CN107656203B - 一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法。所述方法包括：S1，根据发电机在第一时刻的第一输出功率和在第二时刻的第二输出功率，确定发电机是否存在失磁故障；S2，若发电机存在失磁故障，则根据发电机在第三时间段内的机端一相电压的采样值，确定发电机的失磁故障类型；S3，根据发电机的失磁故障类型，确定发电机的失磁故障程度指标。本发明提供的方法，通过测量常规数据和简便的数学计算，就可实现发电机失磁故障的检测以及失磁故障程度的评估，使得对于发电机失磁故障检测的操作更加方便快捷。并且所述方法不仅能够确定发电机是否存在失磁故障，还能精确获得发电机的失磁故障程度，对于发电机的故障诊断和维修具有重要意义。

Description

一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法

技术领域

本发明涉及故障诊断领域，更具体地，涉及一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法。

背景技术

近年来，在全球能源危机及环境污染日益严重的背景下，发展可再生能源开始受到社会普遍关注。风能作为一种清洁的可再生能源，因为其绿色环保、蕴含量大和成本较低等自身特性，越发受到世界各国的发展和推广。而永磁同步电机因其采用永磁体结构，与电励磁结构电机相比，更适合做成风力发电环境中所要求的多极低速结构，并且其省去了电刷和滑环，提高了发电可靠性和发电效率，在风力发电领域得到大规模应用。

永磁体是永磁同步电机的重要组成部分，永磁体材料磁性能的稳定程度，将对永磁同步电机的效率、性能和可靠性等产生直接影响。永磁同步发电机在长期实际运行中，受电枢反应、温度、机械振动和化学元素等因素影响，永磁材料可能会发生程度不同的不可逆退磁。当不可逆退磁程度较轻时，会使永磁发电机各项性能指标下降；严重时，甚至会导致永磁发电机无法使用。因此，进行永磁同步发电机的永磁体磁性能及失磁故障检测，对电机安全高效运行具有十分重要的意义。目前，主要有以下三种失磁故障的检测方法：

1、基于定子电流的失磁故障检测方法

当永磁同步电机发生失磁故障时，在定子电流中将产生对应的故障谐波分量，谐波分量的频率的公式表达为：

式中，f_deg为故障谐波分量频率；f_e为基波频率；p为极对数。

基于定子电流中将产生对应的故障谐波分量，便可对定子电流信号按采样定理进行采样，利用先进的信号变换方法对定子电流谐波成分进行分析，得到其电流频谱，判定永磁体失磁故障的发生以及故障发生的严重程度。采用的信号处理方法不同，便形成了不同的检测方法，常用的检测方法主要有：希尔伯特黄HHT方法、连续小波变换CWT方法、离散小波变换方法DWT、快速傅里叶变换FFT方法。

2、基于等效磁网络的失磁故障检测方法

利用磁网络与电网络的相似性，求出各节点的磁位或通过单元的磁通进而求得有关参数。用等值的磁导网络来模拟永磁电机，根据磁导网络来计算或测量电动势和电磁转矩，与正常运行的电机进行对比，进而判定退磁故障的发生。

3、基于卡尔曼滤波器的永磁体磁链观测的失磁故障检测方法

卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼(Kalman)提出的用于时变线性系统的递归滤波器。该方法以磁场同步旋转坐标系下定子电流和永磁体磁链为状态变量，构建估算转子永磁体磁链幅值和方向的卡尔曼滤波器，以此检测失磁故障的发生。

以上方法中，方法1虽然能够对失磁故障进行检测，但并不适用于负荷变化的情况，而且由于在不同的转速下，对故障的判断依据的谐波次数和方法有所不同，实现起来相对较为麻烦。同时，电机运行的外部环境较为复杂，也给定子电流故障谐波分量的提取和分析带来了一定的困难。方法2虽然运算速度得到较大提升，但精确度偏低。方法3虽然能实现永磁同步电机失磁故障的在线监测，但同样受到永磁体磁链观测精度的影响。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法。

根据本发明的一个方面，提供一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，所述方法包括：S1，根据所述发电机在第一时刻的第一输出功率和在第二时刻的第二输出功率，确定所述发电机是否存在失磁故障；S2，若所述发电机存在失磁故障，则根据所述发电机在第三时间段内的机端一相电压的采样值，确定所述发电机的失磁故障类型；S3，根据所述发电机的失磁故障类型，确定所述发电机的失磁故障程度指标；步骤S3中根据所述发电机的失磁故障类型，确定所述发电机的失磁故障程度指标，具体包括：若所述发电机的失磁故障类型为对称失磁故障，确定所述发电机的第一失磁水平和第一出力水平；若所述发电机的失磁故障类型为不对称失磁故障，确定所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平。

