一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法

摘要

本发明涉及一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法，包括以下步骤：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)根据海上双馈电机定子三相电压和电流获取故障特征量正序阻抗角，即仅由故障引起的正序阻抗角；3)根据不同运行工况下确定的故障阈值进行故障辨识。与现有技术相比，本发明具有早期故障诊断、延长电机寿命等优点。

权利要求

1.一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

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)根据海上双馈电机定子三相电压和电流获取故障特征量正序阻抗角，即仅由故障引起的正序阻抗角，具体包括以下步骤：

21)在设定的一种工况下，获取海上双馈电机在未发生故障下的正序阻抗角θ0，θ0的计算式为：θ0＝θ1+θ2

其中，θ1为正常运行时的正序阻抗角，θ2为由电机固有不对称非理想工况引起的正序阻抗角；

22)获取在该工况下，计算电机故障时的总正序阻抗角θ，总正序阻抗角θ的计算式为：Ls＝Lls+3Lms/2

其中，ω为电网电压角频率，Rs为定子电阻，L1s为定子绕组漏感，Lms为定转子互感，μ为故障严重程度，即短路匝数与短路相绕组总匝数比值，Rf为短路附加电阻；

23)计算仅由故障引起的正序阻抗角θ3，其计算式为：θ3＝θ-θ0；

3)根据不同运行工况下确定的故障阈值进行故障辨识。

2.根据权利要求1所述的一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤3)中，故障阈值设定为0.2°。

3.根据权利要求1所述的一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，所述的步骤3)中，当仅由故障引起的正序阻抗角大于故障阈值时，则判定至少发生3匝短路故障。

说明书

一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海上风电机组故障辨识领域，尤其是涉及一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法。

背景技术

[0002] 近年来随着海上风力发电的发展，双馈感应发电机的应用越来越广泛，从而其运行的安全稳定性受到人们的重视。由于海上风力发电机运行环境恶劣，导致海上双馈电机比在陆上双馈电机故障率更高。双馈电机定子绕组故障频发，约占电机故障的38％，主要包括定子匝间短路，相间短路，接地短路等，其中匝间短路故障最为常见。一旦风力发电机发生故障停机，将会造成严重的经济损失，例如，东海大桥二期海上风电场的一台3.6MW的海上双馈风机满发停机一月的发电量损失达259.2万kWh，经济损失可达235.9万RMB/月/台。因此必须对其进行早期故障诊断，避免故障恶化引起更为严重的事故。

[0003] 由于电机定子绕阻发生匝间短路故障时，电压、电流会产生直接的畸变，故以此作为故障特征量检测电机定子匝间短路故障得到了广泛的应用。Hisahide Nakamura等人在IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation发表了题为Impulse testing for detection of insulation failure of motor winding and diagnosis based on hidden markov mode的文章，该文提出了一种基于隐马尔可夫模型的脉冲测试与模式识别相结合的电机绕组故障诊断方法。将脉冲电压注入两个绕组并记录输出两个绕组的电压波形，同时利用隐马尔可夫模型分析正常和故障绕组之间的电压波形的微小差异，从而检测绕组故障。Arun Gandhi等人在IEEE  Transaction  on Industrial Electronics上发表的题为Recent Advancesin Modeling and Online Detection of Stator Interturn Faults in Electrical Motors指出电机电流信号也是常用的故障诊断信号。Aderiano M.da Silva等人在IEEE Transaction on Industrial Electronics发表了题为Induction Machine Broken Bar and Stator Short-Circuit Fault Diagnostics Based on Three-Phase Stator Current Envelopes的文章，该文通过相空间重构方法分析感应电机的三相定子电流包络以检测电机定子匝间短路故障。此外，基于电压、电流信号延伸出的故障特征量还有park矢量椭圆离心率、park矢量椭圆度、电流谐波、定子电流相位差也得到良好的应用。

