計(jì)及轉(zhuǎn)子靜偏心的雙饋式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障頻譜特性的仿真分析

李俊卿， 張立鵬

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

計(jì)及轉(zhuǎn)子靜偏心的雙饋式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障頻譜特性的仿真分析

李俊卿， 張立鵬

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

為了研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心故障和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障頻譜特性的區(qū)別，避免靜偏心導(dǎo)致對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的誤診斷。依據(jù)有限元理論，建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路模型和計(jì)及靜偏心的模型，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路、計(jì)及靜偏心的轉(zhuǎn)子匝間短路故障進(jìn)行了仿真。以轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓為研究對(duì)象，從頻譜特性角度，對(duì)各組的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。分析結(jié)果表明，靜偏心的存在會(huì)導(dǎo)致定子線電壓中出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障相同的特征頻率，可能導(dǎo)致誤診斷;同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓以及定子線電壓的高頻段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效區(qū)分靜偏心與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，避免靜偏心導(dǎo)致對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的誤診斷。

雙饋式發(fā)電機(jī);有限元;轉(zhuǎn)子匝間短路;轉(zhuǎn)子靜偏心;頻譜特征區(qū)分

0引言

目前，新能源發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)和應(yīng)用較為成熟的當(dāng)屬風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)最為廣泛，這使得雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的常見(jiàn)故障中，繞組故障高達(dá)12.89%［1］，發(fā)生繞組匝間短路后，會(huì)引起繞組局部過(guò)熱，機(jī)組振動(dòng)加劇，進(jìn)而加劇故障的惡化，因此針對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路應(yīng)早發(fā)現(xiàn)，早排除。針對(duì)繞組匝間短路，國(guó)內(nèi)外專家作了大量研究，文獻(xiàn)［2］分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后的電壓、電流的頻譜特性，文獻(xiàn)［3－6］通過(guò)定子、轉(zhuǎn)子的電氣特性變化以及不同的分析方法可以判斷是否發(fā)生繞組匝間短路故障。

繞組匝間短路故障產(chǎn)生特征頻率是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并非圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所致。而上述文獻(xiàn)所得故障診斷理論的前提均是假設(shè)電機(jī)在繞組未發(fā)生匝間短路故障時(shí)是絕對(duì)對(duì)稱的。但在實(shí)際中，由于發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，軸承磨損以及震動(dòng)引起的定子硅鋼片的松動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子靜偏心現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了輕微靜偏心故障，也將導(dǎo)致氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的不對(duì)稱，即同時(shí)交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不再是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，文獻(xiàn)［7］詳細(xì)分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心產(chǎn)生的一系列諧波，這些諧波與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的特征頻率有重疊部分，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的誤判斷，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷精確度，進(jìn)而導(dǎo)致人力和檢修資源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)［3］對(duì)故障的監(jiān)測(cè)信號(hào)為轉(zhuǎn)子電流，文獻(xiàn)［8］對(duì)故障的監(jiān)測(cè)信號(hào)為定子電流，僅從定子側(cè)或轉(zhuǎn)子側(cè)信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷，不能保證故障監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

本文將雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)子靜偏心存在的模型稱為理想模型;將計(jì)及實(shí)際中長(zhǎng)期運(yùn)行后存在的轉(zhuǎn)子靜偏心的模型為實(shí)際模型。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有機(jī)型的參數(shù)，在時(shí)步有限元軟件Maxwell中進(jìn)行建模，在理想模型和實(shí)際模型下分別設(shè)置轉(zhuǎn)子繞組正常和轉(zhuǎn)子繞組1匝匝間短路故障，并分別進(jìn)行仿真。從轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓的頻譜分析角度，明確了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障與轉(zhuǎn)子輕微靜偏心故障在頻譜上的特性區(qū)分，并研究了計(jì)及轉(zhuǎn)子靜偏心對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷的影響，可望提高轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷精確度。

