CN106054078A - 一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，该方法包括如下步骤：获取待故障识别的海上双馈电机定子三相电压和定子三相电流；将定子三相电压和定子三相电流经改进的Park’s矢量法计算得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p；判断匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值是否到达故障预警值，若是则该待故障识别的海上双馈电机发生定子绕组匝间短路故障。与现有技术相比，本发明具辨识方法对电机定子电压不平衡和负载变化具有鲁棒性，辨别准确性强。

Description

一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法

技术领域

本发明涉及一种海上双馈电机故障辨识方法，尤其是涉及一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法。

背景技术

近年我国出台了一系列的政策和措施鼓励海上风电的发展，随着许多近海风电项目的顺利建成并网，我国的近海风电产业链已初步建成。在国家“十三五”能源规划中，深水、远海、大规模海上风电场已经成为我国海上风电发展的一个重要趋势；双馈风力发电系统中变频器仅流过转差功率，具有投资损耗小、发电效率高、谐波吸收方便等优点，使得双馈风电机组已成为深远海风力发电机的主流机型之一。

大容量、深远海风电机组运行环境恶劣，故障率较高，据统计海上风电机组故障占风电场故障的90％以上，发电机是海上风电机组故障率较高的部件之一，其中定子绕组的故障占发电机故障的38％，匝间短路是电机定子绕组故障的主要形式，如果匝间短路得不到及时维修，则其可以在以很短的时间内演变成相间短路，甚至引起接地短路等故障。另外，由于海上风电机组一旦发生故障时，其维修难度大、维护时间长、维修费用高以及停运损失大等，因此，迫切需要及早发现海上风电机组的电气缺陷，以免故障恶化导致毁灭性事故的发生。

现有的风电机组故障辨识方法可分为传统的经典方法、数学方法，以及智能化的故障诊断方法三大类，其中最经典、发展最成熟以及应用最广泛的是频谱分析法。电机发生定子绕组匝间短路故障直接影响的是定子电流，作者李俊卿等人在电力系统自动化上发表的题名为：双馈感应电机定子绕组匝间短路故障稳态分析的文章，该文章分析了故障前后的定子电流，指出当电机定子绕组发生匝间短路故障时定子电流将会出现f_s＝(n(1-s)/p±k)f次谐波(其中s为转差率；f为电源供电频率；n＝1,2,3…；k＝1,3,5…；p为电机的极对数)，通过监测上述谐波幅值的变化实现早期故障辨识；M.hamed Drif等人在IEEETransaction on Industrial Information上发表了题名为：Stator Fault Diagnosticsin Squirrel Cage Three-Phase Induction Motor Drives Using the InstantaneousActive and Reactive Power Signature Analyses的文章，该文章分析了定子绕组匝间短路故障对定子电流带来的影响的基础上，提出以定子单相瞬时有功和无功功率的2倍基频分量作为故障特征量的故障辨识方法；马宏忠等在电力系统自动化上发表了题名为：基于转子瞬时功率谱的双馈风力发电机定子绕组故障诊断的文章，该文章提出将转子单相瞬时功率2倍基频分量的幅值作为故障特征量，辨识定子绕组匝间短路故障；S.Sarkar等在2013IEEE 1^st International Conference on Condition Assessment Techniques inElectrical Systems上发表了题名为：Wavelet and SFAM Based Classification ofInduction Motor Stator Winding Short Circuit Faults and Incipient InsulationFailures的文章，该文章提出扩展Park’s矢量法，以Park’s矢量模的2倍基频分量作为故障特征量，能够实现定子绕组匝间短路的早期故障辨识，但易受实际运行工况中常见的定子电压不平衡和负载变化的影响，从而导致误判和漏判。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取待故障识别的海上双馈电机定子三相电压和定子三相电流；

(2)将定子三相电压和定子三相电流经改进的Park’s矢量法计算得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p：