[0004] 但是，对于双馈电机而言，其转子侧连接变频器，其中含有大量电力电子非线性原器件，这使得仅仅利用电压电流信号来诊断电机定子匝间短路故障是不精确的。在此基础上，以阻抗信号为故障特征量的故障诊断方法得到了一定的应用。魏书荣等人在中国电机工程学报上发表题为基于拟序阻抗的海上双馈电机定子绕组匝间短路早期故障辨识的文章，该文提出以拟序阻抗为故障特征量的双馈电机定子匝间短路故障诊断方法，许伯强等人也在中国电机工程学报上发表的题为异步电动机定子绕组匝间短路故障检测方法研究的文章上提出运用负序视在阻抗滤波值为故障特征量分析异步电机的定子匝间短路，Lee S B等在IEEE Transactions Power Electronics上发表了题为A robust，on-line turn-fault detection technique for induction machines based on monitoring the sequence component impedance matrix的文章，该文提出利用序阻抗矩阵诊断绕线式异步电机匝间短路故障的方法，在故障诊断过程中都取得了良好的效果。以上在推导过程中均使用相量形式，但在诊断过程中只运用其幅值变化规律，并未展现其相角的变化规律。Xu Boqiang等人在2003年38th IAS Annual Meeting on Conference Record of the Industry Applications Conference上发表的题为Apparent impedance angle based detection of stator winding inter-turn short circuit fault in induction motors的文章中将阻抗角作为故障特征量用于感应电机的匝间短路故障识别中，指出电机发生故障时各相阻抗角均会发生不同程度的偏移，但未考虑电机固有误差、以及负载变化等因素的影响。

发明内容

[0005] 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基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种基于正序阻抗角的定子绕组匝间短路故障辨识方法，包括以下步骤：

[0008] 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；

[0009] 2)根据海上双馈电机定子三相电压和电流获取故障特征量正序阻抗角，即仅由故障引起的正序阻抗角；

[0010] 3)根据不同运行工况下确定的故障阈值进行故障辨识。

[0011] 所述的步骤2)具体包括以下步骤：

[0012] 21)在设定的一种工况下，获取海上双馈电机在未发生故障下的正序阻抗角θ0，θ0的计算式为：

[0013] θ0＝θ1+θ2

[0014] 其中，θ1为正常运行时的正序阻抗角，θ2为由电机固有不对称等非理想工况引起的正序阻抗角；

[0015] 22)获取在该工况下，计算电机故障时的总正序阻抗角θ；

[0016] 23)计算仅由故障引起的正序阻抗角θ3，其计算式为：

[0017] θ3＝θ-θ0。

[0018] 所述的步骤22)中，总正序阻抗角θ的计算式为：

[0019] 所述的步骤22)中，总正序阻抗角θ的计算式为：

[0020]

[0021] Ls＝Lls+3Lms/2

[0022] 其中，ω为电网电压角频率，Rs为定子电阻，L1s为定子绕组漏感，Lms为定转子互感，μ为故障严重程度，即短路匝数与短路相绕组总匝数比值，Rf为短路附加电阻。

[0023] 所述的步骤3)中，故障阈值设定为0.2°。

[0024] 所述的步骤3)中，当仅由故障引起的正序阻抗角大于故障阈值时，则判定至少发生3匝短路故障。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0026] 本发明能够实现对定子绕组匝间短路早期故障精确辨识，同时分析该故障特征量在不同运行工况下的变化得出合适故障阈值，避免了利用电流相位差和阻抗角诊断匝间短路故障时出现的的误判或漏判情况，且该故障特征量对电机定子电压不平衡的非理想运行工况具有鲁棒性，该方法能够及时发现故障，以便做出处理，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。

附图说明

[0027] 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；

[0028] 图2为双馈电机定子绕组匝间短路故障抽头示意图。

[0029] 图3为匝间短路故障发生时的仿真、实验定子电流以及正序阻抗角波形，其中，图(3a)为仿真电流波形，图(3b)为实验电流波形，图(3c)为仿真正序阻抗角波形，图(3d)为实验仿真正序阻抗角波形。

[0030] 图4为电网电压不对称时仿真结果，其中，图(4a)为总正序阻抗角仿真结果，图(4b)为故障正序阻抗角仿真结果。

[0031] 图5为不同负载下的仿真和实验结果，其中，图(5a)为故障正序阻抗角仿真结果，图(5b)为故障正序阻抗角的实验结果。

[0032] 图6为不同转差率下的仿真和实验结果，其中，图(6a)为故障正序阻抗角仿真结果，图(6b)为故障正序阻抗角的实验结果。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0034] 本发明提供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：

[0035] (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；

[0036] (2)提取故障特征量正序阻抗角；

[0037] (3)根据不同运行工况下的故障特征量变化情况确定合适的故障阈值。

[0038] 步骤(2)具体过程如下：

[0039] 作为本发明的创新及关键所在，提取故障特征量正序阻抗角的关键在于求取电压序分量和电流序分量间的关系，以双馈电机故障状态下序分量模型为基础，推导得出电压和电流在序分量下的表达式，从而得到正序阻抗角的表达式。具体推导过程如下，[0040] 双馈电机故障状态下序分量模型如下：