优选地，步骤S1具体包括：S11，获取所述发电机在第一时刻的第一输出功率，所述第一时刻为所述发电机的初始运行时刻；S12，获取所述发电机在第二时刻的第二输出功率，所述第二时刻为所述发电机的当前运行时刻；S13，将所述第一输出功率和所述第二输出功率的差值与所述额定功率阈值进行比对，根据比对结果确定所述发电机是否存在失磁故障。

优选地，步骤S2具体包括：S21，若所述发电机存在失磁故障，则在所述第三时间段内，对所述发电机的机端一相电压进行采样，所述第三时间段为所述第二时刻之后的任意时间段；S22，根据所述第三时间段内所有采样点对应的机端一相电压，获取最大机端一相电压和最小机端一相电压；S23、将所述最大机端一相电压与所述最小机端一相电压的差值与额定电压阈值进行比对，根据比对结果确定失磁故障的类型。

优选地，若所述发电机的失磁故障类型为对称失磁故障，确定所述发电机的第一失磁水平和第一出力水平，具体包括：根据所述发电机在所述第一时刻的历史测量数据集合，获取第一励磁电动势，所述历史测量数据集合包括所述第一输出功率、第一机端三相电压和第一机端三相电流；根据所述发电机在第四时刻的对比测量数据集合，获取第二励磁电动势，所述第四时刻为所述第三时间段之后的任一时刻，所述对比测量数据集合包括第二输出功率、第二机端三相电压和第二机端三相电流；根据所述第一励磁电动势和所述第二励磁电动势，获取所述发电机的第一失磁水平；根据所述历史测量数据集合和所述对比测量数据集合，获取所述发电机的第一出力水平。

优选地，根据所述第一励磁电动势和所述第二励磁电动势，获取所述发电机的第一失磁水平为：

其中，E₀₁＝U₁cos(ψ₁-φ₁)+I_d1x_d，E₀₂＝U₂cos(ψ₂-φ₁)+I_d2x_d，I_d1＝I₁sinψ₁，I_d2＝I₂sinψ₂， E₀₁为第一励磁电动势，E₀₂为第二励磁电动势，U₁为第一机端三相电压，U₂为第二机端三相电压，I₁为第一机端三相电流，I₂为第二机端三相电流，P₁为第一输出功率，P₂为第二输出功率，x_d为直轴同步电抗，x_q为交轴同步电抗，I_d1为发电机在第一时刻的直轴电枢电流，I_d2为发电机在第四时刻的直轴电枢电流，φ₁为发电机在第一时刻的功率因数角，φ₂为发电机在第四时刻的功率因数角，ψ₁为发电机在第一时刻的内功率因数角，ψ₂为发电机在第四时刻的内功率因数角，r_a为定子电枢电阻。

优选地，根据所述历史测量数据集合和所述对比测量数据集合，获取所述发电机的第一出力水平为：

其中，

其中，p_em1为发电机在第一时刻的电磁功率，p_em2为发电机在第四时刻的电磁功率，E₀₁为第一励磁电动势，E₀₂为第二励磁电动势，U₁为第一机端三相电压，U₂为第二机端三相电压，x_d为直轴同步电抗，x_q为交轴同步电抗，m为定子绕组相数，θ₁为发电机在第一时刻功率角，θ₂为发电机在第四时刻功率角。

优选地，若所述发电机的失磁故障类型为所述不对称失磁故障，确定所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平，具体包括：获取所述发电机在所述第一时刻的测量数据集合，所述测量数据集合包括三相输出功率和三相机端电压，所述三相输出功率包括A相输出功率、B相输出功率和C相输出功率，所述三相机端电压包括A相机端电压、B相机端电压和C相机端电压；根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平。

优选地，根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二失磁水平为：

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二不对称程度为：

E_OA/E_OB/E_OC；

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二出力水平为：

其中，E_OA为A相励磁电动势，E_OB为B相励磁电动势，E_OC为C相励磁电动势，E₀为基本励磁电动势，P_A为A相输出功率，P_B为B相输出功率，P_C为C相输出功率，P_emo为发电机的额定电磁功率。

优选地，所述A相励磁电动势、所述B相励磁电动势和所述C相励磁电动势的获取方法包括：根据所述三相机端电压，确定初始三相励磁电动势的比例关系；根据所述初始三相励磁电动势的比例关系和所述测量数据集合，获取初始三相励磁电动势和发电机的功率角；根据所述初始三相励磁电动势和所述发电机的功率角，获取第一C相输出功率；将所述第一C相输出功率与所述C相输出功率进行比对，根据比对结果确定是否调整所述初始三相励磁电动势的比例关系；若无需调整所述初始三相励磁电动势的比例关系，则将所述初始三相励磁电动势作为三相励磁电动势；若需调整所述初始三相励磁电动势的比例关系，则重复执行上述步骤。

