及所述不同功率下的电容温升t
eh
计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；
13.s6.根据指定时长内得到的所述变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。
14.进一步的，所述步骤s2中，按照下式计算得到所述直流母线电容损耗功率p
loss
：
[0015][0016]
其中，esr(fi)是电容在频率fi下的等效串联电阻，i
rms
(fi)是电容上纹波电流在频率fi下的有效值。
[0017]
进一步的，所述步骤s3中，按照下式计算得到所述不同功率下的电容温升t
eh
：
[0018]
t
eh
＝ta+ra×
p
loss
[0019]
其中，ta是环境温度，ra是等效热电阻从热点到环境温度。
[0020]
进一步的，所述步骤s4中，按照下式计算得到所述不同功率下直流母线电容预估寿命le：
[0021][0022]
其中，l0是额定寿命，v0是额定电压，v是实际工作电压，p1是电压系数，p2是温度系数，t
t
是额定温度。
[0023]
进一步的，所述步骤s5包括：
[0024]
s501.对被测风电变流器在指定时长内的连续变化曲线进行功率的频数统计，得到功率变化工况数据；
[0025]
s502.根据所述功率变化工况数据以及步骤s03得到的不同功率下的电容温升t
eh
计算得到所述变功率工况下的电容温升，根据所述变功率工况下的电容温升以及所述步骤s04得到的不同功率下直流母线电容预估寿命le计算得到变功率工况下的预估寿命。
[0026]
进一步的，所述步骤s6包括：对指定时长内得到的所述变功率工况下的预估寿命进行基于曲线拟合，得到韦尔分布的拟合系数，根据所述拟合系数得到在累计模型下被测风电变流器直流母线电容的最终预估寿命值。
[0027]
进一步的，所述步骤s1中，采用直流母线电容端的电流传感器采集所述纹波电流数据ic，并对所述纹波电流数据ic进行fft变换，得到在不同频率下的电流幅值。
[0028]
一种风电变流器直流母线电容寿命预测系统，包括：
[0029]
电流采集单元，用于采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据ic并进行频域分析；
[0030]
电容损耗功率单元，用于根据所述纹波电流数据在频域分析结果计算得到不同工
况下直流母线电容损耗功率p
loss
；
[0031]
电容温升单元，用于根据不同工况下所述直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升t
eh
；
[0032]
寿命初步计算单元，用于根据所述不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命le；
[0033]
变工况寿命计算单元，用于获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，根据所述风速、功率变化信息以及所述不同功率下的电容温升t
eh
计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；
[0034]
寿命预估单元，用于根据指定时长内得到的所述变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。
[0035]
一种计算机设备，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。
[0036]
一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序执行时实现如上述方法。
[0037]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过采集直流母线电容的纹波电流，计算出不同工况下的直流母线电容损耗功率以及不同功率下的电容温升，进而初步计算出不同功率下直流母线电容预估寿命，然后通过获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，进一步计算得到在变功率工况下的电容温升以及预估寿命，再综合指定时长内变功率工况下的预估寿命得到直流母线电容最终的寿命预估结果，能够考虑变化风速特征的实际变化工况，实现直流母线电容在变化运行工况下精准、可靠评估，以便于及时对直流母线电容进行预测性维护及更换，相比传统基于恒定功率的估计方法，能够有效提高预测的可靠性与精度。
附图说明
[0038]
图1是本实施例风电变流器直流母线电容寿命预测方法的实现流程示意图。
[0039]
图2是本实施例风电变流系统及其直流母线电容的拓扑结构示意图。
[0040]
图3是在具体应用实施例中得到的电容纹波电流及其fft分析结果示意图。
[0041]
图4是在具体应用实施例中得到的风场风速统计及其频数统计结果示意图。
[0042]
图5是在具体应用实施例中得到的预估寿命频数统计结果示意图。
[0043]
图6是在具体应用实施例中得到的电容寿命预计结果示意图。
具体实施方式
[0044]
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0045]
如图1所示，本实施例风电变流器直流母线电容寿命预测方法的步骤包括：
[0046]
s1.采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据ic并进行频域分析；
[0047]
s2.根据纹波电流数据在频域分析结果计算得到不同工况下直流母线电容损耗功率p