[0041]

[0042] 将其写成矩阵形式如下：

[0043]

[0044] 其中： 定义为定子绕组的拟序导纳；由上式可得序阻抗矩阵为：

[0045]

[0046] 故正序阻抗

[0047]

[0048] 正序阻抗角为

[0049]

[0050] 这就是本发明所提出的故障特征量。对于本发明故障辨识的实现方法，考虑到工程上电压、电流的正序分量会受到电机固有不对称、电网电压不平衡等其他非理想运行条件以及双馈电机的负载变化，转差率等不同运行工况的影响，故可将正序阻抗角分为以下几部分：电机在某一工况下电机正常运行时的正序阻抗角；电机在某一工况下由电机固有不对称等非理想工况引起的正序阻抗角；电机在某一工况下由电机定子匝间短路故障引起的正序阻抗角；在进行故障辨识时，首先测量电机在为未发生故障下的正序阻抗角，再在同一条件下测量故障时正序阻抗角，二者相减即得双馈电机仅由故障引起的正序阻抗角，通过检测由故障引起的正序阻抗角可达到故障辨识的目的。再通过分析不同运行工况下故障正序阻抗角的变化特点给出合适的故障阈值，将检测出的故障正序阻抗角与之对比即可达到故障严重程度估计的目的。

[0051] 本发明的具体实施方法可大致分为以下几步：首先，推导双馈电机故障状态下的正序阻抗角表达式；其次，提取故障特征量——故障正序阻抗角；最后是对故障诊断方法的实现。

[0052] 双馈电机故障状态下的正序阻抗角表达式的推导：

[0053] 设匝间短路故障发生在A相，以μ表示短路匝数与短路相总匝数的比值，得到双馈电机故障状态下序分量模型如下：

[0054]

[0055] 将其写成矩阵形式如下：

[0056]

[0057] 其中： 定义为定子绕组的拟序导纳；由上式可得拟序阻抗矩阵为：

[0058]

[0059] 故正序阻抗

[0060]

[0061] 正序阻抗角为

[0062]

[0063] 式(5)即是本发明所提出的故障特征量。考虑到工程上电压、电流的正序分量会受到电机固有不对称、电网电压不平衡等其他非理想运行条件以及双馈电机的负载变化，转差率等不同运行工况的影响，故将正序阻抗角作进一步处理。设在电机出现定子匝间短路故障时实际测得的正序阻抗角：

[0064] θ＝θ1+θ2+θ3   (6)

[0065] 其中θ1为电机在某一工况下电机正常运行时的正序阻抗角；θ2为电机在某一工况下由电机固有不对称等非理想工况引起的正序阻抗角；θ3为电机在某一工况下由电机定子匝间短路故障引起的正序阻抗角；在进行故障辨识时，令θ0是由电机正常运行和电机固有不对称等非理想工况引起的正序阻抗角，则：

[0066] θ0＝θ1+θ2   (7)

[0067] 利用式(6)减去式(7)即得电机由定子匝间短路所引起的正序阻抗θ3如下：

[0068] θ3＝θ-θ0   (8)

[0069] 首先测量电机在为未发生故障下的正序阻抗角θ0，再在同一条件下测量故障时总正序阻抗角θ，二者相减即得双馈电机仅由故障引起的正序阻抗角θ3，通过检测由故障引起的正序阻抗角可达到故障辨识的目的。再通过分析不同运行工况下故障正序阻抗角的变化特点给出合适的故障阈值，将检测出的故障正序阻抗角与之对比即可达到故障严重程度估计的目的。

[0070] 实施例：

[0071] 图1是本发明实施方法流程图，根据流程图的过程将本发明应用到具体实例中。在上海绿色能源并网工程技术研究中心定制的模拟双馈风力发电机定子匝间短路故障并网实验平台上进行实验，以验证本文提出方法的正确性。

[0072] 此实验平台包括可调转速的原动机(用以模拟不同风速的大小)、双馈风力发电机、原动机转速控制屏、转子侧变频器控制屏，网侧变频器控制屏，并网控制屏、以及匝间短路故障模拟屏。实验采用录波仪对电压电流波形进行采样。图2定子匝间短路故障抽头示意图，该双馈电机每相定子绕组匝数为192匝，沿中性点往端部方向，在定子A相的2匝、5匝、9匝处分别引出抽头，从而可模拟不同程度的匝间短路故障实验。