本发明提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，通过测量常规数据和简便的数学计算，就可实现发电机失磁故障的检测、失磁故障类型的确定以及失磁故障程度的评估，使得对于发电机失磁故障检测的操作更加方便快捷。并且所述方法不仅能够确定发电机是否存在失磁故障，还能精确获得发电机的失磁故障程度，对于发电机的故障诊断和维修具有重要意义。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法的流程图；

图2为根据本发明实施例提供的一种在不对称失磁故障中获取励磁电动势的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

永磁同步发电机采用永磁体结构，与电励磁结构发电机相比，更适合做成风力发电环境中所要求的多极低速结构。并且，永磁同步发电机省去了电刷和滑环，因此其发电可靠性和发电效率得以提高，并在风力发电领域得到了大规模应用。以下实施例将本发明提供的一种永磁同步发电机应用在风力发电领域，并且，将应用在风力发电领域的永磁同步发电机称作永磁同步风力发电机。

永磁体是永磁同步风力发电机的重要组成部分，永磁体材料磁性能的稳定程度，将对永磁同步风力发电机的效率、性能和可靠性等产生直接影响。永磁同步风力发电机在长期实际运行中，受电枢反应、温度、机械振动和化学元素等因素影响，永磁材料可能会发生程度不同的不可逆退磁，当不可逆退磁程度较轻时，会使永磁同步风力发电机的各项性能指标下降；当不可逆退磁程度较严重时，甚至会导致永磁同步风力发电机无法使用。因此，进行永磁同步风力发电机的永磁体磁性能及失磁故障检测，对永磁同步风力发电机的安全高效运行具有十分重要的意义。

图1为根据本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：S1，根据所述发电机在第一时刻的第一输出功率和在第二时刻的第二输出功率，确定所述发电机是否存在失磁故障；S2，若所述发电机存在失磁故障，则根据所述发电机在第三时间段内的机端一相电压的采样值，确定所述发电机的失磁故障类型；S3，根据所述发电机的失磁故障类型，确定所述发电机的失磁故障程度指标。

具体地，对于步骤S1，测量发电机在第一时刻的第一输出功率，并将第一输出功率作为后续失磁故障检测中比较的基值，其中，第一时刻为发电机正常运行的任一时刻，本实施例对第一时刻的具体取值不作限定。

具体地，对于步骤S1，测量发电机在第二时刻的第二输出功率，其中第二时刻为需要对发电机进行失磁故障检测的时刻，并且，第二时刻在第一时刻之后，本实施例对第二时刻的具体取值不作限定。将第一输出功率与第二输出功率进行比对，通过比对结果确定发电机是否存在失磁故障。

具体地，对于步骤S2和步骤S3，若发电机存在失磁故障，为了进一步得知发电机的失磁故障程度，首先需要确定发电机的失磁故障类型，然后根据不同的失磁故障类型，使用不同的方法对发电机的失磁故障指标进行计算。

需要说明的是，本发明实施例中的所有测量值都是在发电机运行在额定风速和同一桨距角的条件下所获取的。

本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，通过测量常规数据和简便的数学计算，就可实现发电机失磁故障的检测、失磁故障类型的确定以及失磁故障程度的评估，使得对于发电机失磁故障检测的操作更加方便快捷。并且所述方法不仅能够确定发电机是否存在失磁故障，还能精确获得发电机的失磁故障程度，对于发电机的故障诊断和维修具有重要意义。

基于上述实施例，本实施例对步骤S1做出具体说明。步骤S1用于确定发电机是否存在失磁故障，所述步骤S1具体包括：S11，获取所述发电机在第一时刻的第一输出功率，所述第一时刻为所述发电机的初始运行时刻；S12，获取所述发电机在第二时刻的第二输出功率，所述第二时刻为所述发电机的当前运行时刻；S13，将所述第一输出功率和所述第二输出功率的差值与所述额定功率阈值进行比对，根据比对结果确定所述发电机是否存在失磁故障。

具体地，对于步骤S11，将发电机的初始运行时刻作为第一时刻，测量发电机在第一时刻的第一输出功率，其中，第一时刻可以为发电机正常运行的任一时刻，在本实施例中，将第一时刻取为发电机的初始运行时刻，但本实施例对第一时刻的取值不作限定。

