CN104991161A - 双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，包括如下步骤：根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，建立其正常模型；对正常仿真模型定子某相某支路进行拆分和短路设置，得到双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模型；在外电路的连接中，正常情况下该相该支路线圈串联，定子绕组匝间短路时，将短路线圈短接。对仿真结果进行分析，计算定子三相电流的相位差、总谐波畸变率(THD)、Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长、离心率等，并提取定子三相电流的相位差、总谐波畸变率(THD)和Park矢量轨迹的离心率作为故障特征。

Description

双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法

技术领域：

本发明属于双馈风力发电机故障的建模和特征提取领域，具体涉及一种双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法。

背景技术：

双馈风力发电机广泛应用于风电产业中，它是风电机组的重要组成部分。由于其运行工况复杂，故障时有发生，直接影响电网的安全和效益。据统计，40％的故障与轴承有关，并有38％和20％的故障与电机的定子和转子有关。因此，若能够建立有效的双馈风力发电机早期故障的仿真模型，提取能够反映电机早期故障的特征量，则可以及早采取措施预防事故的发生。

为了研究双馈风力发电机定子绕组匝间短路的故障特征，可以在实验室搭建试验平台模拟真实的定子绕组匝间短路故障，但是该方法周期长、耗费大，而且易对电机造成永久性损坏。所以采用仿真方法建立双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障模型可以为其提供一个更好的解决方法，不仅可以模拟多种故障，而且可以反复实验，花费少、成效高，是研究者的首选。目前，基于有限元的定子绕组匝间短路模型多是通过在ANSYS Maxwell 2D中改变短路线圈匝数(朱喜华,李颖晖,张敬等.基于Ansoft的永磁同步电机早期匝间短路故障分析[J].大电机技术,2010,(5):35-39.张敬,李颖晖,朱喜华.基于Maxwell 2D的同步发电机定子绕组匝间短路故障研究[J].微电机,2010,43(11):93-96.)，或者同时改变定子绕组的匝数和阻抗值大小(马宏忠,张志艳,张志新等.双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究[J].电机与控制学报,2011,15(11):50-54.张志新,马宏忠,钱雅云等.基于有限元分析的双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障诊断研究[J].高压电器,2012,48(8).)来模拟电机的故障程度。但是这种仿真方法并不能模拟电机定子绕组匝间短路的真实情况，因为当定子绕组匝间短路时， 在短路匝之间会产生一个新的回路，该回路电流比相电流大得多。这个很大的回路电流流过线圈，使得线圈温度升高，进而对故障绕组及其周围绕组的绝缘材料产生不利影响，可能导致更大范围的匝间短路，甚至造成相间短路或相对地短路故障。因此该回路在仿真模型中不可或缺。

通常双馈风力发电机正常运行时电流信号的成分较复杂，定子绕组匝间短路时故障信号较微弱，干扰信号影响大，仅提取单一的特征无法作为有效判别故障与否，因此需要提取多种故障特征。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案予以实现：

双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，包括以下步骤：

1)根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，建立基于有限元的双馈风力发电机的正常仿真模型；

2)分别在其正常仿真模型和外电路中改变双馈风力发电机定子绕组的连接方式，对正常仿真模型定子某相某支路进行拆分和短路设置，得到双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模型；

3)在步骤2)得到的仿真模型中采集定子三相电流，提取定子三相电流的相位差，总谐波畸变率，以及Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率。

本发明进一步的改进在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：

根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，在电磁场仿真软件ANSYS Maxwell中建立双馈风力发电机的正常仿真模型。

本发明进一步的改进在于：电机设计参数包括定转子的内外径、轴长、槽数、极数、槽 尺寸、材料、绕组连接方式、节距、并联支路数及导线属性；电机运行参数包括额定输出功率、额定电压、额定功率因数、额定转速及频率。

本发明进一步的改进在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：

在正常仿真模型的基础上，对双馈风力发电机定子某相某支路进行拆分，将该支路某槽中导体一分为二，改变该支路的线圈连接方式，并在外电路中进行设置。

本发明进一步的改进在于：正常情况下，该支路所有线圈串联；定子绕组匝间短路时，通过开关将短路线圈短接，实现了双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模型的建立。

