雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路建模及特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于雙饋風(fēng)力發(fā)電機故障的建模和特征提取領(lǐng)域，具體涉及一種雙饋風(fēng)力 發(fā)電機定子繞組匝間短路建模及特征提取方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機廣泛應(yīng)用于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中，它是風(fēng)電機組的重要組成部分。由于其 運行工況復(fù)雜，故障時有發(fā)生，直接影響電網(wǎng)的安全和效益。據(jù)統(tǒng)計，40%的故障與軸承有 關(guān)，并有38%和20%的故障與電機的定子和轉(zhuǎn)子有關(guān)。因此，若能夠建立有效的雙饋風(fēng)力 發(fā)電機早期故障的仿真模型，提取能夠反映電機早期故障的特征量，則可以及早采取措施 預(yù)防事故的發(fā)生。
[0003] 為了研宄雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路的故障特征，可以在實驗室搭建試驗 平臺模擬真實的定子繞組匝間短路故障，但是該方法周期長、耗費大，而且易對電機造成永 久性損壞。所以采用仿真方法建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路故障模型可以為其 提供一個更好的解決方法，不僅可以模擬多種故障，而且可以反復(fù)實驗，花費少、成效高，是 研宄者的首選。目前，基于有限元的定子繞組匝間短路模型多是通過在ANSYS Maxwell 2D 中改變短路線圈匝數(shù)（朱喜華，李穎暉，張敬等.基于Ansoft的永磁同步電機早期匝間 短路故障分析[J].大電機技術(shù)，2010,（5) :35-39.張敬，李穎暉，朱喜華.基于Maxwell 2D的同步發(fā)電機定子繞組匝間短路故障研宄[J].微電機，2010, 43(11) :93-96.)，或者同 時改變定子繞組的匝數(shù)和阻抗值大?。R宏忠，張志艷，張志新等.雙饋異步發(fā)電機定子 匝間短路故障診斷研宄[J].電機與控制學(xué)報，2011，15(11) :50-54.張志新，馬宏忠，錢 雅云等.基于有限元分析的雙饋異步發(fā)電機定子繞組匝間短路故障診斷研宄[J].高壓電 器，2012, 48(8).)來模擬電機的故障程度。但是這種仿真方法并不能模擬電機定子繞組匝 間短路的真實情況，因為當(dāng)定子繞組匝間短路時，在短路匝之間會產(chǎn)生一個新的回路，該 回路電流比相電流大得多。這個很大的回路電流流過線圈，使得線圈溫度升高，進而對故障 繞組及其周圍繞組的絕緣材料產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致更大范圍的匝間短路，甚至造成相 間短路或相對地短路故障。因此該回路在仿真模型中不可或缺。
[0004] 通常雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常運行時電流信號的成分較復(fù)雜，定子繞組匝間短路時故 障信號較微弱，干擾信號影響大，僅提取單一的特征無法作為有效判別故障與否，因此需要 提取多種故障特征。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞 組匝間短路建模及特征提取方法。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路建模及特征提取方法，包括以下步驟：
[0008] 1)根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)和運行參數(shù)，建立基于有限元的雙饋風(fēng)力發(fā)電 機的正常仿真模型；
[0009] 2)分別在其正常仿真模型和外電路中改變雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組的連接方式， 對正常仿真模型定子某相某支路進行拆分和短路設(shè)置，得到雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間 短路故障的仿真模型；
[0010] 3)在步驟2)得到的仿真模型中采集定子三相電流，提取定子三相電流的相位差， 總諧波畸變率，以及Park矢量軌跡的長半軸長、短半軸長和離心率。
[0011] 本發(fā)明進一步的改進在于：所述步驟1)具體包括以下步驟：
[0012] 根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)和運行參數(shù)，在電磁場仿真軟件ANSYS Maxwell 中建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機的正常仿真模型。
[0013] 本發(fā)明進一步的改進在于：電機設(shè)計參數(shù)包括定轉(zhuǎn)子的內(nèi)外徑、軸長、槽數(shù)、極數(shù)、 槽尺寸、材料、繞組連接方式、節(jié)距、并聯(lián)支路數(shù)及導(dǎo)線屬性；電機運行參數(shù)包括額定輸出 功率、額定電壓、額定功率因數(shù)、額定轉(zhuǎn)速及頻率。
[0014] 本發(fā)明進一步的改進在于：所述步驟2)具體包括以下步驟：