具体地，对于步骤S12，将发电机的当前运行时刻作为第二时刻，测量发电机在第二时刻的第二输出功率，其中，第二时刻可以为需要对发电机进行失磁故障检测的时刻，在本实施例中，将第二时刻取为发电机的当前运行时刻，也就是说，在当前时刻对发电机进行失磁故障检测。需要说明的是，第二时刻在第一时刻之后。

具体地，对于步骤S13，将第一输出功率与第二输出功率相减得到功率差值，将功率差值与额定功率阈值进行比对，通过比对结果确定发电机是否存在失磁故障。其中，当功率差值大于或等于额定功率阈值时，发电机存在失磁故障；当功率差值小于额定功率阈值时，发电机不存在失磁故障。

需要说明的是，功率阈值为第一输出功率的5％-8％。

本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，通过测量常规数据和简便的数学计算，就可实现发电机失磁故障的检测，使得对于发电机失磁故障检测的操作更加方便快捷。

基于上述实施例，本实施例对步骤S2做出具体说明。步骤S2用于确定发电机的失磁故障类型，所述步骤S2具体包括：S21，若所述发电机存在失磁故障，则在所述第三时间段内，对所述发电机的机端一相电压进行采样，所述第三时间段为所述第二时刻之后的任意时间段；S22，根据所述第三时间段内所有采样点对应的机端一相电压，获取最大机端一相电压和最小机端一相电压；S23、将所述最大机端一相电压与所述最小机端一相电压的差值与额定电压阈值进行比对，根据比对结果确定失磁故障的类型。

需要说明的是，额定电压阈值为最小机端一相电压的6％～10％。

具体地，对于步骤S21，当确定发电机存在失磁故障后，对发电机的机端一相电压进行采样，所述第三时间段为所述第二时刻之后的任意时间段。其中，采样时间间隔T为：

其中，f为采样频率，p为一相定子电枢中感应电动势变化的周期数，n为发电机的转子转速。

对于公式(1)，其中，转子中具有p对磁极，采样时间间隔T为转子中的一对磁极转过一相定子电枢的时间，当转子旋转一周，一相定子电枢中的感应电动势变化了p个周期，即进行了p次采样。

具体地，对于步骤S22，获取p个采样点中每一采样点对应的机端一相电压，则p个采样点对应的机端一相电压集合为U_2i(i＝1,2,...,p)，其中，U₂₁、U₂₂、…、U_2p分别代表转子中每个磁极对在定子电枢中感应的电动势。

具体地，对于步骤S22和步骤S23，在机端一相电压集合U_2i(i＝1,2,...,p)中，获取最大机端一相电压和最小机端一相电压，并将最大机端一相电压与最小机端一相电压相减得到电压差值，将电压差值与额定电压阈值比对，通过比对结果确定发电机失磁故障的类型。其中，当电压差值额定小于功率阈值时，发电机存在对称失磁故障；当功率差值大于或等于额定功率阈值时，发电机存在不对称失磁故障。

本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，通过测量常规数据和简便的数学计算，就可实现发电机失磁故障的检测以及失磁故障类型的确定，使得对于发电机失磁故障检测的操作更加方便快捷。并且所述方法不仅能够确定发电机是否存在失磁故障，还能确定发电机的失磁故障类型，对于发电机的故障诊断和维修具有重要意义。

基于上述实施例，本实施例对步骤S3中根据所述发电机的失磁故障类型，确定所述发电机的失磁故障程度指标进行进一步说明，若所述发电机的失磁故障类型为对称失磁故障，确定所述发电机的第一失磁水平和第一出力水平；若所述发电机的失磁故障类型为不对称失磁故障，确定所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平。

需要说明的是，失磁水平是指永磁体各相合成励磁状况，即在发生失磁故障后的实际值与未发生故障(即初始安装)时的比值；不对称程度反映的是永磁同步发电机中，三相之间的合成励磁状况的相对比值；出力水平指永磁同步发电机在失磁故障发生前后，三相输出功率的比值。

具体地，对称失磁故障是指发电机转子里各极磁钢磁性水平一致所造成的失磁故障，不对称失磁故障是指发电机转子里各极磁钢磁性水平不一致所造成的失磁故障。

需要说明的是，不同类型的失磁故障所对应的获取失磁故障程度指标的方法不同，因此，在对于发电机失磁故障程度指标的检测过程中，确定失磁故障的类型是至关重要的一个步骤。

具体地，对于发电机的失磁水平，本发明实施例中以发电机的空载电动势作为反映转子永磁体磁性水平的依据，依据原理为：

永磁同步发电机的转子磁场由永磁体产生，当转子由原动机拖动以转速n旋转且空载时，电枢绕组相电动势为：

E₀＝4.44fNk_dpΦ₀ (2)

