王悅川

(國網(wǎng)陜西省電力公司渭南供電公司，陜西省渭南市 714000)

0 前 言

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電等新能源技術(shù)有了巨大進(jìn)步。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用雙饋電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)子繞線式異步電機(jī)。其轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁頻率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化,與傳統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)和水力發(fā)電機(jī)相比，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況惡劣。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，需要進(jìn)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(jī)的匝間絕緣的研究具有十分重要的意義。因?yàn)樵验g絕緣破壞導(dǎo)致的匝間短路故障往往會(huì)發(fā)展為更嚴(yán)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(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障的研究已有很多。文獻(xiàn)[3]指出當(dāng)雙饋電機(jī)發(fā)生定子匝間短路故障時(shí)，將在雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)平均功率中引起相應(yīng)的特征頻率，可以通過對雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)平均功率進(jìn)行頻譜分析進(jìn)行故障判斷識(shí)別；文獻(xiàn)[4]提出匝間短路等雙饋電機(jī)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(jī)定子繞組匝間短路故障進(jìn)行早期故障辨識(shí)；文獻(xiàn)[5]提出基于派克矢量軌跡橢圓度的匝間短路早期識(shí)別方法。目前對雙饋電機(jī)定子匝間短路故障研究主要集中在故障信號(hào)的判斷識(shí)別[6-8]。

故障信號(hào)的判斷識(shí)別的關(guān)鍵是故障機(jī)理的研究。本質(zhì)上，定子的匝間絕緣被破壞后的定子匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致定子三相電流不對稱，三相電流不對稱會(huì)導(dǎo)致雙饋電機(jī)氣隙磁場不對稱，這必然引起電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化，在轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩中均引起相應(yīng)的特征信號(hào)。本文建立了電機(jī)的有限元仿真模型，從分析雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的特征頻率分量出發(fā)，進(jìn)行雙饋電機(jī)的匝間短路故障的仿真分析。

1 雙饋發(fā)電機(jī)定子匝間短路分析

1.1 定子匝間短路故障下轉(zhuǎn)子電流分析

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子均為對稱的三相電流，假設(shè)f1、f2分別為定、轉(zhuǎn)子電流頻率，n1、n2為定、轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速，nr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，則：n1=n2+nr。因f1=n1/60，f2=n2/60，有：

(1)

當(dāng)轉(zhuǎn)差率為s時(shí)，定子匝間短路在轉(zhuǎn)子電流中產(chǎn)生的諧波為：

f′=(2-s)f

(2)

式中:f為電網(wǎng)電壓頻率。在轉(zhuǎn)子電流中感應(yīng)出f′=(2+s)f次諧波，因此可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的定子電流諧波中(2-s)f分量和轉(zhuǎn)子電流諧波中的(2+s)f分量來識(shí)別電機(jī)定子繞組匝間短路故障。

1.2 定子匝間短路故障下電磁轉(zhuǎn)矩分析

由于匝間短路發(fā)生后，本質(zhì)上引起氣隙磁場的不對稱，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁場息息相關(guān)，因此，匝間短路故障會(huì)在電磁轉(zhuǎn)矩中引起相應(yīng)的短路故障特征。從而分析故障下的電磁轉(zhuǎn)矩對匝間短路故障的提取與識(shí)別具有重要意義。

雙饋異步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其基波磁動(dòng)勢為：

F(α,t)=Fs(α,t)+Fr(α,t)

(3)

定子匝間短路故障發(fā)生時(shí)，其基波磁動(dòng)勢為短路后的定轉(zhuǎn)子磁場的合成磁動(dòng)勢，文獻(xiàn)[9]指出，定子匝間短路故障的雙饋式電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的計(jì)算

本文采用仿真時(shí)使用電磁場有限元計(jì)算軟件Ansoft Maxwell，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)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(chǔ)能。在整個(gè)虛位移過程中，磁鏈不變。物體在電磁場中所受的電磁轉(zhuǎn)矩為：

(6)

式中:θ為角虛位移。有限元計(jì)算時(shí)通過電機(jī)內(nèi)部磁場能量的改變就可以確定電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