1 基本原理

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時(shí)兼具異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的特性，采用三相交流勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)在對(duì)稱情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組不對(duì)稱時(shí)，將存在一個(gè)正序旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和一個(gè)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，二者大小相等方向相反，合成磁動(dòng)勢(shì)將導(dǎo)致氣隙的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

轉(zhuǎn)子繞組不平衡產(chǎn)生的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同時(shí)交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，進(jìn)而在定轉(zhuǎn)子電壓電流中產(chǎn)生一系列諧波［9］，如圖1所示。

從圖1所示來(lái)看，轉(zhuǎn)子繞組不平衡將在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生奇次諧波，即fkr=(2k－1)sf;轉(zhuǎn)子繞組不平衡在定子側(cè)產(chǎn)生諧波頻率為

其中k=1，2，3……

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接交流勵(lì)磁，定子側(cè)帶負(fù)載，但是轉(zhuǎn)子側(cè)電壓值和電流值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定子側(cè)電壓值和電流值，因此，對(duì)轉(zhuǎn)子線電流進(jìn)行頻譜分析得到的諧波幅值，要比定子線電壓諧波分析得到的各次諧波幅值小得多，相應(yīng)的變化幅度也要小的多。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，故障相電流的變化要遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子繞組固有不平衡導(dǎo)致的電流變化，即轉(zhuǎn)子輕微匝間短路故障產(chǎn)生的故障諧波含量要大于轉(zhuǎn)子繞組固有不平衡產(chǎn)生的諧波量。

綜上所述，在理想模型和計(jì)及轉(zhuǎn)子輕微靜偏心的實(shí)際模型下，分別對(duì)轉(zhuǎn)子繞組正常與發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的情況進(jìn)行仿真，分別對(duì)轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓的頻譜特性進(jìn)行分析與對(duì)比，進(jìn)而確定不同情況對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特征頻率產(chǎn)生的影響。

研究上述情況對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特征頻率的影響，能有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷精度。

2 仿真建模與故障設(shè)置

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心分為靜偏心和動(dòng)偏心兩種，現(xiàn)只研究與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障所致的非圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極為接近的靜偏心狀態(tài)。靜偏心是由于定子鐵心呈橢圓形或者轉(zhuǎn)子定位不準(zhǔn)確(即定、轉(zhuǎn)子非同心)引起的，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子同心，與定子不同心，這樣氣隙的最小長(zhǎng)度相對(duì)于定子的空間位置固定不變，周圍空間的氣隙大小在不同的位置上基本不變，如圖2所示。

發(fā)電機(jī)存在轉(zhuǎn)子靜偏心，則定子圓的幾何中心和轉(zhuǎn)子圓的幾何中心不重合，偏心率ε可表示為

其中δ0為無(wú)偏心時(shí)均勻氣隙長(zhǎng)度，δ1為轉(zhuǎn)子幾何中心偏離定子幾何中心距離。經(jīng)過(guò)對(duì)5%、10%、15%這3組不同偏心率特性的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏心率為5%時(shí)，電機(jī)的電壓電流已具備明顯的靜偏心故障的特性，偏心率的不同僅影響特征量幅值的變化，不會(huì)改變故障特性。兼顧所研究故障各自的特性與類型區(qū)分的精確度，仿真模型設(shè)置轉(zhuǎn)子繞組匝間短路數(shù)為1匝，偏心率為ε=5%。

發(fā)電機(jī)存在靜偏心，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不對(duì)稱，通過(guò)對(duì)磁動(dòng)勢(shì)的分析，可知偏心故障會(huì)在定子繞組中形成一系列特定頻率的電流分量，文獻(xiàn)［10－11］經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論推導(dǎo)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提供了偏心故障的特征頻率，偏心導(dǎo)致的諧波分量可以表示為