其中，f为频率，N为绕组的每相串联匝数，k_dp为绕组系数，Φ₀为每极磁通。

再由永磁同步发电机主励磁过程分析，空载运行时，电机气隙中只有永磁磁极产生的旋转励磁磁场，其励磁磁动势为它产生的主磁通为在定子绕组内产生励磁电动势

由上述推导过程可知，永磁同步发电机空载运行时，定子电枢电流为零，气隙磁通中，只存在由转子永磁体磁极单独产生的励磁磁动势的贡献，并不包括电枢磁动势分量。此时，转子永磁体磁极是永磁电机的主励磁源，它产生的气隙磁场及励磁磁动势会直接影响感应电动势，且感应电动势正比于气隙磁密。因此永磁同步发电机的空载电动势可以作为反映转子永磁体磁性水平的依据。

本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，不仅能够确定发电机是否存在失磁故障，还能精确获得发电机的失磁故障程度，对于发电机的故障诊断和维修具有重要意义。并且，将永磁同步发电机的空载电动势作为反映转子永磁体磁性水平的依据，计算简便。

基于上述实施例，本实施例中所述发电机的失磁故障类型为所述对称失磁故障，确定所述发电机的第一失磁水平和第一出力水平，具体包括：根据所述发电机在所述第一时刻的历史测量数据集合，获取第一励磁电动势，所述历史测量数据集合包括所述第一输出功率、第一机端三相电压和第一机端三相电流；根据所述发电机在第四时刻的对比测量数据集合，获取第二励磁电动势，所述第四时刻为所述第三时间段之后的任一时刻，所述对比测量数据集合包括第二输出功率、第二机端三相电压和第二机端三相电流；根据所述第一励磁电动势和所述第二励磁电动势，获取所述发电机的第一失磁水平；根据所述历史测量数据集合和所述对比测量数据集合，获取所述发电机的第一出力水平。

具体地，通过测量发电机在第一时刻的历史测量数据集合来获取第一励磁电动势E₀₁，其中，历史测量数据集合包括第一输出功率P₁、第一机端三相电压U₁和第一机端三相电流I₁。

其中，通过测量发电机在第一时刻的历史测量数据集合来获取第一励磁电动势的具体方法为：

获取发电机在第一时刻的功率因数角φ₁，

其中，P₁为第一输出功率、U₁为第一机端三相电压，I₁为第一机端三相电流。

获取发电机在第一时刻的内功率因数角ψ₁，

其中，U₁为第一机端三相电压，I₁为第一机端三相电流，φ₁为发电机在第一时刻的功率因数角，x_q为交轴同步电抗，r_a为定子电枢电阻。

获取发电机在第一时刻的第一感应励磁电动势

其中，为发电机在第一时刻的直轴电枢感应电流，为发电机在第一时刻的交轴电枢感应电流，U₁为第一机端三相感应电压，I₁为第一机端三相感应电流。

当忽略定子电枢电阻r_a时，发电机的第一励磁电动势E₀₁为：

E₀₁＝U₁cos(ψ₁-φ₁)+I_d1x_d (6)

接下来，获取所述发电机在所述第四时刻的对比测量数据集合，所述第四时刻为所述第三时间段之后的任一时刻，所述对比测量数据集合包括第二输出功率P₂、第二机端三相电压U₂和第二机端三相电流I₂。

通过测量发电机在第四时刻的历史测量数据集合来获取第二励磁电动势的具体方法与上述方法一致，只需将历史测量数据集合中的参数替换为对比测量数据集合中的对应参数即可，此处不再赘述。需要说明的是，在第一时刻以及第四时刻，直轴同步电抗x_d与交轴同步电抗x_q的大小均可看作不变，其推理过程为：

将直轴同步电抗x_d与交轴同步电抗x_q表示为公式(7)的形式，

根据上述实施例可知，直轴电枢的励磁磁动势E_ad和交轴电枢的励磁磁动势E_aq分别正比于直轴电枢的主磁通Φ_ad和交轴电枢的主磁通Φ_aq，不计磁路饱和时，直轴电枢的主磁通Φ_ad和交轴电枢的主磁通Φ_aq又分别正比于直轴电枢的励磁磁动势F_ad和交轴电枢的励磁磁动势F_aq，而直轴电枢的励磁磁动势F_ad和交轴电枢的励磁磁动势F_aq又分别正比于电枢电流的直轴分量I_d和交轴分量I_q，因此有E_ad∝I_d，E_aq∝I_q，即不计磁路饱和时直轴电枢反应电抗x_ad和交轴电枢反应电抗x_aq保持不变。