[0015] 在正常仿真模型的基礎(chǔ)上，對雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子某相某支路進行拆分，將該支 路某槽中導(dǎo)體一分為二，改變該支路的線圈連接方式，并在外電路中進行設(shè)置。
[0016] 本發(fā)明進一步的改進在于：正常情況下，該支路所有線圈串聯(lián)；定子繞組匝間短 路時，通過開關(guān)將短路線圈短接，實現(xiàn)了雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路故障的仿真模 型的建立。
[0017] 本發(fā)明進一步的改進在于：所述步驟3)具體包括以下步驟：
[0018] 31)求解步驟1)和步驟2)建立的仿真模型，采集定子三相電流iA、i B、ic，計算相 位差：
[0019] 對定子三相電流信號分別做傅里葉變換，得到基頻處的相位thl、th2和th3,通過 兩兩做差并取絕對值，得到取絕對值后的相位差*ab、及力CA，其中，i^B= |th2_thl|， itBC= |th3_th2|，^ CA= |th3_thl|，判斷 ^ AB、1]^和 it CA是否在 0° ~180°，如果大于 180°，則取其與360°的差的絕對值作為相位差，直到^及均在〇°~180°之 間；
[0020] 32)計算三相電流的總諧波畸變率：
[0021] 根據(jù)步驟31)傅里葉變換之后的結(jié)果，計算各相電流中不大于階數(shù)H的所有諧波 分量有效值I n與基波分量有效值I i比值的方和根，得到各相總諧波畸變率THD :
[0022]
[0023] 式中，In為電流的第n次諧波的有效值，I:為電流的基波有效值；
[0024] 33)計算定子三相電流的Park矢量軌跡的長半軸長、短半軸長和離心率：
[0025]根據(jù)采樣得到的定子三相電流iA、iB、ic，計算其Park矢量〗= 其中，
[0026]
[0027] 繪制Park矢量軌跡，并擬合得到橢圓的一般方程：
[0028] Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1 =0
[0029] 式中，橢圓的幾何中心為（Xe，Y。），且有：
[0030]
[0031]
[0032] 則橢圓的長半軸長和短半軸長分別為：
[0033]
[0034]
[0035] 那么，橢圓的離心率為：
[0036]
[0037] 本發(fā)明進一步的改進在于：階數(shù)H的取值為奇數(shù)，且H大于等于9。
[0038] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0039] 本發(fā)明是在對比現(xiàn)有基于有限元仿真雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路故障仿 真的方法的基礎(chǔ)上，通過在雙饋風(fēng)力發(fā)電機的幾何模型和外電路中改變定子繞組的連接方 式，并且考慮了電機的端部效應(yīng)，更為真實地模擬了定子繞組匝間短路故障。通過仿真不同 匝數(shù)的定子繞組匝間短路，將其仿真結(jié)果與正常模型的仿真結(jié)果對比，驗證了模型的正確 性。
[0040] 本發(fā)明通過采集定子三相電流，計算定子三相電流的相位差、總諧波畸變率（THD) 和Park矢量的長半軸長、短半軸長、離心率，將相位差、總諧波畸變率（THD)和Park矢量的 離心率作為故障特征，并不單一采用某個特征參量，這提高了故障診斷的成功率。
【附圖說明】：
[0041] 圖1為本發(fā)明實施方法中雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常模型建模的流程圖。
[0042] 圖2為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機建模中正常幾何模型圖。
[0043] 圖3為本發(fā)明實施方法中雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路故障模型建模的流 程圖。
[0044] 圖4為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機仿真中定子繞組匝間短路故障幾何模型圖。
[0045] 圖5為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機仿真中定子繞組匝間短路故障外電路圖。
[0046] 圖6為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組匝間短路故障特征提取流程圖。
[0047] 圖7為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常和定子繞組A相一個支路1~9匝匝間短路時 的定子電流相位差趨勢圖。
[0048] 圖8為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常和定子繞組A相一個支路1~9匝匝間短路時 的定子電流總諧波畸變率趨勢圖。
[0049] 圖9為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常和定子繞組A相一個支路3、6、9匝匝間短路時 的定子電流Park矢量軌跡圖，其中，圖9(a)為正常時的定子電流Park矢量軌跡圖，圖9(b) 為3匝匝間短路時的定子電流Park矢量軌跡圖，圖9(c)為6匝匝間短路時的定子電流Park 矢量軌跡圖，圖9(d)為9匝匝間短路時的定子電流Park矢量軌跡圖。
[0050] 圖10為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機正常和定子繞組A相一個支路1~9匝匝間短路 時的定子電流Park矢量離心率趨勢