loss
；
[0048]
s3.根据不同工况下直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升t
eh
；
[0049]
s4.根据不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命le；
[0050]
s5.获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，根据风速、功率变化信息以及不同功率下的电容温升t
eh
计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；
[0051]
s6.根据指定时长内得到的变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。
[0052]
本实施例通过采集直流母线电容的纹波电流ic，计算出不同工况下的直流母线电容损耗功率p
loss
以及不同功率下的电容温升t
eh
，进而初步计算出不同功率下直流母线电容预估寿命le，然后通过获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，进一步计算得到在变功率工况下的电容温升以及预估寿命，再综合指定时长内变功率工况下的预估寿命得到直流母线电容最终的寿命预估结果，能够考虑变化风速特征的实际变化工况，实现直流母线电容在变化运行工况下精准、可靠评估，以便于及时对直流母线电容进行预测性维护及更换，相比传统基于恒定功率的估计方法，能够有效提高预测的可靠性与精度。
[0053]
本实施例中所使用的风力发电系统拓扑结构如图2所示，风电系统具体包括风力发电机、机侧整流器、网侧变流器、直流母线电容，其中直流母线电容是由多个电容通过串联并联方式形成电容组件，以为变流系统提供能量缓存、维持母线电压恒定、滤除谐波的重要作用。
[0054]
本实施例步骤s1中，在背靠背变流器中具体采用直流母线电容板端的电流传感器采集纹波电流数据ic，并对纹波电流数据ic进行fft变换，得到在不同频率下的电流幅值。电流传感器具体可以为具有采样电流功能的电流或单元，如采样电流、霍尔电流传感器、电流互感器或电流变送器等，优选的，可以选择高采样频率、高精度的霍尔电流传感器。由于整个诊断过程仅需采集流过电容的电流，且直接利用电容板端的电流传感器实现，无需借助于额外的电容器的温度采集，可以简化检测过程、减小检测成本，还可以避免温度传感器测量数据不准确而产生的误判。
[0055]
在风电变流器运行的过程中，变流器始终工作在最大风能捕获工作状态。在具体应用实施例中，采集多种典型风速下的发电功率，所对应的直流母线纹波电流ic的波形如图3中(a)结果所示，从图中可以看出受开关频率、非线性因素影响，流过直流母线电容的电流含有大量高频谐波。对采集的纹波电流进行fft分析，得到不同频率的电流幅值结果，如图3中(b)结果所示，从图中可以看出谐波电流主要包括开关频率谐波，该电流谐波流过电容将产生温升，进而影响电容寿命。
[0056]
本实施例步骤s2中，根据步骤s1得到的纹波电流的分析结果计算直流母线电容损耗功率p
loss
，直流母线电容损耗功率p
loss
的计算表达式具体为：
[0057][0058]
其中，esr(fi)是电容在频率fi下的等效串联电阻，i
rms
(fi)是电容上纹波电流在频率fi下的有效值。
[0059]
本实施例步骤s3中，通过步骤s2得到的直流母线电容损耗功率p
loss
计算不同功率下的电容温升t
eh
，计算表达式具体为：
[0060]
t
eh
＝ta+ra×
p
loss
ꢀꢀ
(2)
[0061]
其中，ta是环境温度，ra是等效热电阻从热点到环境温度。
[0062]
在具体应用实施例中，可以通过温度成像仪对直流母线电容的温度进行测量，然后与上述计算得到的电容温升值进行比较，以验证上述检测过程的精度，确保实现准确的温升估计。
[0063]
在具体应用实施例中，首先步骤s1利用直流母线电容端的电流传感器在典型工况下进行多次实时采样，得到电容上的纹波电流ic，并对该纹波电流ic进行fft数学频域分析，得到在不同频率下面的电流幅值；然后步骤s2根据典型工况下纹波电流ic的分析结果，进行功率损耗计算得到不同工况下的电容损耗数据p
loss1
、p
loss2
、p
loss3
…
，并测量变流器最初运行时的环境温度ta，然后步骤s3利用不同工况下的电容损耗数据，计算得到不同工况下的电容热点温度t
eh1
、t
eh2
、t
eh3
…
，以分析得到不同风速、发电功率下的初步寿命预估结果。
[0064]
本实施例步骤s4中，通过步骤s3得到的温升结果计算得到不同功率下直流母线电容预估寿命le，计算公式具体为：
[0065][0066]
其中，l0是额定寿命，v0是额定电压，v是实际工作电压，p1是电压系数，p2是温度系数，t
t
是额定温度。
[0067]
可以理解的是，上述公式(1)～(3)均可以根据实际需求进行优化调整，例如设置权重系数等，也可以根据实际需求采用其他的计算公式。
[0068]
本实施例中，步骤s5的具体步骤包括：
[0069]
s501.对被测风电变流器在指定时长内的连续变化曲线进行功率的频数统计，得到功率变化工况数据；
[0070]
s502.根据功率变化工况数据以及步骤s03得到的不同功率下的电容温升t
eh
计算得到变功率工况下的电容温升，根据变功率工况下的电容温升以及步骤s04得到的不同功率下直流母线电容预估寿命le计算得到变功率工况下的预估寿命。
[0071]