I_2p＝3I_p|I_fn|，

|I_fn|为匝间短路故障引起的负序电流幅值，I_p为定子正序电流幅值；

(3)判断匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值是否到达故障预警值，若是则该待故障识别的海上双馈电机发生定子绕组匝间短路故障。

所述的步骤(2)具体为：

(201)根据定子三相电压计算得到定子负序电压V_un＝V_un∠φ_n＝V_unx+jV_uny，V_un为定子负序电压幅值，φ_n为定子负序电压初相角，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)；

(202)根据定子三相电流计算得到定子正序电流和定子负序电流其中，I_p为定子正序电流幅值，为定子正序电流初相角，I_n为定子负序电流幅值，为定子负序电流初相角，

(203)获取负序阻抗角

(204)根据公式(1)计算得到匝间短路故障引起的负序电流I_fn：

$\begin{array}{c}{I}_{fn}=I_n-I_{un}-I_{an}=I_n-\frac{V_{un}}{1/tan\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}\\ +a_2\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_3\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}---\left(1\right)$

其中I_un为定子电压不平衡引起的负序电流，I_an为负载变化引起的负序电流，a_i和b_j为负序电流的特性参数，其中i＝0,1,2,3,4,5，j＝0,1,2,3,4；

(205)计算I_2p＝3I_p|I_fn|得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p。

负序电流的特性参数a_i和b_j通过预先对与待故障识别的海上双馈电机相同的测试电机进行参数辨识来获取。

负序电流的特性参数a_i和b_j具体通过如下方式来获取：

(a1)对于公式(1)，赋值I_fn＝I_un＝0，得到公式(2)：

$I_n=I_{an}=-(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)---\left(2\right)$

(a2)保持测试电机定子三相电压平衡，在不同转速下采集定子三相电流，根据定子三相电流获取定子正序电流和定子负序电流

(a3)根据(a2)中获取的数据对公式(2)采用非线性最小二乘法进行参数辨识得到b_j，j＝0,1,2,3,4；

(a4)对公式(1)赋值I_fn＝0，得到公式(3)：

$\begin{array}{c}{I}_n=\frac{V_{un}}{1/\tan \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}+a_2\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_3\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}---\left(3\right)$

(a5)保持测试电机转速恒定，在不同定子三相电压不平衡度下采集定子三相电压和定子三相电流，根据定子三相电压计算得到定子负序电压V_un＝V_un∠φ_n＝V_unx+jV_uny，V_un为定子负序电压幅值，φ_n为定子负序电压初相角，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)，根据定子三相电流计算得到定子正序电流和定子负序电流其中，I_p为定子正序电流幅值，为定子正序电流初相角，I_n为定子负序电流幅值，为定子负序电流初相角，同时获取负序阻抗角

(a6)采用步骤(a5)中的获取的数据以及步骤(a3)辨识的b_j对公式(3)采用非线性最小二乘法进行参数辨识得到a_i，i＝0,1,2,3,4,5。

根据定子三相电压计算定子负序电压以及根据定子三相电流计算定子正序电流和定子负序电流具体通过下述方式实现：

将检测的定子三相电压或定子三相电流分别通过PLL锁相环得到定子三相电压或定子三相电流的幅值和相位，进而得到定子三相电压或定子三相电流的向量形成，然后通过对称分量法计算得到定子正序电压、定子负序电压、定子正序电流和定子负序电流。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明将定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p＝3I_p|I_fn|作为故障判断的故障特征量，该故障特征量中|I_fn|为匝间短路故障引起的负序电流幅值，在|I_fn|获取时滤除了定子电压不平衡引起的负序电流以及负载变化引起的负序电流，从而避免了定子电压不平衡和负载变化对故障辨识的影响，进而该故障辨识方法能够及时发现电机故障，同时对电机定子电压不平衡和负载变化具有鲁棒性，以便及时做出处理，提高双馈电机的使用寿命，避免灾难性故障的发生减少因故障造成的经济损失；

