雙饋風力發電機定子匝間短路建模分析

王悅川

(國網陜西省電力公司渭南供電公司，陜西省渭南市 714000)

0 前 言

當前，風力發電等新能源技術有了巨大進步。在風力發電系統中，廣泛采用雙饋電機作為風力發電機。雙饋式風力發電機本質上是一種轉子繞線式異步電機。其轉子電流勵磁頻率隨著電機轉速相應變化,與傳統的汽輪發電機和水力發電機相比，雙饋風力發電機運行工況惡劣。風力發電機在運行過程中，需要進行低電壓穿越，也對其匝間絕緣有不利影響[1]。因此對雙饋電機的匝間絕緣的研究具有十分重要的意義。因為匝間絕緣破壞導致的匝間短路故障往往會發展為更嚴重的短路故障破壞繞組的整體絕緣。定子匝間短路故障是其主要電氣故障之一[2]。目前針對雙饋風力發電機定子匝間短路故障的研究已有很多。文獻[3]指出當雙饋電機發生定子匝間短路故障時，將在雙饋電機轉子瞬時平均功率中引起相應的特征頻率，可以通過對雙饋電機轉子瞬時平均功率進行頻譜分析進行故障判斷識別；文獻[4]提出匝間短路等雙饋電機早期故障在不利工況下容易惡化，提出擬序阻抗的概念，以此為故障特征量對雙饋電機定子繞組匝間短路故障進行早期故障辨識；文獻[5]提出基于派克矢量軌跡橢圓度的匝間短路早期識別方法。目前對雙饋電機定子匝間短路故障研究主要集中在故障信號的判斷識別[6-8]。

故障信號的判斷識別的關鍵是故障機理的研究。本質上，定子的匝間絕緣被破壞后的定子匝間短路故障會導致定子三相電流不對稱，三相電流不對稱會導致雙饋電機氣隙磁場不對稱，這必然引起電機轉子電流和電磁轉矩的變化，在轉子電流和電磁轉矩中均引起相應的特征信號。本文建立了電機的有限元仿真模型，從分析雙饋式風力發電機定子匝間短路故障發生后，雙饋風力發電機電磁轉矩中的特征頻率分量出發，進行雙饋電機的匝間短路故障的仿真分析。

1 雙饋發電機定子匝間短路分析

1.1 定子匝間短路故障下轉子電流分析

電機正常運行時，定、轉子均為對稱的三相電流，假設f1、f2分別為定、轉子電流頻率，n1、n2為定、轉子磁場轉速，nr為轉子旋轉速度，則：n1=n2+nr。因f1=n1/60，f2=n2/60，有：

(1)

當轉差率為s時，定子匝間短路在轉子電流中產生的諧波為：

f′=(2-s)f

(2)

式中:f為電網電壓頻率。在轉子電流中感應出f′=(2+s)f次諧波，因此可以根據發電機的定子電流諧波中(2-s)f分量和轉子電流諧波中的(2+s)f分量來識別電機定子繞組匝間短路故障。

1.2 定子匝間短路故障下電磁轉矩分析

由于匝間短路發生后，本質上引起氣隙磁場的不對稱，電機的電磁轉矩與氣隙磁場息息相關，因此，匝間短路故障會在電磁轉矩中引起相應的短路故障特征。從而分析故障下的電磁轉矩對匝間短路故障的提取與識別具有重要意義。

雙饋異步發電機正常運行時，其基波磁動勢為：

F(α,t)=Fs(α,t)+Fr(α,t)

(3)

定子匝間短路故障發生時，其基波磁動勢為短路后的定轉子磁場的合成磁動勢，文獻[9]指出，定子匝間短路故障的雙饋式電機的電磁轉矩為：

Te= 2πΛ0RL{Fr1Fs1[cosψ+cos(ψ-ωT1t)]+

Fr2Fs2[cos(5ψ-ωT2t)+cos(5ψ-ωT3t)]-

Fr3Fs3[cos(7ψ-ωT4t)+cos(7ψ-ωT5t)]-

Fr4Fs4[cos(11ψ-ωT6t)+cos(11ψ-ωT7t)]+

Fr5Fs5[cos(13ψ-ωT8t)+cos(5ψ-ωT3t)]}

(4)

其中：

ωT1=ω+ω1+ω2=2ω1，ωT2=5ω-ω1-ω2，

ωT3=5ω+ω1-ω2,ωT4=7ω-ω1+ω2,

ωT5=7ω+ω1+ω2,ωT6=11ω-ω1-ω2,

ωT7=11ω+ω1-ω2,ωT8=13ω-ω1+ω2,

ωT9=13ω+ω1+ω2。

其中ω1=ω+ω2。

1.3 電磁轉矩的計算

本文采用仿真時使用電磁場有限元計算軟件Ansoft Maxwell，雙饋風力發電機的電磁轉矩計算采用虛位移原理。

處于交變電磁場中的物體所受到的某一方向的力：

(5)