2 電機(jī)有限元建模與仿真

2.1 電機(jī)有限元建模

本文利用Ansoft Maxwell軟件搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有限元仿真模型。建模所依據(jù)電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 YR132M-4基本參數(shù)表

依據(jù)YR132M-4機(jī)組電機(jī)的參數(shù)，建立電機(jī)的仿真模型，其主要步驟為：

(1) 創(chuàng)建雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾何模型；

(2) 對各部分分配材料屬性；

(3) 設(shè)置邊界條件；

(4) 設(shè)置激勵(lì)和進(jìn)行網(wǎng)格剖分和求解設(shè)置。

搭建的雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有限元模型如圖1。

圖1 電機(jī)有限元模型圖

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子外電路原理如圖2、3。

圖2 定子外電路圖

圖3 轉(zhuǎn)子外電路圖

根據(jù)定、轉(zhuǎn)子外電路原理圖,利用Maxwell Circuit Editor軟件搭建電機(jī)的仿真外電路。

2.2 仿真模型與匝間短路故障設(shè)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(yīng)發(fā)電機(jī)的特性，本文共建立2個(gè)仿真模型，分別是：

(1) 以定子繞組完全對稱的雙饋式發(fā)電機(jī)作為理想模型，簡稱正常電機(jī)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(zhuǎn)子電流和電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

(2) 以定子繞組存在定子匝間短路故障的雙饋式發(fā)電機(jī)作為故障電機(jī)模型。用以研究實(shí)際模型正常情況下的轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

通過外電路和Ansoft Maxwell 2D模型場路耦合來分別設(shè)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(shè)置在定子A相第一條支路中，通過調(diào)節(jié)短路電阻和改變短路導(dǎo)體的數(shù)量來模擬短路故障的嚴(yán)重程度。外電路設(shè)置原理如圖4。

圖4 電機(jī)定子繞組匝間短路故障的外電路設(shè)置原理圖

3 仿真結(jié)果及分析

本文仿真所設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。轉(zhuǎn)差率為0.2，其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率為10 Hz。采集電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行頻譜分析。

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子電流分析

轉(zhuǎn)子電流基波為10 Hz，為便于對比,略去基波。其頻譜分析結(jié)果見圖5～6。

圖5 正常電機(jī)模型轉(zhuǎn)子電流圖

由仿真結(jié)果可得，正常電機(jī)轉(zhuǎn)子電流中幾乎不存在諧波分量。當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在定子匝間短路故障時(shí)，轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子匝間短路故障在轉(zhuǎn)子電流中引起頻率為(2±s)f諧波分量。

圖6 故障電機(jī)模型轉(zhuǎn)子電流圖

3.2 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析

采集正常電機(jī)和故障電機(jī)穩(wěn)態(tài)后的電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析(見圖7～8)。

圖7 正常電機(jī)模型電磁轉(zhuǎn)矩圖

圖8 故障電機(jī)模型電磁轉(zhuǎn)矩圖

從仿真結(jié)果可得，電機(jī)定子正常時(shí)，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩中幾乎不存在100 Hz諧波。而雙饋電機(jī)存在定子匝間短路時(shí)的電磁轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)相比，定子匝間短路故障下，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中含有明顯的140、240、340、380 Hz分量。這與理論分析一致。

4 結(jié) 語

本文對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障下的轉(zhuǎn)子電流特征諧波和電磁轉(zhuǎn)矩中的特征信號(hào)進(jìn)行了分析。并利用Ansoft Maxwell軟件搭建了雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有限元模型進(jìn)行仿真分析。

(1) 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子匝間短路故障在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩中引起100 Hz諧波分量，100 Hz特征頻率與轉(zhuǎn)差率數(shù)值無關(guān)，其余諧波分量與轉(zhuǎn)差率相關(guān)。

綜上所述，定子匝間短路故障，會(huì)同時(shí)在轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩中引起特征頻率的諧波，這些諧波分量與轉(zhuǎn)差率有關(guān)。其中電磁轉(zhuǎn)矩中的100 Hz諧波與轉(zhuǎn)差率無關(guān)，為定子側(cè)的2倍頻率，可以同時(shí)監(jiān)測雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩中的特征信號(hào)來進(jìn)行定子匝間短路故障診斷。