(2)负序电流的特性参数a_i和b_j通过预先对与待故障识别的海上双馈电机相同的测试电机进行参数辨识来获取，对于每种不同的电机均有符合自身特性的参数a_i和b_j，提高最后故障辨识结果的准确性。

附图说明

图1为本发明海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法的流程图；

图2为电机处于正常状态且在负载相同的条件下，不同电压不平衡度对Park’s矢量模平方的2倍基频分量I′_2p影响的实验结果；

图3为电机处于正常状态且在负载相同的条件下，采用本发明方法滤除电压不平衡影响后定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果；

图4为在电机正常且电压保持平衡的条件下，负载变化对Park’s矢量模平方的2倍基频分量I′_2p影响的实验结果；

图5为在电机正常且电压保持平衡的条件下，采用本文所提方法滤除负载变化后定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果；

图6为采用本发明方法在定子电压不平衡和负载变化并存时定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果；

图7为采用本发明方法在不同定子绕组短路匝数时定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

现有的Park’s矢量法的原理，当理想的三相电流i_A，i_B，i_C经过3s/2s变换得到i_α、i_β，因理想的三相电流其只含有正序分量，得到如下公式：

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}=(\sqrt{6}/2)I_{p}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)\\ i_{\mathrm{\β}}=(\sqrt{6}/2)I_p\cos \left(\mathrm{\ω}t\right)\end{array}---\left(1\right)$

从式(1)可知当以i_α为横坐标，i_β为纵坐标，理想工况下其轨迹为一规则圆形；而当三相电流处于非理想工况时，三相电流中除了含有正序分量外，还含有负序分量，x轴为Park’s矢量圆的短轴所在坐标轴，y为Park’s矢量圆的长轴所在坐标轴，得到i_x、i_y为：

$\begin{array}{c}{i}_x=(\sqrt{6}/2)(I_p-I_n)\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)\\ i_y=(\sqrt{6}/2)(I_p+I_n)\cos \left(\mathrm{\ω}t\right)\end{array}---\left(2\right)$

从式(2)可得，非理想工况下Park’s矢量轨迹为椭圆形，式(1)、(2)中的I_p和I_n分别为定子电流的正序电流的模值和负序电流的模值。

由于Park’s矢量法是通过观察Park’s矢量轨迹的椭圆程度来实现故障辨识，工程应用中存在两个问题：一方面，Park’s矢量轨迹为椭圆难以判断是由于非理想工况的影响，还是来自于轻微匝间故障；另一方面，此方法需要借助图像识别，受限于图像识别的精度判断。

因此，有学者提出的扩展Park’s矢量法，其实质是对Park’s矢量模进行频谱分析，将其故障特征用数字量化，可避免图像识别的模糊性，以实现早期故障的精确辨识。

$I_p=\sqrt{i_x^2+i_y^2}=\frac{\sqrt{6}}{2}\sqrt{I_p^2+I_n^2+2I_p{I}_{n}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)}---\left(3\right)$

式(3)中的I_p定义为Park’s矢量模，从其表达式可以看出其频谱中含有直流分量和2倍频分量，通过检查其中的2倍频分量实现故障辨识，即为扩展Park’s矢量法，从式(3)可以看出I_p的2倍基频分量的模值和负序电流的模值有关，对于双馈电机其定子电压不平衡和负载变化都会影响定子电流的负序分量，使其故障辨识精确性降低。为了滤除定子电压不平衡和负载变化的影响对扩展Park’s矢量法，对式(3)做如下处理：

$I_p^2=i_x^2+i_y^2=\frac{3}{2}(I_p^2+I_n^2)+3I_p{I}_{n}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)---\left(4\right)$

i_2p＝I_2pcos(2ωt)＝3I_pI_ncos(2ωt) (5)

