海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法技术

本发明专利技术涉及一种海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法，针对双馈风机转子短路的特点，打破了以往的辨识参数受转差率影响较大的特点，引入磁链诊断，将转子绕组匝间短路故障引起的电压、电流两侧磁链观测差为故障特征量，将故障特征参数放大，该特征量可以精确识别双馈电机转子绕组匝间短路故障，且可以准确定位故障相，在获取特征量时滤除了转速测量误差，从而避免了测量误差对故障辨识的影响，以便及时做出处理，能可靠实现双馈电机转子绕组匝间短路早期故障辨识，提高双馈电机的使用寿命，避免灾难性故障的发生减少因故障造成的经济损失。

Fault identification method for interturn short circuit of doubly fed induction motor rotor winding

This invention relates to a method of identifying the interturn short circuit fault of the rotor winding of the doubly fed machine. In view of the characteristics of the rotor short circuit of the doubly fed fan, it breaks the characteristic that the past identification parameters are influenced greatly by the transfer difference. The magnetic chain diagnosis is introduced, and the magnetic chain observation on both sides of the voltage and current caused by the interturn short circuit fault of the rotor winding is poor. The characteristic parameters can be magnified and the characteristic parameters can be amplified. The characteristic quantity can accurately identify the interturn short circuit fault of the doubly fed motor rotor winding, and can accurately locate the fault phase and filter the speed measurement error when obtaining the characteristic quantity, thus avoiding the influence of the measurement error on the fault identification, so that the processing can be done in time and can be reliable. The early fault identification of the rotor winding interturn short circuit of the present doubly fed machine is used to improve the service life of the doubly fed motor and avoid the loss of the fault caused by the catastrophic failure.