此外，电枢电流除产生电枢反应磁通外，还在定子槽的周围、绕组端部等处产生漏磁通，因为漏磁路总是线性的，即E_σ∝Φ_σ∝I恒成立，故定子绕组的漏电抗x_σ也保持不变。

因此，在不计磁路饱和时，直轴电枢反应电抗x_ad、交轴电枢反应电抗x_aq和定子绕组的漏电抗x_σ均保持不变，因此在额定转速下，对发电机进行失磁故障检测时，可认为直轴同步电抗x_d和交轴同步电抗x_q均保持不变。

基于上述实施例，本实施例中，根据所述第一励磁电动势和所述第二励磁电动势，获取所述发电机的第一失磁水平的公式为：

其中，E₀₁＝U₁cos(ψ₁-φ₁)+I_d1x_d，E₀₂＝U₂cos(ψ₂-φ₁)+I_d2x_d，E₀₁为第一励磁电动势，E₀₂为第二励磁电动势；I_d1＝I₁sinψ₁，I_d2＝I₂sinψ₂， U₁为第一机端三相电压，U₂为第二机端三相电压，I₁为第一机端三相电流，I₂为第二机端三相电流，P₁为第一输出功率，P₂为第二输出功率，x_d为直轴同步电抗，x_q为交轴同步电抗，I_d1为发电机在第一时刻的直轴电枢电流，I_d2为发电机在第四时刻的直轴电枢电流，φ₁为发电机在第一时刻的功率因数角，φ₂为发电机在第四时刻的功率因数角，ψ₁为发电机在第一时刻的内功率因数角，ψ₂为发电机在第四时刻的内功率因数角，r_a为定子电枢电阻。

基于上述实施例，本实施例中根据所述历史测量数据集合和所述对比测量数据集合，获取所述发电机的第一出力水平的公式为：

其中，

其中，p_em1为发电机在第一时刻的电磁功率，p_em2为发电机在第四时刻的电磁功率，E₀₁为第一励磁电动势，E₀₂为第二励磁电动势，U₁为第一机端三相电压，U₂为第二机端三相电压，x_d为直轴同步电抗，x_q为交轴同步电抗，m为定子绕组相数，θ₁为发电机在第一时刻功率角，θ₂为发电机在第四时刻功率角。

其中，发电机功率角θ可由外功率因数角和内功率因数角ψ求得，公式为：

基于上述实施例，本实施例中所述发电机的失磁故障类型为所述不对称失磁故障，确定所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平，具体包括：获取所述发电机在所述第一时刻的测量数据集合，所述测量数据集合包括三相输出功率和三相机端电压，所述三相输出功率包括A相输出功率、B相输出功率和C相输出功率，所述三相机端电压包括A相机端电压、B相机端电压和C相机端电压；根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平。

基于上述实施例，本实施例根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二失磁水平的公式为：

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二不对称程度为：

E_OA/E_OB/E_OC (15)

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二出力水平为：

其中，E_OA为A相励磁电动势，E_OB为B相励磁电动势，E_OC为C相励磁电动势，E₀为励磁电动势，P_A为A相输出功率，P_B为B相输出功率，P_C为C相输出功率，P_emo为发电机的额定电磁功率。

基于上述实施例，本实施例对上述实施例中所述A相励磁电动势、所述B相励磁电动势和所述C相励磁电动势的获取方法进行进一步说明：根据所述三相机端电压，确定初始三相励磁电动势的比例关系；根据所述初始三相励磁电动势的比例关系和所述测量数据集合，获取初始三相励磁电动势和发电机的功率角；根据所述初始三相励磁电动势和所述发电机的功率角，获取第一C相输出功率；将所述第一C相输出功率与所述C相输出功率进行比对，根据比对结果确定是否调整所述初始三相励磁电动势的比例关系；若无需调整所述初始三相励磁电动势的比例关系，则将所述初始三相励磁电动势作为三相励磁电动势；若需调整所述初始三相励磁电动势的比例关系，则重复执行上述步骤。

基于上述实施例，以下通过具体的举例来对上述实施例中的不对称失磁故障检测方法进行说明，此处参照图2，图2为根据本发明实施例提供的一种在不对称失磁故障中获取励磁电动势的流程图，如图2所示，不对称失磁故障检测方法分为以下步骤：

首先，在第一时刻测量发电机三相输出功率和三相机端电压，其中三相输出功率包括A相输出功率P_A、B相输出功率P_B和C相输出功率P_C，三相机端电压包括A相机端电压U_A、B相机端电压U_B和C相机端电压U_C。

