雙饋風力發電機繞組匝間短路故障診斷綜述

張立鵬，李忠徽

(1.國網冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

2017-06-07

張立鵬(1988-)，男，助理工程師，主要從事分布式并網、有序用電業務工作。

雙饋風力發電機繞組匝間短路故障診斷綜述

張立鵬1，李忠徽2

(1.國網冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

在風電市場上雙饋風力發電機(DFIG)憑借其卓越的性能，被廣泛投入使用。綜述了雙饋風力發電機常見的一些故障類型，以及定、轉子發生匝間短路的故障機理。同時針對這兩種故障展開分析研究，并提出了一系列相應的故障診斷方法。最后對其繞組故障診斷的發展趨勢做了簡單闡述。

雙饋異步電機；繞組匝間短路；故障診斷

面對愈加嚴重的能源安全和環境惡化問題，大力發展風電已成為我國可持續發展戰略的重要決策。隨著風電技術和裝備水平的快速發展，風電已經成為目前技術最為成熟，最具有規模化開發條件和商業化發展前景的新能源。如今清潔能源受到廣泛青睞，風能作為其中的一種受到了各國的大力開發和利用。雙饋異步風力發電機憑借其優越的性能和卓越的條件在風電市場上占據著重要的地位。但是雙饋風機的工作環境又因一直處于野外，高溫，沙塵等環境下，導致其極易發生故障。因此及時的發現并對故障做出診斷,對雙饋風機的穩定運行以及整個國網大系統的安全有著重要的意義。

1 故障類型

常見的雙饋異步風力發電機故障類型，一般可分為定、轉子故障，軸承故障以及氣隙偏心故障等。在眾多故障當中以定、轉子故障最為常見，二者的故障率加起來高達48%，近乎占所有電機故障的一半。對于定、轉子故障而言，最常見的就是繞組短路故障。在繞組匝間短路故障的早期，如果不能發現故障的存在并及時的做出診斷，那么故障將有可能會進一步的升級轉變為相間短路，將會給風機甚至整個電網造成難以估量的損失，因此研究其繞組匝間短路故障具有良好的社會經濟價值。

2 故障分析

雙饋異步電機處于正常運行狀態的時候，于定子端的定子電流是對稱的，相應的此時定、轉子電流頻率為f和sf。然而在繞組發生匝間短路故障后，對稱就將不復存在。在定子端發生匝間短路故障后，定子電流中將會產生一個反向旋轉的磁場，使得轉子電流中產生了(2-s)f故障諧波分量。最終會分別在定子、轉子端產生一系列的諧波分量，即定子端為±kf，轉子端為(2k±s)kf。當轉子側發生匝間短路故障時，轉子繞組的不對稱會產生一個正序的旋轉磁場和一個負序的旋轉磁場，這兩個反向的旋轉磁場同時交鏈定轉子繞組，將會在兩者的電壓電流中產生一系列的諧波分量。轉子側將會出現一系列奇數次諧波±ksf,k=1,3,5,…，定子側將會產生(1±2ks)f諧波。這些諧波也可以作為故障診斷的依據。

3 故障診斷方法

定、轉子的診斷方法目前有很多種，主要有解析計算法、數字仿真法以及實驗研究法。其中的數字仿真法又包含場路耦合法、坐標變化法和多回路法等一系列方法。

3.1 定子匝間短路

3.1.1 數學模型法

通過建立雙饋電機的數學模型，結合理論知識，根據模型參數的變化來尋找故障特征。文獻[1]根據多回路理論知識，建立了雙饋異步電機的多回路模型，電機定子側繞組為三角形鏈接，轉子側為星形鏈接，具體如圖1所示。

(a) 定子連接方式

(b) 轉子連接方式 圖1 DFIG三相繞組連接示意

利用模型分析故障后的電磁特性變化規律并對定、轉子電流側進行頻譜分析，通過特定的頻譜信號來檢測電機并作出故障診斷。文獻[2]在多回路理論的基礎上利用MATLAB中的S函數建立了雙饋電機的的數學模型，并在考慮變流器控制策略同時，對雙饋電機定子匝間短路故障進行分析。然而利用模型進行故障診斷，它的準確性將完全取決于該模型是否能夠準確的建立。

3.1.2 信息融合法

利用單一的故障特征信息并不能完整的反映電機的真實情況，不確定性高，使得最后得出的結果可信度不高。所以提出利用信息融合的方法，綜合利用多種故障信息以提高故障診斷的精度，降低其不確定性。文獻[3]中利用D-S證據合成理論，將多種特征信息特征給予加權處理，如時域特征、頻域特征、軸心軌跡不變距特征，求得各證據體下的加權概率分配，然后進行融合處理，會發現融合以后的診斷結果會大大降低診斷的不確定性，使得診斷準確性得到進一步的提高。文獻[4]中采用多源信息融合的方法，將電機的定子電壓以及電流的負序分量進行融合，形成李薩茹圖形。通過觀察圖形的變化，將圖形的傾角θ作為故障特診量來進行診斷，使其更具有魯棒性。

3.1.3 負序電流

當雙饋異步電機發生定子匝間短路后，電機三相繞組不在對稱，此時的定子電流中將會出現負序電流。并且隨著短路匝數的增加，其負序分量的值也相應變大。文獻[5]利用有限元搭建了雙饋異步電機的匝間短路模型，并通過設置其短路電阻的大小和短路匝數的多少來完成短路故障的研究，同時以定子電流負序分量為故障特征完成診斷研究。此方法受負載變化以及電機自身結構的影響較大。