式(5)为Park’s矢量模平方的2倍基频分量，定义其幅值I_2p为新的故障特征量。从式(5)可得其值和定子的正负序电流有关，因此若提高该方法的故障辨识精确，可以从定子正负序电流出发。由于定子正序电流受定子电压不平衡和负载变化等实际工况的影响较小；而定子的负序电流除了受定子绕组匝间短路的影响，受定子电压不平衡和负载的变化的影响较大，故需设法滤除实际工况对定子负序电流的影响。

对于正常电机，定子的负序电流不仅受定子电压不平衡的影响，并且受负载变化的影响。其中负载变化影响定子负序电流是因为电机铁芯的饱和程度发生改变以及电机的固有不对称。故电机定子电流的总负序电流由以下三部分构成：

I_n＝I_un+I_fn+I_an (6)

式(6)中I_n为定子负序电流，I_un为定子电压不平衡引起的负序电流，I_an为负载变化引起的负序电流，I_fn为匝间短路故障引起的负序电流。

其中，定子电压不平衡引起的负序电流可以通过正常电机的负序阻抗Z_n和电压不平衡时的负序电压V_un求得：

$Z_n=\frac{V_{un}}{I_n}=R_n+{\mathrm{jX}}_n---\left(7\right)$

$I_{un}=\frac{V_{un}}{Z_n}=I_{unx}+{\mathrm{jI}}_{uny}---\left(8\right)$

式(7)为正常电机的负序阻抗，式(8)为求取定子电压不平衡引起的负序电流的公式，由于负序阻抗的电阻R_n易受热效应的影响使其值发生改变，为了消除电阻的热效应：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\arctan (X_n/R_n)\\ =\arctan (U_{uny}/U_{unx})-\arctan (I_{uny}/I_{unx})\end{array}---\left(9\right)$

R_n＝X_n/tan(θ_n) (10)

可以得到：

$I_{un}=\frac{V_{un}}{Z_n}=\frac{V_{un}}{1/tan\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}{X}_n^{-1}---\left(11\right)$

通过式(11)求得I_un不再受电阻热效应的影响，式中X_n为负序阻抗的电抗。由于电机的负序电抗的值受正序电流I_p的影响，同时也受定子的负序电压的幅值V_un和负序电压初相角的影响，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)，故负序电抗可以用定子正序电流I_p、V_un和φ_n的非线性函数表示，其中I_p为定子正序电流幅值，为定子正序电流初相角，

$\begin{array}{c}{X}_n^{-1}=a_0+a_1{V}_{un}+a_2\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+\\ a_3\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\end{array}---\left(12\right)$

由电机固有不对称和电机铁芯饱和程度发生改变引起的负序电流I_an可近似认为电机正常时的定子电流的正序分量I_px和I_py的2阶非线性函数，即：

$I_{an}=b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2---\left(13\right)$

由式(6)、(11)、(12)和(13)可得由故障引起的负序电流的表达式为：

$\begin{array}{c}{I}_{fn}=I_n-I_{un}-I_{an}=I_n-\frac{V_{un}}{1/tan\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}\\ +a_2\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_3\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}---\left(14\right)$

上式中的参数a_i(i＝0,1,2,3,4,5)和b_j(j＝0,1,2,3,4)为负序电流的特性参数。

结合式(5)和式(14)可得，滤除定子电压不平衡和负载变化影响后，定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值为：

I_2p＝3I_p|I_fn| (15)

其中，I_p为定子正序电流幅值，|I_fn|为匝间短路故障引起的负序电流幅值，此时新故障特征量：Park’s矢量模的平方的2倍频分量，其幅值只与定子绕组匝间短路有关。

因此如图1所示为本发明一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤1：获取待故障识别的海上双馈电机定子三相电压和定子三相电流；

步骤2：将定子三相电压和定子三相电流经改进的Park’s矢量法计算得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p：

I_2p＝3I_p|I_fn|，

I_p为定子正序电流幅值，|I_fn|为匝间短路故障引起的负序电流幅值；

步骤3：判断匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值是否到达故障预警值，若是则执行步骤4，否则返回步骤1；