此处需要说明的是，永磁同步发电机电枢输出的电功率P是由发电机电磁功率P_em减去电枢绕组损耗p_Cu，即：

P＝P_em-p_Cu＝P_em-mI²r_a (17)

通常定子绕组电阻r_a较小，因此忽略其影响，则认为发电机输出电功率P≈P_em。

其次，为了有效建立发电机初始三相励磁电动势中各相励磁电动势之间的比例关系，结合永磁同步发电机的常规理论分析及电磁场有限元分析，根据各相励磁电动势E_0A、E_0B和E_0C与发电机各相机端电压U_A、U_B和U_C大致呈正相关的趋势关系，建立二者之间对应关系，对发电机各相励磁电动势E_0A、E_0B、E_0C进行初始比例分配。

具体地，将发电机各相励磁电动势E_0A、E_0B、E_0C的比例关系表示为：E_0A:E_0B:E_0C＝a:b:c，并使得E_0A＝aE₀，E_0B＝bE₀，E_0C＝cE₀，其中，E₀为励磁电动势，但此处并未确定其具体值。

再次，建立发电机功角特性表达式：

将E_0A＝aE₀，E_0B＝bE₀，E_0C＝cE₀代入上式，此时，发电机功角特性表达式为：

其中，P_A为第一时刻的A相输出功率、P_B为第一时刻的B相输出功率、P_C为第一时刻的C相输出功率，x_d为直轴同步电抗，x_q与交轴同步电抗，x_d为直轴同步电抗，x_q与交轴同步电抗由厂家数据获得，θ为发电机功率角。

将已获取的三相输出功率P_A、P_B、P_C以及三相机端电压U_A、U_B、U_C代入发电机功角特性表达式(19)中，此时表达式(19)中仅剩励磁电动势E₀和发电机功率角θ两个未知量，其中，a、b和c分别为发电机各相励磁电动势E_0A、E_0B和E_0C的分配比例，并在分配时已求得。因此，利用式(19-1)和式(19-2)即可求出励磁电动势、三相励磁电动势的具体值和和发电机功率角，此时将励磁电动势表示为E₀₁，将三相励磁电动势表示为E_0A1、E_0B1、E_0C1，将发电机功率角表示为θ₁，再将已求出的励磁电动势E₀₁、发电机功率角θ₁和C相机端电压U_C代入式(19-3)中，即可求出发电机C相输出功率P_C1。

将发电机在第一时刻的C相输出功率P_C与计算求得的发电机C相输出功率P_C1的差值△P_C大小，作为校验依据对表达式(19)的求解精度进行校验。当△P_C1大于额定阀值时，则对E_0A、E_0B、E_0C的分配比例作调整，并进入下一次迭代。

需要说明的是，发电机功率角θ的取值范围为0°≤θ<85°，若发电机功率角θ超出上述范围，则将其舍去并进入下一次迭代，直到差值△P_C1小于额定阀值，则退出迭代，由此得到各相励磁电动势E_0A、E_0B、E_0C及发电机功率角θ。

需要说明的是，如果经过三次迭代之后△P_C3才满足要求，则将第三次求得的三相励磁电动势E_0A3、E_0B3、E_0C3作为不对称失磁故障方法中所需要获取的三相励磁电动势。

本发明实施例提供的一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，通过测量常规数据和简便的数学计算，就可实现发电机失磁故障的检测、失磁故障类型的确定以及失磁故障程度的评估，使得对于发电机失磁故障检测的操作更加方便快捷。并且所述方法不仅能够确定发电机是否存在失磁故障，还能精确获得发电机的失磁故障程度，对于发电机的故障诊断和维修具有重要意义。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种永磁同步发电机的失磁故障检测方法，其特征在于，包括：

S1，根据所述发电机在第一时刻的第一输出功率和在第二时刻的第二输出功率，确定所述发电机是否存在失磁故障；

S2，若所述发电机存在失磁故障，则根据所述发电机在第三时间段内的机端一相电压的采样值，确定所述发电机的失磁故障类型；

S3，根据所述发电机的失磁故障类型，确定所述发电机的失磁故障程度指标；

步骤S3中根据所述发电机的失磁故障类型，确定所述发电机的失磁故障程度指标，具体包括：

若所述发电机的失磁故障类型为对称失磁故障，确定所述发电机的第一失磁水平和第一出力水平；

若所述发电机的失磁故障类型为不对称失磁故障，确定所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S11，获取所述发电机在第一时刻的第一输出功率，所述第一时刻为所述发电机的初始运行时刻；