3.1.4 轉子瞬時功率譜法

文獻[6]利用PSCAD軟件進行仿真，針對雙饋電機定子匝間短路提出一種基于轉子端瞬時功率譜的方法，并以2f(f為基頻)為特征頻率。該方法與常規的那些電流，電壓故障特征量相比，其可不受轉差率的影響并且具有較強的抗干擾能力。

3.1.5人工智能診斷

利用人工智能方法進行診斷，就是在統計學的基礎上，利用大量的歷史數據來訓練和學習。常用的有遺傳算法、神經網絡、支持向量機等方法。人工智能算法具有強大的包容性，能夠融合多個故障特診信息。但同時它的缺陷也非常明顯，即受到歷史樣本數據的選擇，具有一定的局限性。

3.2 轉子匝間短路

3.2.1 PARK矢量法及擴展PARK變換法

利用坐標變換的思想，將轉子電流從三相坐標系下轉換到αβ坐標系下，即：

3.2.2 數學模型法

文獻[7]以多回路理論為基礎，利用MATLAB中S函數對雙饋異步電機轉子匝間短路進行仿真。通過對定子側電流進行傅里葉分析，得出故障特征信息。文獻[8]在分析定子側電流變化的同時也考慮了繞組結構對于諧波成分的影響。同定子匝間短路一樣，數學模型法準確性取決于模型是否能夠正確的搭建。

3.2.3 失電殘壓法

在雙饋異步電機突然斷電后，轉子中的感生電流會在定子端產生一個感應電壓，即為定子端失電殘壓。文獻[9]中通過對失電殘壓中的諧波成分進行分析，會發現諧波的主要成分為：

I=6m±1 (m=0,1,2，…)

通過比對正常狀態和繞組故障后的情況，會發現在故障后5次，7次，13次等諧波會發生明顯變化，并以此作為故障特征量。用此方法進行診斷，可以避免電源不平衡，電機負載波動的影響，但是此方法是利用斷電后電壓進行，不可實現在線診斷，同時失電后信號衰減的非常快，不易采取。

3.2.4 探測線圈法

文獻[10-11]利用Ansoft軟件對雙饋異步電機進行仿真，并從磁特性的角度展開研究。利用探測線圈和光電裝置，通過正常情況和轉子匝間短路故障下采集信號所存在的差值，可以實現故障所在位置的準確定位。

4 實例分析

2013年，首都遷鋼公司在生產過程中2號開卷機主電機定子繞阻內部內部突然溫度急劇變化，其最高溫將近90 ℃，電機容量200 kW，F級絕緣等級，轉速也變為988 r/min。通過采集關于電機的電流、電壓、電阻、電流倍頻等一系列電氣參數，以及對電機斷電后的電壓頻譜進行分析，從而實現電機的診斷研究。通過綜合分析，電機內部溫度發生顯著變化，而且電機的定子端電流發生變化，其定子電流中的負序電流含量明顯增大。還有對電機的電氣端電機前軸水平方向振動速度頻譜中，2倍頻有故障頻率，在電機斷電之后，2倍頻消失，從而斷定電機定子端發生匝間短路故障。但是在斷電后對定子端感應電壓進行分析，發現其電壓內的5次、7次等故障諧波量并未明顯變換，所以電機轉子側正常。

5 結論

近些年雙饋異步電機繞組故障診斷方法已取得很大的發展，但是大多研究都是基于仿真或者實驗模擬來完成故障診斷，不能考慮實際運行過程中的環境和其他相關因素的影響。利用模型的方法進行分析診斷理論上是可行的，但是考慮到實際工作環境的各種因素，以及每個電機的不同結構，要想準確的建立模型非常困難，所以利用模型來進行診斷得到的結果就有可能存在誤差，甚至是誤判。利用人工智能算法進行診斷，局限于歷史數據的選取。利用電機的電壓，電流等信號進行分析，由于采用的是非侵入式，操作比較簡單方便，能夠實現對電機的在線監測診斷，但是以電壓，電流信號為故障信息進行處理，容易受到各種因素的干擾，例如負載變化，電機結構不對稱，電源電壓不平衡等。這些都有可能使得最終的診斷結果不準確，從而導致誤判。

雙饋風力發電機繞組匝間短路的研究方向，應該從現有的診斷方法基礎上深入考慮變流器本身以及其控制策略對整個雙饋異步風機的影響，進一步檢驗所提出的診斷方法在實際生產過程中的有效性。

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Summarization on Fault Diagnosis of Turn-to-turn Short Circuit in DFIG

Zhang Lipeng1，Li Zhonghui2

(1.State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd. Langfang Power Supply Company, Langfang 065000,China;2.North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In the wind power market,doubly fed wind turbines (DFIG) are widely used for their excellent performance.This paper reviews some common faults of the DFIG and the failure mechanism of stator and rotor turns short circuit.At the same time,this paper analyzes the two kinds of faults and puts presents a series of fault diagnosis methods.Finally,describes the development trend of winding fault diagnosis briefly .

DFIG;winding turn short circuit;fault diagnosis

TM315；TM346.2

B

1001-9898(2017)05-0032-03

本文責任編輯：王麗斌