本实施例通过考虑风电变流器所在区域一定时长内的风速而引起的损耗、温升、估计寿命的变化，对被测风电变流器在指定时长内的连续变化曲线进行功率的频数统计，以构建形成电容损伤模型，进而利用功率变化工况数据计算出变功率工况下的预估寿命，可以有效表征长时间段内变功率工况下电容累计损伤影响，从而确保直流母线电容的预测精度以及可靠性。
[0072]
在具体应用实施例中，步骤s5首先对被测风电变流器所在区域的风速在整年(具体时长可根据实际需求配置选取)工作时间内的连续变化曲线进行风速频数统计，得到风速在一年内的工作变化时长。假设风机工作在最大风能捕获工作方式，发电功率其中v表示风速，c
p
表示风能利用系数，ρ表示空气密度，s表示扫风面积。然后根据步骤s3中的不同功率下的电容温升可以得到变功率工况下的电容温升，进一步利用该变功率工况下的电容温升，结合步骤s4中的不同功率下的预估寿命即可以得到变功率工况下的寿命估计结果。
[0073]
本实施例中，步骤s6的具体步骤包括：对指定时长内得到的变功率工况下的预估寿命进行基于曲线拟合，得到韦尔分布的拟合系数，根据拟合系数得到在累计模型下被测风电变流器直流母线电容的最终预估寿命值。本实施例通过利用多数据统计分布结果，推
导得到分布系数，进而得到最终的直流母线电容预估寿命，可以快速、精准的实现预测评估，且通过累计损伤模型，即可直接判断直流母线电容的剩余容值，无需复杂的仪器对电容进行观测。
[0074]
在具体应用实施例中，先通过对风电变流器所在区域风速在以往年份的统计记录结果，得到整年工作时间内的连续变化曲线，并对该曲线的风速进行频数统计，得到风速在一年内的工作时长，如图4中(a)所示，通过每一小时采样该区域的风速，年可采样得到采样点8760点，并将其进行频数统计，可得到其在不同的风速段工况下的出现的频率，如图4中(b)所示。假设风机工作在mttp工作模式下，根据计算得到的风速统计结果，即可相应推导得到其发电功率，根据功率-温升测试结果(不同功率下电容温升)，即可以得到电容温升的统计结果，进一步可以得到年变风速工况下的估算电容寿命统计结果，统计结果如图5所示。通过对该变风速工况下的电容预估风速频数的统计结果进行曲线系数拟合，得到韦尔分布的拟合系数，根据图5统计结果可估计得到韦尔系数具体a＝12.9，b＝3.75，利用得到系数即可得到在累计模型下的预估风电变流器直流母线电容预估寿命，例如取系数b_10表示出现10％故障下的电容运行寿命，如图6中估计得到的寿命7年。
[0075]
本实施例进一步还可以根据风力发电运维实际需求，在不同检修时段对电容寿命预测预警进行响应，保障风电变流产品的全生命周期无故障使用，避免因电容损坏使变流设备造成重大损伤。当判断到一旦达到寿命界限，则将按照等级预警更换。
[0076]
本实施例通过在背靠背变流器中分析直流母线电容的不同频率电流幅值，进而得到直流母线电容的功率损耗及温升，可初步得到预估电容寿命，进一步考虑由风速而引其的损耗、温升、估计寿命的变化，考虑变化运行工况的特性计算变化运行工况下的预估寿命，使得电容预估寿命预测更加准确、可靠性更高，能得到更接近实际直流母线电容寿命预测结果，利于有效地实现预测性维护。本发明可以应用于风电场的风电变流器的设计阶段，以利于风电变流器中直流母线电容的选择、散热设计等考虑，实现对风电变流器优化，提升风电变流器的使用寿命。
[0077]
本实施例风电变流器直流母线电容寿命预测系统包括：
[0078]
电流采集单元，用于采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据ic并进行频域分析；
[0079]
电容损耗功率单元，用于根据纹波电流数据在频域分析结果计算得到不同工况下直流母线电容损耗功率p
loss
；
[0080]
电容温升单元，用于根据不同工况下直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升t
eh
；
[0081]
寿命初步计算单元，用于根据不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命le；
[0082]
变工况寿命计算单元，用于获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，根据风速、功率变化信息以及不同功率下的电容温升t
eh
计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；
[0083]
寿命预估单元，用于根据指定时长内得到的变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。
[0084]
本实施例风电变流器直流母线电容寿命预测系统与上述风电变流器直流母线电
容寿命预测方法为一一对应，在此不再一一赘述。
[0085]
本实施例还提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行计算机程序以执行如上述方法。
[0086]
本实施例还提供存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序执行时实现如上述方法。
[0087]
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：

1.一种风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，步骤包括：s1.采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据i
c
并进行频域分析；s2.根据所述纹波电流数据在频域分析结果计算得到不同工况下直流母线电容损耗功率p