S12，获取所述发电机在第二时刻的第二输出功率，所述第二时刻为所述发电机的当前运行时刻；

S13，将所述第一输出功率和所述第二输出功率的差值与额定功率阈值进行比对，根据比对结果确定所述发电机是否存在失磁故障。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21，若所述发电机存在失磁故障，则在所述第三时间段内，对所述发电机的机端一相电压进行采样，所述第三时间段为所述第二时刻之后的任意时间段；

S22，根据所述第三时间段内所有采样点对应的机端一相电压，获取最大机端一相电压和最小机端一相电压；

S23、将所述最大机端一相电压与所述最小机端一相电压的差值与额定电压阈值进行比对，根据比对结果确定失磁故障的类型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述发电机的失磁故障类型为对称失磁故障，确定所述发电机的第一失磁水平和第一出力水平，具体包括：

根据所述发电机在所述第一时刻的历史测量数据集合，获取第一励磁电动势，所述历史测量数据集合包括所述第一输出功率、第一机端三相电压和第一机端三相电流；

根据所述发电机在第四时刻的对比测量数据集合，获取第二励磁电动势，所述第四时刻为所述第三时间段之后的任一时刻，所述对比测量数据集合包括第二输出功率、第二机端三相电压和第二机端三相电流；

根据所述第一励磁电动势和所述第二励磁电动势，获取所述发电机的第一失磁水平；

根据所述历史测量数据集合和所述对比测量数据集合，获取所述发电机的第一出力水平。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述第一励磁电动势和所述第二励磁电动势，获取所述发电机的第一失磁水平为：

其中，E₀₁＝U₁cos(ψ₁-φ₁)+I_d1x_d，E₀₂＝U₂cos(ψ₂-φ₁)+I_d2x_d，I_d1＝I₁sinψ₁，I_d2＝I₂sinψ₂， E₀₁为第一励磁电动势，E₀₂为第二励磁电动势，U₁为第一机端三相电压，U₂为第二机端三相电压，I₁为第一机端三相电流，I₂为第二机端三相电流，P₁为第一输出功率，P₂为第二输出功率，x_d为直轴同步电抗，x_q为交轴同步电抗，I_d1为发电机在第一时刻的直轴电枢电流，I_d2为发电机在第四时刻的直轴电枢电流，φ₁为发电机在第一时刻的功率因数角，φ₂为发电机在第四时刻的功率因数角，ψ₁为发电机在第一时刻的内功率因数角，ψ₂为发电机在第四时刻的内功率因数角，r_a为定子电枢电阻。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述历史测量数据集合和所述对比测量数据集合，获取所述发电机的第一出力水平为：

其中，

其中，p_em1为发电机在第一时刻的电磁功率，p_em2为发电机在第四时刻的电磁功率，E₀₁为第一励磁电动势，E₀₂为第二励磁电动势，U₁为第一机端三相电压，U₂为第二机端三相电压，x_d为直轴同步电抗，x_q为交轴同步电抗，m为定子绕组相数，θ₁为发电机在第一时刻功率角，θ₂为发电机在第四时刻功率角。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述发电机的失磁故障类型为所述不对称失磁故障，确定所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平，具体包括：

获取所述发电机在所述第一时刻的测量数据集合，所述测量数据集合包括三相输出功率和三相机端电压，所述三相输出功率包括A相输出功率、B相输出功率和C相输出功率，所述三相机端电压包括A相机端电压、B相机端电压和C相机端电压；

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二失磁水平、第二不对称程度和第二出力水平。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二失磁水平为：

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二不对称程度为：

E_OA/E_OB/E_OC；

根据所述测量数据集合，获取所述发电机的第二出力水平为：

其中，E_OA为A相励磁电动势，E_OB为B相励磁电动势，E_OC为C相励磁电动势，E₀为励磁电动势，P_A为A相输出功率，P_B为B相输出功率，P_C为C相输出功率，P_emo为发电机的额定电磁功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述A相励磁电动势、所述B相励磁电动势和所述C相励磁电动势的获取方法包括：

根据所述三相机端电压，确定初始三相励磁电动势的比例关系；

根据所述初始三相励磁电动势的比例关系和所述测量数据集合，获取初始三相励磁电动势和发电机的功率角；

根据所述初始三相励磁电动势和所述发电机的功率角，获取第一C相输出功率；

将所述第一C相输出功率与所述C相输出功率进行比对，根据比对结果确定是否调整所述初始三相励磁电动势的比例关系；

若无需调整所述初始三相励磁电动势的比例关系，则将所述初始三相励磁电动势作为三相励磁电动势；若需调整所述初始三相励磁电动势的比例关系，则重复执行上述步骤。