双馈风力发电机绕组匝间短路故障诊断综述

张立鹏，李忠徽

(1.国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北 廊坊 065000；2.华北电力大学，河北 保定 071003)

2017-06-07

张立鹏(1988-)，男，助理工程师，主要从事分布式并网、有序用电业务工作。

双馈风力发电机绕组匝间短路故障诊断综述

张立鹏1，李忠徽2

(1.国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北 廊坊 065000；2.华北电力大学，河北 保定 071003)

在风电市场上双馈风力发电机(DFIG)凭借其卓越的性能，被广泛投入使用。综述了双馈风力发电机常见的一些故障类型，以及定、转子发生匝间短路的故障机理。同时针对这两种故障展开分析研究，并提出了一系列相应的故障诊断方法。最后对其绕组故障诊断的发展趋势做了简单阐述。

双馈异步电机；绕组匝间短路；故障诊断

面对愈加严重的能源安全和环境恶化问题，大力发展风电已成为我国可持续发展战略的重要决策。随着风电技术和装备水平的快速发展，风电已经成为目前技术最为成熟，最具有规模化开发条件和商业化发展前景的新能源。如今清洁能源受到广泛青睐，风能作为其中的一种受到了各国的大力开发和利用。双馈异步风力发电机凭借其优越的性能和卓越的条件在风电市场上占据着重要的地位。但是双馈风机的工作环境又因一直处于野外，高温，沙尘等环境下，导致其极易发生故障。因此及时的发现并对故障做出诊断,对双馈风机的稳定运行以及整个国网大系统的安全有着重要的意义。

1 故障类型

常见的双馈异步风力发电机故障类型，一般可分为定、转子故障，轴承故障以及气隙偏心故障等。在众多故障当中以定、转子故障最为常见，二者的故障率加起来高达48%，近乎占所有电机故障的一半。对于定、转子故障而言，最常见的就是绕组短路故障。在绕组匝间短路故障的早期，如果不能发现故障的存在并及时的做出诊断，那么故障将有可能会进一步的升级转变为相间短路，将会给风机甚至整个电网造成难以估量的损失，因此研究其绕组匝间短路故障具有良好的社会经济价值。

2 故障分析

双馈异步电机处于正常运行状态的时候，于定子端的定子电流是对称的，相应的此时定、转子电流频率为f和sf。然而在绕组发生匝间短路故障后，对称就将不复存在。在定子端发生匝间短路故障后，定子电流中将会产生一个反向旋转的磁场，使得转子电流中产生了(2-s)f故障谐波分量。最终会分别在定子、转子端产生一系列的谐波分量，即定子端为±kf，转子端为(2k±s)kf。当转子侧发生匝间短路故障时，转子绕组的不对称会产生一个正序的旋转磁场和一个负序的旋转磁场，这两个反向的旋转磁场同时交链定转子绕组，将会在两者的电压电流中产生一系列的谐波分量。转子侧将会出现一系列奇数次谐波±ksf,k=1,3,5,…，定子侧将会产生(1±2ks)f谐波。这些谐波也可以作为故障诊断的依据。

3 故障诊断方法

定、转子的诊断方法目前有很多种，主要有解析计算法、数字仿真法以及实验研究法。其中的数字仿真法又包含场路耦合法、坐标变化法和多回路法等一系列方法。

3.1 定子匝间短路

3.1.1 数学模型法

通过建立双馈电机的数学模型，结合理论知识，根据模型参数的变化来寻找故障特征。文献[1]根据多回路理论知识，建立了双馈异步电机的多回路模型，电机定子侧绕组为三角形链接，转子侧为星形链接，具体如图1所示。

(a) 定子连接方式

(b) 转子连接方式 图1 DFIG三相绕组连接示意

利用模型分析故障后的电磁特性变化规律并对定、转子电流侧进行频谱分析，通过特定的频谱信号来检测电机并作出故障诊断。文献[2]在多回路理论的基础上利用MATLAB中的S函数建立了双馈电机的的数学模型，并在考虑变流器控制策略同时，对双馈电机定子匝间短路故障进行分析。然而利用模型进行故障诊断，它的准确性将完全取决于该模型是否能够准确的建立。

3.1.2 信息融合法

利用单一的故障特征信息并不能完整的反映电机的真实情况，不确定性高，使得最后得出的结果可信度不高。所以提出利用信息融合的方法，综合利用多种故障信息以提高故障诊断的精度，降低其不确定性。文献[3]中利用D-S证据合成理论，将多种特征信息特征给予加权处理，如时域特征、频域特征、轴心轨迹不变距特征，求得各证据体下的加权概率分配，然后进行融合处理，会发现融合以后的诊断结果会大大降低诊断的不确定性，使得诊断准确性得到进一步的提高。文献[4]中采用多源信息融合的方法，将电机的定子电压以及电流的负序分量进行融合，形成李萨茹图形。通过观察图形的变化，将图形的倾角θ作为故障特诊量来进行诊断，使其更具有鲁棒性。