步骤4：该待故障识别的海上双馈电机发生定子绕组匝间短路故障，进行故障处理。

所述的步骤2具体为：

(201)根据定子三相电压计算得到定子负序电压V_un＝V_un∠φ_n＝V_unx+jV_uny，V_un为定子负序电压幅值，φ_n为定子负序电压初相角，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)；

(202)根据定子三相电流计算得到定子正序电流和定子负序电流其中，I_p为定子正序电流幅值，为定子正序电流初相角，I_n为定子负序电流幅值，为定子负序电流初相角，

(203)获取负序阻抗角

(204)根据公式(1)计算得到匝间短路故障引起的负序电流I_fn：

$\begin{array}{c}{I}_{fn}=I_n-I_{un}-I_{an}=I_n-\frac{V_{un}}{1/tan\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}\\ +a_2\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_3\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}$

其中I_un为定子电压不平衡引起的负序电流，I_an为负载变化引起的负序电流，a_i和b_j为负序电流的特性参数，其中i＝0,1,2,3,4,5，j＝0,1,2,3,4；

(205)计算I_2p＝3I_p|I_fn|得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p。

负序电流的特性参数a_i和b_j通过预先对与待故障识别的海上双馈电机相同的测试电机进行参数辨识来获取。具体地辨识过程如下：

首先对负序电流的特性参数b_j进行辨识，辨识时对定子电压平衡状态下不同转速的实验进行数据采样，为了提高参数辨识的准确性，可以采样多种不同转速下的数据，由于定子电压保持平衡，且电机处于正常状态，I_fn和I_un为0，所以公式(14)变为：

$I_n=I_{an}=-(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)---\left(16\right)$

由式(16)可知在辨识参数b_j时，只需要检测定子三相电流即可，假设采样得到的三相定子电流为i_a，i_b，i_c，通过PLL锁相环可以检测得到的三相电流的相角和幅值，从而转换成相量的形式为I_a,I_b,I_c，运用对称分量法计算定子电流的正负序分量如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}_p\\ I_n\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]---\left(17\right)$

式中α＝e^j120。、α²＝e^j240。。通过式(17)可以计算得到I_p和I_n，并且式中为定子正序电流初相角，I_p为定子正序电流幅值，所以式(16)的输入I_px、I_py和的输出I_n，再结合非线性最小二乘法对实现对式(16)中的参数进行辨识。

然后对负序电流的特性曲线a_i进行辨识，辨识时对电机转速恒定下不同电压不平衡度的实验进行数据采样，此时电机处于正常状态故I_fn为零，而I_an的参数已经辨识得到，只要I_px和I_py知道，就可以求出I_an的值，所以式(14)变成：

$\begin{array}{c}{I}_n=\frac{V_{un}}{1/\tan \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}+a_2\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_3\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}---\left(18\right)$

由式(18)可知在辨识参数a_j时，需要检测定子三相电压和电流，假设采样得到的三相定子电压和电流分别为u_a，u_b，u_c和i_a，i_b，i_c，通过PLL锁相环可以检测得到的三相电压和电流的相位和幅值，从而转换成相量的形式为U_a,U_b,U_c和I_a,I_b,I_c，运用对称分量法计算定子电压的正负序分量如下：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{up}\\ V_{un}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]---\left(19\right)$

通过式(19)可以计算得到V_un，并且V_un＝V_unx+jV_uny＝V_un∠φ_n，其中V_un为负序电压的幅值和负序电压的初相角φ_n，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)。

而I_n由式(17)可得，并且其中I_n为定子负序电流的幅值，为定子负序电流初相角，所以可得负序阻抗角 所以得到式(18)的输入定子负序电压V_un，以及其幅值V_un和负序电压初相角φ_n，定子正序电流的I_px和I_py、以及负序阻抗角θ_n，是(18)的输出负序电流I_n，此时结合非线性最小二乘法可以实现对式(18)中的参数a_i进行辨识。