[0073] 如图3可知，当定子发生匝间短路故障时，电机定子电流发生畸变，谐波含量增加，并且仿真电流波形与实验电流波形变化一致；故障相(a相)电流变小，非故障相(b相、c相)电流变大，同时正序电压和正序电流的相位差变大，这是由于故障发生时总发电绕组匝数减少，进而导致输出功率减少，但此时电流只增加了负序分量，而正序分量大小与未故障时相差无几，同时定子电压与电网一致不会改变，故电机在并网条件下发生故障时正序阻抗角会变大，由此可知利用正序阻抗角进行匝间短路故障的检测是可行的。

[0074] 图4仿真了电机在定子有功给定3000w，无功给定0var，转差率为14％的情况下电机电压不平衡时的结果，由图可知，若只看总正序阻抗角的变化，由于电压不平衡的影响，初始正序阻抗角稍有差距，这将使得出现某一固定的正序阻抗角时难以确定故障严重程度，若以此为故障特征量，易出现误判结果；当通过上述方法滤除电压不平衡和电机正常运行时初始正序阻抗角的影响后，由故障引起的正序阻抗角变化明显，并且二者变化趋势一致，说明故障正序阻抗角对电压不平衡具有鲁棒性，故以下均用故障正序阻抗角进行匝间短路故障诊断。

[0075] 图5为不同负载下的仿真和实验结果，仿真时电压平衡，电机转差率为14％(与实验一致)。由图可知，故障正序阻抗角变化明显，并且负载越轻，由故障引起的正序阻抗角变化就越大，更易进行匝间短路故障识别；实验下的正序阻抗角的变化规律与仿真一致，但在数值上稍大于仿真，这是由于电机在实验中受到一些非理想条件(电机摩擦，发热以及电机参数的非线性)所导致的。

[0076] 图6为不同转差率下仿真结果和实验结果。如图所示，故障正序阻抗角随着不同故障严重程度的增加会逐渐增加，但转差率较大的状态下故障正序阻抗角增加的更多，这是由于在输出功率相同时，转差率大的定子输出功率相对较少，从而定子电流会更小，因此故障引起的正序阻抗角变化会更大，由实验可知理论分析是正确的。

[0077] 综上所示，总正序阻抗角由于会受到电机运行条件(电压不平衡，负载和转差率)的变化的影响，不适合将其作为故障特征量诊断定子匝间短路故障。故障正序阻抗角对电压不平衡具有鲁棒性，虽然在负载，转差率变化的情况下故障正序阻抗角相较于理想情况稍有差异，但变化的趋势没有改变，故而可利用故障正序阻抗角进行定子匝间短路故障识别。同时在估计故障严重程度时考虑到不同负载和转差率对故障正序阻抗角大小的影响，结合仿真和实验分析，得出不同故障严重程度下的故障正序阻抗角估计误差如下表1，表2所示。

[0078] 表1实测不同转差率下故障正序阻抗角估计误差

[0079]

[0080]

[0081] 表2实测不同负载下故障正序阻抗角估计误差

[0082]

[0083] 表1给出了两种转差下的故障正序阻抗角的估计误差。从表1可看出估计误差会随着转差率的增大而增大，由于实验条件的限制只将转差率做到了0.14，而工程上转差率可能会达到0.3，此时产生的估计误差将会更大，故不能将故障阈值设置太大以免产生较大估计误差。表2给出不同负载下故障正序阻抗角估计误差。通过分析可知，随着负载的增加估计误差也会增加，综合表1，表2的结果可将故障阈值设置为0.2°，可识别3匝短路故障。若将阈值设置为0.3°，考虑到估计误差，从表1可得出4匝短路，但是在表2中只能确定是3匝短路，这样容易出现误判结果。故设置阈值为0.2°可在保证故障诊断灵敏度的基础上同时保证了故障严重程度估计的相对准确性，更加有利于定子匝间短路故障的识别。

[0084] 本发明提出一种计算简单且易测量的电气量——定子侧正序阻抗角作为故障特征量来诊断双馈电机定子匝间短路故障。首先以双馈电机定子匝间短路故障的序分量模型为基础得出双馈电机故障状态下正序阻抗表达式，然后通过搭建仿真模型探究定子侧正序阻抗的相角变化规律以识别双馈电机定子匝间短路故障，最后利用实验验证该故障特征量的有效性。