【技术实现步骤摘要】
海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法
本专利技术涉及一种电机故障辨识技术，特别涉及一种基于双侧磁链观测差的海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法。
技术介绍
近年来，随着全球能源供应、能源安全和生态环境等问题的日益突出，开发利用可再生能源成为世界各国能源战略的重要途径及实施可持续发展战略的重要方向。尤其是海上风电由于海上风能资源丰富、邻近负荷中心的特点，受到众多沿海国家的青睐。我国拥有300万平方公里的辽阔海域，海上风能资源丰富，拥有发展海上风电的良好条件。截止至2016年中旬，全球风电装机容量已经达到456GW，其中海上风电总装机容量达到14384MW。占全球总装机容量的3.15％。但是由于海上风电场环境恶劣、气候复杂多变、远离陆地，导致海上风机故障率高、维护不便、故障停机损失大。因此为了避免非计划停机，并降低风力发电系统的维护成本，风力发电机组的早期故障辨识是至关重要的。匝间短路是一种双馈异步电机常见的严重故障。定子匝间短路已经得到了国内外学者的广泛关注，在定子匝间短路故障辨识时有几种常见的特征量，如负序电流、功率频谱、阻抗变化等。但是转子绕组匝间短路的研究相对较少，这是由于：①受到双馈电机转差率的影响，在越接近同步速的情况下，转差功率越小，转子匝间短路相较于定子匝间短路所产生的故障信息越小、故障特征越薄弱；②旋转的转子绕组导致故障特征量不易提取。这就为转子匝间短路的诊断增加了难度。因此为了尽早发现海上风电机组的电气故障，避免故障初期漏判导致的毁灭性事故。李俊卿、李明和、JungJH等学者提出了几种电机转子匝间短路特征量，包括振动、谐波、功率等。李俊卿、王栋等在电力系统自动化上发表的双馈感应发电机转子匝间短路时定子电流谐波分析分析了双馈电机转子绕组匝间短路时定子侧的谐波特性，并以此来实现转子匝间短路的早期诊断。李俊卿、沈亮印等在电机与控制应用上发表的基于定子平均瞬时功率频谱特性的双馈风力发电机转子匝间短路的仿真分析文献提出了通过平均瞬时功率频谱特性来诊断转子匝间短路的方法。
技术实现思路
本专利技术是针对双馈异步电机转子匝间短路的诊断方法少，并且难度高的问题，提出了一种海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法，针对双馈风机转子短路的特点，打破了以往的辨识参数受转差率影响较大的特点，引入磁链诊断。通过磁链的计算，将故障特征参数放大。提出了一种新的故障特征量——双侧磁链观测差。首先建立了双馈电机转子绕组匝间短路故障的数学模型，然后根据电机的故障状态推导出了不同工况下的磁链差表达式；最后通过仿真和实验分析，验证了本文提出的双侧磁链观测差能可靠实现双馈电机转子绕组匝间短路早期故障辨识。本专利技术的技术方案为：一种海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法，具体包括如下步骤：1)获取待故障识别的海上双馈电机定子、转子三相电压和三相电流以及转速；2)将转子三相电压和转子三相电流经磁链提取法，计算得到转子绕组匝间短路故障引起双侧磁链观测差有效值Δψ：其中其中△ψs为定子绕组电流侧磁链观测值与电压侧磁链观测值差值，△ψr为转子绕组电流侧磁链观测值与电压侧磁链观测值差值，μ为短路匝数与转子绕组总匝数之比，Lls为定子绕组漏感，Llr为转子绕组漏感，Lms定转子互感值，Iar、Ibr、Icr分别为转子a、b、c相电流，Ias、Ibs、Ics分别为定子A、B、C相电流，θ为定转子夹角，ω为转子电流角速度，A为转子电流幅值，θr为转子电流t＝0时刻相角；3)计算故障相与非故障相Δψ的差以滤除测量误差，得到故障严重程度因子ξ，假定转子a相为故障相，4)判断故障严重程度因子ξ是否到达故障预警值，若是则执行步骤5)，否则返回步骤1)；5)该待故障识别的海上双馈电机发生定子绕组匝间短路故障，进行故障处理。所述步骤2)中磁链提取法具体步骤如下：201)获取待故障识别的海上双馈电机的三相信号，包括定子三相电压、转子三相电压、定子三相电流、转子三相电流和转子转速；202)根据定子、转子三相电流和电机固有参数计算得到电流侧磁链ψ1；其中定子自感阵转子自感阵转子对定子的互感阵203)根据定子、转子三相电压、电流和电机阻抗参数计算得到电压侧磁链ψ2：公式中p为微分符号；204)计算各相磁链观测差值Δψ＝ψ1-ψ2；205)其中202)由于计算复杂，在理论推导时引入转子绕组匝间短路故障工况f，假定转子a相为故障相，故障工况满足双馈电机故障方程：206)针对203)同样引入中间过程转子绕组匝间短路故障工况f，设Iar＝Asin(ωt+θr)(18)则207)通过205)、206)的结果相减即可消去中间过程f，得到所需的各相磁链差：本专利技术的有益效果在于：本专利技术海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法，将转子绕组匝间短路故障引起的电压、电流两侧磁链观测差为故障特征量，该特征量可以精确识别双馈电机转子绕组匝间短路故障，且可以准确定位故障相，在获取特征量时滤除了转速测量误差，从而避免了测量误差对故障辨识的影响，以便及时做出处理，提高双馈电机的使用寿命，避免灾难性故障的发生减少因故障造成的经济损失。附图说明图1为本专利技术双馈电机故障时各相磁链差变化仿真结果图；图2为本专利技术海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法流程图；图3为本专利技术双馈电机故障时各相磁链差变化实验结果图；图4为本专利技术1.43％故障程度下双馈电机各相磁链差仿真结果图；图5为本专利技术3.57％故障程度下双馈电机各相磁链差实验结果图；图6为本专利技术不同短路系数下且滤除测量误差双馈电机故障相磁链差仿真结果图。具体实施方式建立双馈电机的故障模型有很多方法，比如多回路法，有限元法等。但由于其结构复杂不利于在线诊断，故工程上很少应用于在线诊断。现有的双馈异步电机定子a相匝间短路故障在三相静止坐标系(abc坐标系)下的数学模型，该模型可精确识别早期匝间短路故障，但不适用于转子短路工况。因此将现有的定子绕组匝间短路数学模型改进为转子绕组匝间短路模型。假设电机处于磁路、电路对称，气隙分布均匀的理想状态，建立了一个包含转子绕组故障短路回路的数学模型，双馈异步电机转子a相匝间短路示意图如图1所示。如图1所示双馈电机故障时各相磁链差变化仿真结果图，横轴均为时间t/s，纵轴均为磁链差/Wb。左侧从上至下依次为为定子ABC三相磁链差，右侧上至下依次为为转子abc三相磁链差。对于图1的运行工况，双馈电机转子绕组匝间短路数学模型为：公式中p为微分符号；Us＝[UasUbsUcs]T为定子绕组电压矩阵，Uas、Ubs、Ucs分别为定子A、B、C三相电压；Ur＝[UarUar1UbrUcr]T为转子绕组电压矩阵，Uar、Ubr、Ucr分别为转子a、b、c三相电压，Uar1为匝间短路部分绕组的电压；Rs＝Rsdiag[111]为定子绕组电阻矩阵；Rr＝Rrdiag[1-μμ11]为转子绕组电阻矩阵；Rr为转子电阻；Rs为定子电阻；ψs＝[ψasψbsψcs]T为定子绕组磁链矩阵，ψas、ψbs、ψcs分别为定子A、B、C三相磁链；ψr＝[(1-μ)ψarμψarψbrψcr]为转子绕组磁链矩阵，ψar、ψbr、ψcr分别为转子a、b、c三相磁链，μ为短路系数，即短路匝数与转子绕组总匝数之比；Is＝[IasIbsIcs]T为定子绕组电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)获取待故障识别的海上双馈电机定子、转子三相电压和三相电流以及转速；2)将转子三相电压和转子三相电流经磁链提取法，计算得到转子绕组匝间短路故障引起双侧磁链观测差有效值ΔΨ：

【技术特征摘要】
1.一种海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨识方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)获取待故障识别的海上双馈电机定子、转子三相电压和三相电流以及转速；2)将转子三相电压和转子三相电流经磁链提取法，计算得到转子绕组匝间短路故障引起双侧磁链观测差有效值ΔΨ：其中其中△ψs为定子绕组电流侧磁链观测值与电压侧磁链观测值差值，△ψr为转子绕组电流侧磁链观测值与电压侧磁链观测值差值，μ为短路匝数与转子绕组总匝数之比，Lls为定子绕组漏感，Llr为转子绕组漏感，Lms定转子互感值，Iar、Ibr、Icr分别为转子a、b、c相电流，Ias、Ibs、Ics分别为定子A、B、C相电流，θ为定转子夹角，ω为转子电流角速度，A为转子电流幅值，θr为转子电流t＝0时刻相角；3)计算故障相与非故障相Δψ的差以滤除测量误差，得到故障严重程度因子ξ，假定转子a相为故障相，4)判断故障严重程度因子ξ是否到达故障预警值，若是则执行步骤5)，否则返回步骤1)；5)该待故障识别的海上双馈电机发生定子绕组匝间短路故障，进行故障处理。2.根据权利要求1所述海上双馈电机转子绕组匝间短路故障辨...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏书荣，任子旭，符杨，方陈，柳劲松，刘宁，王栋悦，
申请(专利权)人：上海电力学院，国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：上海,31