本实施例中首先保持定子电压平衡，运用ZH-102型便携式录波仪对电机在不同负载下的实验数据进行采样，为了提高参数估计的精确性，在6组不同的负载条件下总共取样2400组数据，每种负载条件下取样400组数据，然后再运用上述参数辨识方法对b_j的值进行辨识，j＝0,1,2,3,4；然后保持负载不变，运用ZH-102型便携式录波仪对电机在不同定子电压不平衡度下的实验数据进行采样。同上，为了提高参数估计的精确性，在7组不同电压不平衡度条件下总共取样2800组数据，每种电压不平衡度条件下取样400组数据，然后运用上述参数辨识方法对a_i的值进行辨识，i＝0,1,2,3,4,5。然后进行故障辨识，获取待故障识别的海上双馈电机定子三相电压和定子三相电流并进行相关计算处理，最后得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p：

$\begin{array}{c}{I}_{2p}=3I_p\left|I_{fn}\right|=3I_p|I_n-\frac{V_{un}}{1/\tan \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[0.0261+0.0526V_{un}+0.0758\sin \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)\\ +0.0132\cos \left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+0.0024I_{px}-0.0015I_{py}^2\]-0.3978-0.0003I_{px}-0.0003I_{px}^2\\ -0.0009I_{py}-0.0010I_{py}^2|\end{array},$

图2为当电机处于正常状态且在负载相同的条件下，未采用本发明方法时不同电压不平衡度对Park’s矢量模平方的2倍基频分量I′_2p影响的实验结果，图中m为电压不平衡度，据图2可知：I′_2p的值随着定子电压的不平衡度的增加而增大，因定子绕组发生匝间短路故障会使I′_2p的值增大，所以需滤除定子电压不平衡对I′_2p的影响。图3为电机处于正常状态且负载相同的条件下，不同电压不平衡度下运用本文方法滤除因定子电压不平衡后定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果。据图3可得：I_2p的值随着定子电压不平衡度的增加而保持不变，实现了对定子电压不平衡的免疫。经过处理的负序电流和实际的电流会有误差，这是因为参数估计存在误差所致，不影响辨识结果。

同理，图4为在电机正常且电压保持平衡的条件下，双馈电机负载发生改变时(即转差率s发生改变)对Park’s矢量模平方的2倍基频分量I′_2p影响的实验结果，图中s为转差率，从图4可得I′_2p的值随着电机转差率的增大而变大，因海上双馈并网系统其转差率受海上风速的影响巨大，故障辨识时必须滤除电机负载变化对I′_2p的影响。图5为电机正常且电压保持平衡的条件下，运用本文所提方法滤除负载变化后定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果，从实验结果可得：滤除后I_2p的值不随着负载的变化而变化，实现了对负载变化的免疫。

图6为采用本发明方法在定子电压不平衡和负载变化并存时定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果，图6中n为定子绕组短路匝数，m为电压不平衡度，s为转差率，从图6可得：当定子绕组短路匝数相同时，定子电压不平衡度和负载变化都不会影响I_2p，当定子绕组短路匝数改变时I_2p的值将会发生变化，对定子电压不平衡和负载变化具有很好的免疫性。图7为不同定子绕组短路匝数时采用本发明方法定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p的实验结果，n为定子绕组短路匝数，据图7可得该方法可精确辨识定子绕组故障轻微短路匝数下的早期故障，具有很高的灵敏度和可靠性。

实验结果表明，此故障特征量对定子绕组匝间短路早期故障辨识具有高灵敏性和高可靠性，对定子电压不平衡和负载变化等非理想运行工况具有鲁棒性。

Claims (5)

1.一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)获取待故障识别的海上双馈电机定子三相电压和定子三相电流；

(2)将定子三相电压和定子三相电流经改进的Park’s矢量法计算得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p：