其中:f為基頻;P為極對(duì)數(shù);Z為轉(zhuǎn)子槽數(shù);s為轉(zhuǎn)差率;v為電源諧波階數(shù)(v=1，2，3…);nd為偏心階數(shù);nd=0表示為靜偏心，nd=1，2，3…表示動(dòng)偏心;k為任意整數(shù)。

研究的僅為靜偏心，通過(guò)對(duì)靜偏心故障特征頻率和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特征頻率的計(jì)算，即對(duì)公式(1)、(3)求解，可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)故障在特征頻率上有公共解，也即存在兩故障特征頻率相同的可能性，若僅從某一特征頻率是否出現(xiàn)來(lái)判定故障，這有可能導(dǎo)致對(duì)故障的誤診斷。

研究依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)置，對(duì)材料屬性、剖分網(wǎng)格、激勵(lì)等必要條件的設(shè)置完成仿真模型，通過(guò)外電路分別設(shè)置理想模型轉(zhuǎn)子繞組無(wú)匝間短路、理想模型轉(zhuǎn)子繞組1匝匝間短路故障、實(shí)際模型無(wú)匝間短路和實(shí)際模型轉(zhuǎn)子繞組1匝匝間短路故障。

針對(duì)上述4種不同情況分別進(jìn)行仿真，并采集發(fā)電機(jī)定子線電壓和轉(zhuǎn)子線電流進(jìn)行頻譜分析。雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的基本參數(shù)如表1。

為精確求解，本仿真做如下設(shè)置:①考慮鐵磁材料飽和;②忽略定子外表面漏磁場(chǎng)，定子外圓加平行磁通邊界條件;③轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子鐵心絕緣;

外電路故障設(shè)置如圖3所示，短路故障設(shè)置在a相線圈中。通過(guò)調(diào)節(jié)圖示中被短路電阻r短接的匝數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)短路程度。

3 仿真與分析

3.1 仿真結(jié)果

仿真的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)差率為s=0.1，網(wǎng)側(cè)基頻為f=50Hz，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率為f2=5Hz，文獻(xiàn)［3］通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)論證了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在轉(zhuǎn)子電流中出現(xiàn)的特征頻率為3sf，文獻(xiàn)［12］詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后在定子側(cè)產(chǎn)生特征頻率為(1－2s)f。

研究對(duì)象為定子線電壓和轉(zhuǎn)子線電流，研究目的在于區(qū)分發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致的微弱偏心故障和輕微轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，故障后轉(zhuǎn)子線電流特征頻率值相對(duì)勵(lì)磁電流頻率會(huì)很小，同理，定子線電壓特征頻率幅值相對(duì)基頻會(huì)很小，所以下文圖示中將本仿真轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電源頻率5 Hz部分和定子線電壓基頻50 Hz部分均置零，以突出特征頻率的變化特性。

理想模型和實(shí)際模型中轉(zhuǎn)子繞組無(wú)匝間短路和轉(zhuǎn)子繞組1匝短路情況下，轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓頻譜圖如圖4～圖7。

依據(jù)不同情況下對(duì)轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓進(jìn)行頻譜分析后，得出以下各特征頻率幅值，見(jiàn)表2。3.2 結(jié)果分析

1)圖4中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生輕微匝間短路，對(duì)轉(zhuǎn)子線電流進(jìn)行頻譜分析，與正常時(shí)的頻譜分析圖比較，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生1匝匝間短路故障后，特征頻率3sf(15 Hz)幅值明顯增加，且增加幅值遠(yuǎn)大于其他諧波增加幅值。

2)由圖5可以知，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生1匝匝間短路故障后，在定子線電壓的特征頻率(1－2s)f，即40 Hz出現(xiàn)并大幅增加，其他諧波幅值無(wú)明顯變化。

綜合1)、2)分析可知，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后，在轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓中，均會(huì)出現(xiàn)特征頻率，且幅值明顯大于其他諧波幅值。