本发明进一步的改进在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)求解步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集定子三相电流i_A、i_B、i_C，计算相位差：

对定子三相电流信号分别做傅里叶变换，得到基频处的相位th1、th2和th3，通过两两做差并取绝对值，得到取绝对值后的相位差ψ_AB、ψ_BC及ψ_CA，其中，ψ_AB＝|th2-th1|，ψ_BC＝|th3-th2|，ψ_CA＝|th3-th1|，判断ψ_AB、ψ_BC和ψ_CA是否在0°～180°，如果大于180°，则取其与360°的差的绝对值作为相位差，直到ψ_AB、ψ_BC及ψ_CA均在0°～180°之间；

32)计算三相电流的总谐波畸变率：

根据步骤31)傅里叶变换之后的结果，计算各相电流中不大于阶数H的所有谐波分量有效值I_n与基波分量有效值I₁比值的方和根，得到各相总谐波畸变率THD：

$THD=\sqrt{\underset{n=2}{\overset{H}{\Σ}}{\left(\frac{I_n}{I_1}\right)}^2}$

式中，I_n为电流的第n次谐波的有效值，I₁为电流的基波有效值；

33)计算定子三相电流的Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率：

根据采样得到的定子三相电流i_A、i_B、i_C，计算其Park矢量其中，

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{i}_A-\frac{1}{\sqrt{6}}{i}_B-\frac{1}{\sqrt{6}}{i}_C\\ i_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{i}_B-\frac{1}{\sqrt{2}}{i}_C\end{array}\right.$

绘制Park矢量轨迹，并拟合得到椭圆的一般方程：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+1＝0

式中，椭圆的几何中心为(X_c，Y_c)，且有：

$X_c=\frac{BE-2CD}{4AC-B^2}$

$Y_c=\frac{BD-2AE}{4AC-B^2}$

则椭圆的长半轴长和短半轴长分别为：

$a=\sqrt{\frac{2({{\mathrm{AX}}_c}^2+{{\mathrm{CY}}_c}^2+{\mathrm{BX}}_c{Y}_c-1)}{A+C+\sqrt{{(A-C)}^2+B^2}}}$

$b=\sqrt{\frac{2({{\mathrm{AX}}_c}^2+{{\mathrm{CY}}_c}^2+{\mathrm{BX}}_c{Y}_c-1)}{A+C-\sqrt{{(A-C)}^2+B^2}}}$

那么，椭圆的离心率为：

$e=\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a}.$

本发明进一步的改进在于：阶数H的取值为奇数，且H大于等于9。

相对于现有技术，本发明的有益效果体现在：

本发明是在对比现有基于有限元仿真双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障仿真的方法的基础上，通过在双馈风力发电机的几何模型和外电路中改变定子绕组的连接方式，并且考虑了电机的端部效应，更为真实地模拟了定子绕组匝间短路故障。通过仿真不同匝数的定子绕组匝间短路，将其仿真结果与正常模型的仿真结果对比，验证了模型的正确性。

本发明通过采集定子三相电流，计算定子三相电流的相位差、总谐波畸变率(THD)和Park矢量的长半轴长、短半轴长、离心率，将相位差、总谐波畸变率(THD)和Park矢量的离心率作为故障特征，并不单一采用某个特征参量，这提高了故障诊断的成功率。

附图说明：

图1为本发明实施方法中双馈风力发电机正常模型建模的流程图。

图2为本发明双馈风力发电机建模中正常几何模型图。

图3为本发明实施方法中双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障模型建模的流程图。

图4为本发明双馈风力发电机仿真中定子绕组匝间短路故障几何模型图。

图5为本发明双馈风力发电机仿真中定子绕组匝间短路故障外电路图。

图6为本发明双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障特征提取流程图。

图7为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路1～9匝匝间短路时的定子电流相位差趋势图。

图8为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路1～9匝匝间短路时的定子电流总谐波畸变率趋势图。