式中:Fs為物體所受的電磁力；W′和Wm分別為磁共能和磁場儲能。在整個虛位移過程中，磁鏈不變。物體在電磁場中所受的電磁轉矩為：

(6)

式中:θ為角虛位移。有限元計算時通過電機內部磁場能量的改變就可以確定電機電磁轉矩。

2 電機有限元建模與仿真

2.1 電機有限元建模

本文利用Ansoft Maxwell軟件搭建風力發電機的有限元仿真模型。建模所依據電機參數見表1。

表1 YR132M-4基本參數表

依據YR132M-4機組電機的參數，建立電機的仿真模型，其主要步驟為：

(1) 創建雙饋式風力發電機幾何模型；

(2) 對各部分分配材料屬性；

(3) 設置邊界條件；

(4) 設置激勵和進行網格剖分和求解設置。

搭建的雙饋式感應發電機的有限元模型如圖1。

圖1 電機有限元模型圖

雙饋式風力發電機的定、轉子外電路原理如圖2、3。

圖2 定子外電路圖

圖3 轉子外電路圖

根據定、轉子外電路原理圖,利用Maxwell Circuit Editor軟件搭建電機的仿真外電路。

2.2 仿真模型與匝間短路故障設置

為了分析定子繞組匝間短路和定子固有不平衡下的雙饋式感應發電機的特性，本文共建立2個仿真模型，分別是：

(1) 以定子繞組完全對稱的雙饋式發電機作為理想模型，簡稱正常電機模型，不考慮定子繞組匝間短路。用以研究理想模型正常情況下的轉子電流和電機的電磁轉矩。

(2) 以定子繞組存在定子匝間短路故障的雙饋式發電機作為故障電機模型。用以研究實際模型正常情況下的轉子電流和電機的電磁轉矩。

通過外電路和Ansoft Maxwell 2D模型場路耦合來分別設置定子匝間短路。為了排除其他因素對繞組輕微匝間短路和輕微固有不平衡的影響，本文將定子繞組匝間短路設置在定子A相第一條支路中，通過調節短路電阻和改變短路導體的數量來模擬短路故障的嚴重程度。外電路設置原理如圖4。

圖4 電機定子繞組匝間短路故障的外電路設置原理圖

3 仿真結果及分析

本文仿真所設置的電機轉速為1 200 r/min。轉差率為0.2，其轉子勵磁電流頻率為10 Hz。采集電機進入穩態后的轉子電流和電磁轉矩進行頻譜分析。

3.1 電機轉子電流分析

轉子電流基波為10 Hz，為便于對比,略去基波。其頻譜分析結果見圖5～6。

圖5 正常電機模型轉子電流圖

由仿真結果可得，正常電機轉子電流中幾乎不存在諧波分量。當雙饋風力發電機存在定子匝間短路故障時，轉子電流中存在顯著的90 Hz和110 Hz特征諧波。這與前述分析相一致，即雙饋式風力發電機的定子匝間短路故障在轉子電流中引起頻率為(2±s)f諧波分量。

圖6 故障電機模型轉子電流圖

3.2 電機電磁轉矩分析

采集正常電機和故障電機穩態后的電磁轉矩數據進行頻譜分析(見圖7～8)。

圖7 正常電機模型電磁轉矩圖

圖8 故障電機模型電磁轉矩圖

從仿真結果可得，電機定子正常時，雙饋電機的電磁轉矩中幾乎不存在100 Hz諧波。而雙饋電機存在定子匝間短路時的電磁轉矩中含有較明顯的100 Hz分量，這與理論分析一致。此外，與正常運行時相比，定子匝間短路故障下，電機電磁轉矩中含有明顯的140、240、340、380 Hz分量。這與理論分析一致。

4 結 語

本文對雙饋式風力發電機定子匝間短路故障下的轉子電流特征諧波和電磁轉矩中的特征信號進行了分析。并利用Ansoft Maxwell軟件搭建了雙饋式感應發電機的有限元模型進行仿真分析。

(1) 雙饋式風力發電機的定子匝間短路故障在轉子電流中引起頻率為(2±s)f諧波分量。

(2) 定子匝間短路故障在電磁轉矩中引起100 Hz諧波分量，100 Hz特征頻率與轉差率數值無關，其余諧波分量與轉差率相關。

綜上所述，定子匝間短路故障，會同時在轉子電流和電磁轉矩中引起特征頻率的諧波，這些諧波分量與轉差率有關。其中電磁轉矩中的100 Hz諧波與轉差率無關，為定子側的2倍頻率，可以同時監測雙饋式風力發電機的轉子電流和電磁轉矩中的特征信號來進行定子匝間短路故障診斷。