3)比較圖4(a)和圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際模型下，從轉(zhuǎn)子線電流頻譜分析來(lái)看，各諧波含量并無(wú)明顯變化，即從轉(zhuǎn)子線電流的頻譜分析來(lái)看，無(wú)法判斷發(fā)電機(jī)是否存在轉(zhuǎn)子靜偏心。

4)比較圖5(a)和圖7(a)可知，在實(shí)際模型下，定子線電壓頻譜分析中，出現(xiàn)了與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障相同的特征頻率，且較理想模型下該特征頻率的幅值明顯增加(約增大450倍)，其他諧波成分無(wú)明顯變化。

綜合3)、4)分析可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)僅存在微弱轉(zhuǎn)子靜偏心故障時(shí)，在定子線電壓中會(huì)出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生輕微匝間短路故障相同的特征頻率，但在轉(zhuǎn)子線電流中卻沒(méi)有與轉(zhuǎn)子輕微匝間短路故障相同的特征頻率出現(xiàn)。若故障監(jiān)測(cè)信號(hào)為定子線電壓，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的誤判斷。

5)表2中，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組1匝匝間短路故障后，分別比較兩模型下轉(zhuǎn)子線電流、定子線電壓特征頻率的幅值可知:實(shí)際模型下的特征頻率幅值均大于理想模型下各特征頻率的幅值，但差值不大。

4結(jié)論

1)實(shí)際模型中存在的轉(zhuǎn)子靜偏心，會(huì)在定子線電壓中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障相同的特征頻率，這將導(dǎo)致早期轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的誤判斷，對(duì)定子和轉(zhuǎn)子側(cè)信號(hào)同時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于提高故障診斷精度。

2)存在轉(zhuǎn)子靜偏心會(huì)增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后特征頻率的幅值，但增加幅值很微弱。

3)對(duì)發(fā)電機(jī)定子線電壓和轉(zhuǎn)子線電流同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從頻譜特性角度比較、分析，可以判定發(fā)電機(jī)是否存在轉(zhuǎn)子靜偏心，以及是否發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

本文針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的情況，建立了考慮轉(zhuǎn)子靜偏心的仿真模型，并通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線電流和定子線電壓進(jìn)行頻譜分析，得出了不同情況對(duì)應(yīng)的頻譜特性。避免了由轉(zhuǎn)子靜偏心導(dǎo)致對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的誤判斷，可望提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路故障診斷的準(zhǔn)確性。

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(編輯:劉素菊)

Simulation analysis on spectral characteristics of doubly-fed induction generator rotor w indings inter-turn short fault considering rotor static eccentricity

LIJun-qing， ZHANG li-peng
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Differences of doubly-fed induction generator(DFIG)spectral characteristics between rotor windings inter-turn short fault and rotor static eccentric were studied，in order to avoidmisdiagnosis of rotor windings inter-turn short fault leading by rotor static eccentric．Based on the finite element theory，model of rotor windings inter-turn short fault and the model considering static eccentric were built，and these different situationswere simulated．Taking rotor line current and stator line voltage as research objects，the simulation results for each group were compared from the perspective of spectral characteristics．The results show that the presence of static eccentric can cause the same frequency as rotor windings inter-turn short fault in stator voltage，itmay cause false diagnosis．Whilemonitoring rotor line current，stator line voltage and high frequency of stator voltage could distinguish between rotor static eccentric and rotor windings inter-turn short fault effectively，and avoid misdiagnosis of rotor windings inter-turn short fault caused by rotor static eccentric．

doubly-fed induction generator;finite element theory;inter-turn short circuit fault of rotor windings;rotor static eccentric;distinguish of spectral characteristics

10．15938/j．emc．2015．06．001

TM 31

A

1007－449X(2015)06－0001－05

2014－07－02

河北省自然科學(xué)基金(E2014502015)

李俊卿(1967—)，女，博士，教授，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)及其系統(tǒng)分析、電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷;張立鵬(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)及其系統(tǒng)分析、電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷。

張立鵬