图9为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路3、6、9匝匝间短路时的定子电流Park矢量轨迹图，其中，图9(a)为正常时的定子电流Park矢量轨迹图，图9(b)为3匝匝间短路时的定子电流Park矢量轨迹图，图9(c)为6匝匝间短路时的定子电流Park矢量轨迹图，图9(d)为9匝匝间短路时的定子电流Park矢量轨迹图。

图10为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路1～9匝匝间短路时的定子电流Park矢量离心率趋势图。

图11为本发明双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障建模及特征提取的整体流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，包括以下步骤：

1)根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，建立基于有限元的双馈风力发电机的正常模型，其流程图如图1所示，建模得到的正常几何模型如图2所示；

2)分别在其正常几何模型和外电路中改变双馈风力发电机定子绕组的连接方式，对正常仿真模型定子某相某支路进行拆分和短路设置，得到双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模型，其流程图如图3所示，建模得到的双馈风力发电机定子绕组匝间短路的几何模型如图4所示，外电路如图5所示；

3)求解步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集定子三相电流，提取定子三相电流的相位差，总谐波畸变率(THD)，以及Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率，特征提取流程图如图6所示。仿真双馈风力发电机正常和定子绕组1～9匝匝间短路故障，相位差趋势图见图7，总谐波畸变率趋势图见图8，Park矢量轨迹图见图9，离心率趋势图见图10。因此，双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障建模及特征提取的整体流程图如图11所示。

步骤1)建立发电机的几何模型时，仿真所用的电机参数如表1和表2所示，得到正常双馈风力发电机几何模型如图2所示，其中，发电机的转轴1由内至外依次转子2、转子绕组3、定子绕组5以及定子6，且转子绕组3与定子绕组5之间有气隙4。

表1：电机设计参数

参数	大小(定子/转子)	参数	大小(定子/转子)
				极数	4/4	轴长	290mm
槽数	72/60	绕组层数	2/2
				连接方式	Δ/Y	并联支路数	4/1
外径	520/350mm	每槽导体数	19/10
				内径	346.4/110mm	节距	15/13

表2：电机运行参数

参数	大小
		额定输出功率	110kW
额定电压	380V
		额定转速	1800rpm
额定功率因数	1
		频率	50Hz

步骤2)在步骤1)的基础上，在几何模型中改变发电机的定子绕组某支路线圈的连接方式，如图4所示；并在外电路中进行设置，如图5所示，正常情况下，定子绕组该支路线圈 串联，故障时刻将开关闭合，使得部分线圈被短接，实现了定子绕组匝间短路故障的模拟仿真。

步骤3)是在发电机正常和定子绕组A相一个支路1～9匝匝间短路的仿真后，对得到的定子三相电流进行分析，计算得到相位差、总谐波畸变率(THD)、Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长、离心率等，计算故障特征流程图如图6所示。计算得到的定子三相电流的相位差随故障程度的变化趋势如图7，正常情况下，三个相位差均约为120°，随着故障程度的增大，与故障相A相相关的AB、CA的相位差均发生了明显的变化，越来越偏离120°，而两非故障相BC间的相位差基本在120°不变，所以可用相位差作为故障特征，判断故障相和故障程度。定子三相电流的THD随故障程度的变化趋势如图8所示，由于固有的一些谐波分量，所以在无故障时定子三相电流的THD也都较大，故障相A相的总谐波畸变率与故障程度(短路匝数)在1～9匝短路范围内呈现线性变化趋势，THD随故障程度加深而增大，两非故障相的THD变化较小，所以可用THD作为故障特征，判断故障相和故障程度。正常，3匝、6匝、9匝短路的Park矢量轨迹见图9，随故障程度加深，椭圆长轴越来越长，短轴原来越短，离心率越来越大，但是由于长轴长和短轴长依赖于所选用的电机参数，所以并不适合作为故障特征，而离心率在正常电机中的理想值为0，随着故障程度的加深，会逐渐增大，如图10所示，所以可将其作为故障特征。因此，双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障建模及特征提取的整体流程图如图11所示。