I_2p＝3I_p|I_fn|，

|I_fn|为匝间短路故障引起的负序电流幅值，I_p为定子正序电流幅值；

(3)判断匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值是否到达故障预警值，若是则该待故障识别的海上双馈电机发生定子绕组匝间短路故障。

2.根据权利要求1所述的一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：

(201)根据定子三相电压计算得到定子负序电压V_un为定子负序电压幅值，φ_n为定子负序电压初相角，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)；

(202)根据定子三相电流计算得到定子正序电流和定子负序电流其中，I_p为定子正序电流幅值，为定子正序电流初相角，I_n为定子负序电流幅值，为定子负序电流初相角，

(203)获取负序阻抗角

(204)根据公式(1)计算得到匝间短路故障引起的负序电流I_fn：

$\begin{array}{c}{I}_{fn}=I_n-I_{un}-I_{an}=I_n-\frac{V_{un}}{1/tan\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}\\ +a_{2}sin\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_{3}cos\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}---\left(1\right)$

其中I_un为定子电压不平衡引起的负序电流，I_an为负载变化引起的负序电流，a_i和b_j为负序电流的特性参数，其中i＝0,1,2,3,4,5，j＝0,1,2,3,4；

(205)计算I_2p＝3I_p|I_fn|得到定子绕组匝间短路故障引起的2倍基频分量幅值I_2p。

3.根据权利要求2所述的一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，负序电流的特性参数a_i和b_j通过预先对与待故障识别的海上双馈电机相同的测试电机进行参数辨识来获取。

4.根据权利要求3所述的一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，负序电流的特性参数a_i和b_j具体通过如下方式来获取：

(a1)对于公式(1)，赋值I_fn＝I_un＝0，得到公式(2)：

$I_n=I_{an}=-(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)---\left(2\right)$

(a2)保持测试电机定子三相电压平衡，在不同转速下采集定子三相电流，根据定子三相电流获取定子正序电流和定子负序电流

(a3)根据(a2)中获取的数据对公式(2)采用非线性最小二乘法进行参数辨识得到b_j，j＝0,1,2,3,4；

(a4)对公式(1)赋值I_fn＝0，得到公式(3)：

$\begin{array}{c}{I}_n=\frac{V_{un}}{1/tan\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+j}\[a_0+a_1{V}_{un}+a_{2}sin\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_{3}cos\left(2{\mathrm{\φ}}_n\right)+a_4{I}_{px}+a_5{I}_{py}^2\]\\ -(b_0+b_1{I}_{px}+b_2{I}_{px}^2+b_3{I}_{py}+b_4{I}_{py}^2)\end{array}---\left(3\right)$

(a5)保持测试电机转速恒定，在不同定子三相电压不平衡度下采集定子三相电压和定子三相电流，根据定子三相电压计算得到定子负序电压V_un＝V_un∠φ_n＝V_unx+jV_uny，V_un为定子负序电压幅值，φ_n为定子负序电压初相角，φ_n＝arctan(V_uny/V_unx)，根据定子三相电流计算得到定子正序电流和定子负序电流其中，I_p为定子正序电流幅值，为定子正序电流初相角，I_n为定子负序电流幅值，为定子负序电流初相角，同时获取负序阻抗角

(a6)采用步骤(a5)中的获取的数据以及步骤(a3)辨识的b_j对公式(3)采用非线性最小二乘法进行参数辨识得到a_i，i＝0,1,2,3,4,5。

5.根据权利要求4或所述的一种海上双馈电机定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，根据定子三相电压计算定子负序电压以及根据定子三相电流计算定子正序电流和定子负序电流具体通过下述方式实现：

将检测的定子三相电压或定子三相电流分别通过PLL锁相环得到定子三相电压或定子三相电流的幅值和相位，进而得到定子三相电压或定子三相电流的向量形成，然后通过对称分量法计算得到定子正序电压、定子负序电压、定子正序电流和定子负序电流。