loss
；s3.根据不同工况下所述直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升t
eh
；s4.根据所述不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命l
e
；s5.获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，根据所述风速、功率变化信息以及所述不同功率下的电容温升t
eh
计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；s6.根据指定时长内得到的所述变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。2.根据权利要求1所述的风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s2中，按照下式计算得到所述直流母线电容损耗功率p
loss
：其中，esr(f
i
)是电容在频率f
i
下的等效串联电阻，i
rms
(f
i
)是电容上纹波电流在频率f
i
下的有效值。3.根据权利要求1所述的风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s3中，按照下式计算得到所述不同功率下的电容温升t
eh
：t
eh
＝t
a
+r
a
×
p
loss
其中，t
a
是环境温度，r
a
是等效热电阻从热点到环境温度。4.根据权利要求1所述的风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s4中，按照下式计算得到所述不同功率下直流母线电容预估寿命l
e
：其中，l0是额定寿命，v0是额定电压，v是实际工作电压，p1是电压系数，p2是温度系数，t
t
是额定温度。5.根据权利要求1所述的风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s5包括：s501.对被测风电变流器在指定时长内的连续变化曲线进行功率的频数统计，得到功率变化工况数据；s502.根据所述功率变化工况数据以及步骤s03得到的不同功率下的电容温升t
eh
计算得到所述变功率工况下的电容温升，根据所述变功率工况下的电容温升以及所述步骤s04得到的不同功率下直流母线电容预估寿命l
e
计算得到变功率工况下的预估寿命。6.根据权利要求1～5中任意一项所述的风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s6包括：对指定时长内得到的所述变功率工况下的预估寿命进行基于曲线拟合，得到韦尔分布的拟合系数，根据所述拟合系数得到在累计模型下被测风电变流器直流母线电容的最终预估寿命值。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的风电变流器直流母线电容寿命预测方法，其特征在于，所述步骤s1中，采用直流母线电容端的电流传感器采集所述纹波电流数据i
c
，并对所述纹波电流数据i
c
进行fft变换，得到在不同频率下的电流幅值。8.一种风电变流器直流母线电容寿命预测系统，其特征在于，包括：电流采集单元，用于采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据i
c
并进行频域分析；电容损耗功率单元，用于根据所述纹波电流数据在频域分析结果计算得到不同工况下直流母线电容损耗功率p
loss
；电容温升单元，用于根据不同工况下所述直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升t
eh
；寿命初步计算单元，用于根据所述不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命l
e
；变工况寿命计算单元，用于获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，根据所述风速、功率变化信息以及所述不同功率下的电容温升t
eh
计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；寿命预估单元，用于根据指定时长内得到的所述变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。9.一种计算机设备，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如权利要求1～7中任意一项所述方法。10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序执行时实现如权利要求1～7中任意一项所述的方法。

技术总结

本发明公开一种风电变流器直流母线电容寿命预测方法及系统，该方法步骤包括：S1.采集不同运行工况下被测风电变流器的直流母线电容的纹波电流数据并进行频域分析；S2.根据纹波电流数据计算得到不同工况下直流母线电容损耗功率；S3.根据直流母线电容损耗功率计算不同功率下的电容温升；S4.根据不同功率下的电容温升计算不同功率下直流母线电容预估寿命；S5.获取被测风电变流器在指定时长内的风速、功率变化信息，计算在变功率工况下的电容温升以及预估寿命；S6.根据指定时长内得到的变功率工况下的预估寿命，得到被测直流母线电容最终的寿命预估结果。本发明具有实现方法简单、预测精度及可靠性高且灵活性强优点。预测精度及可靠性高且灵活性强优点。预测精度及可靠性高且灵活性强优点。