综上所述，基于双馈风力发电机的设计参数和运行参数，建立双馈风力发电机的正常模型，改变定子某相某支路的线圈连接方式，建立双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障模型，采集定子三相电流，提取定子三相电流的相位差、总谐波畸变率(THD)和Park矢量轨迹的离心率作为故障特征，为下一步进行故障诊断提供方法和依据。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明 构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，建立基于有限元的双馈风力发电机的正常仿真模型；

2)分别在其正常仿真模型和外电路中改变双馈风力发电机定子绕组的连接方式，对正常仿真模型定子某相某支路进行拆分和短路设置，得到双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模型；

3)求解步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集定子三相电流，提取定子三相电流的相位差，总谐波畸变率，以及Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率。

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：

根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，在电磁场仿真软件ANSYS Maxwell中建立双馈风力发电机的正常仿真模型。

3.根据权利要求2所述双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：电机设计参数包括定转子的内外径、轴长、槽数、极数、槽尺寸、材料、绕组连接方式、节距、并联支路数及导线属性；电机运行参数包括额定输出功率、额定电压、额定功率因数、额定转速及频率。

4.根据权利要求1所述的双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：

在正常模型的基础上，对双馈风力发电机定子某相某支路进行拆分，将该支路某槽中导体一分为二，改变该支路的线圈连接方式，并在外电路中进行设置。

5.根据权利要求4所述双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：正常情况下，该支路所有线圈串联；定子绕组匝间短路时，通过开关将短路线圈短接，实现了双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模型的建立。

6.根据权利要求1所述的双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集定子三相电流i_A、i_B、i_C，计算相位差：

对定子三相电流信号分别做傅里叶变换，得到基频处的相位th1、th2和th3，通过两两做差并取绝对值，得到取绝对值后的相位差ψ_AB、ψ_BC及ψ_CA，其中，ψ_AB＝|th2-th1|，ψ_BC＝|th3-th2|，ψ_CA＝|th3-th1|，判断ψ_AB、ψ_BC和ψ_CA是否在0°～180°，如果大于180°，则取其与360°的差的绝对值作为相位差，直到ψ_AB、ψ_BC及ψ_CA均在0°～180°之间；

32)计算三相电流的总谐波畸变率：

根据步骤31)傅里叶变换之后的结果，计算各相电流中不大于阶数H的所有谐波分量有效值I_n与基波分量有效值I₁比值的方和根，得到各相总谐波畸变率THD：

$THD=\sqrt{\underset{n=2}{\overset{H}{\Σ}}{\left(\frac{I_n}{I_1}\right)}^2}$

式中，I_n为电流的第n次谐波的有效值，I₁为电流的基波有效值；

33)计算定子三相电流的Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率：

根据采样得到的定子三相电流i_A、i_B、i_C，计算其Park矢量其中，

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{i}_A-\frac{1}{\sqrt{6}}{i}_B-\frac{1}{\sqrt{6}}{i}_C\\ i_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{i}_B-\frac{1}{\sqrt{2}}{i}_C\end{array}\right.$

绘制Park矢量轨迹，并拟合得到椭圆的一般方程：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+1＝0

式中，椭圆的几何中心为(X_c，Y_c)，且有：

$X_c=\frac{BE-2CD}{4AC-B^2}$

$Y_c=\frac{BD-2AE}{4AC-B^2}$

则椭圆的长半轴长和短半轴长分别为：

$a=\sqrt{\frac{2({{\mathrm{AX}}_c}^2+{{\mathrm{CY}}_c}^2+{\mathrm{BX}}_c{Y}_c-1)}{A+C+\sqrt{{(A-C)}^2+B^2}}}$

$b=\sqrt{\frac{2({{\mathrm{AX}}_c}^2+{{\mathrm{CY}}_c}^2+{\mathrm{BX}}_c{Y}_c-1)}{A+C-\sqrt{{(A-C)}^2+B^2}}}$

那么，椭圆的离心率为：

$e=\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a}.$

7.根据权利要求6所述的双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，其特征在于：阶数H的取值为奇数，且H大于等于9。