3.1.3 负序电流

当双馈异步电机发生定子匝间短路后，电机三相绕组不在对称，此时的定子电流中将会出现负序电流。并且随着短路匝数的增加，其负序分量的值也相应变大。文献[5]利用有限元搭建了双馈异步电机的匝间短路模型，并通过设置其短路电阻的大小和短路匝数的多少来完成短路故障的研究，同时以定子电流负序分量为故障特征完成诊断研究。此方法受负载变化以及电机自身结构的影响较大。

3.1.4 转子瞬时功率谱法

文献[6]利用PSCAD软件进行仿真，针对双馈电机定子匝间短路提出一种基于转子端瞬时功率谱的方法，并以2f(f为基频)为特征频率。该方法与常规的那些电流，电压故障特征量相比，其可不受转差率的影响并且具有较强的抗干扰能力。

3.1.5人工智能诊断

利用人工智能方法进行诊断，就是在统计学的基础上，利用大量的历史数据来训练和学习。常用的有遗传算法、神经网络、支持向量机等方法。人工智能算法具有强大的包容性，能够融合多个故障特诊信息。但同时它的缺陷也非常明显，即受到历史样本数据的选择，具有一定的局限性。

3.2 转子匝间短路

3.2.1 PARK矢量法及扩展PARK变换法

利用坐标变换的思想，将转子电流从三相坐标系下转换到αβ坐标系下，即：

3.2.2 数学模型法

文献[7]以多回路理论为基础，利用MATLAB中S函数对双馈异步电机转子匝间短路进行仿真。通过对定子侧电流进行傅里叶分析，得出故障特征信息。文献[8]在分析定子侧电流变化的同时也考虑了绕组结构对于谐波成分的影响。同定子匝间短路一样，数学模型法准确性取决于模型是否能够正确的搭建。

3.2.3 失电残压法

在双馈异步电机突然断电后，转子中的感生电流会在定子端产生一个感应电压，即为定子端失电残压。文献[9]中通过对失电残压中的谐波成分进行分析，会发现谐波的主要成分为：

I=6m±1 (m=0,1,2，…)

通过比对正常状态和绕组故障后的情况，会发现在故障后5次，7次，13次等谐波会发生明显变化，并以此作为故障特征量。用此方法进行诊断，可以避免电源不平衡，电机负载波动的影响，但是此方法是利用断电后电压进行，不可实现在线诊断，同时失电后信号衰减的非常快，不易采取。

3.2.4 探测线圈法

文献[10-11]利用Ansoft软件对双馈异步电机进行仿真，并从磁特性的角度展开研究。利用探测线圈和光电装置，通过正常情况和转子匝间短路故障下采集信号所存在的差值，可以实现故障所在位置的准确定位。

4 实例分析

2013年，首都迁钢公司在生产过程中2号开卷机主电机定子绕阻内部内部突然温度急剧变化，其最高温将近90 ℃，电机容量200 kW，F级绝缘等级，转速也变为988 r/min。通过采集关于电机的电流、电压、电阻、电流倍频等一系列电气参数，以及对电机断电后的电压频谱进行分析，从而实现电机的诊断研究。通过综合分析，电机内部温度发生显著变化，而且电机的定子端电流发生变化，其定子电流中的负序电流含量明显增大。还有对电机的电气端电机前轴水平方向振动速度频谱中，2倍频有故障频率，在电机断电之后，2倍频消失，从而断定电机定子端发生匝间短路故障。但是在断电后对定子端感应电压进行分析，发现其电压内的5次、7次等故障谐波量并未明显变换，所以电机转子侧正常。

5 结论

近些年双馈异步电机绕组故障诊断方法已取得很大的发展，但是大多研究都是基于仿真或者实验模拟来完成故障诊断，不能考虑实际运行过程中的环境和其他相关因素的影响。利用模型的方法进行分析诊断理论上是可行的，但是考虑到实际工作环境的各种因素，以及每个电机的不同结构，要想准确的建立模型非常困难，所以利用模型来进行诊断得到的结果就有可能存在误差，甚至是误判。利用人工智能算法进行诊断，局限于历史数据的选取。利用电机的电压，电流等信号进行分析，由于采用的是非侵入式，操作比较简单方便，能够实现对电机的在线监测诊断，但是以电压，电流信号为故障信息进行处理，容易受到各种因素的干扰，例如负载变化，电机结构不对称，电源电压不平衡等。这些都有可能使得最终的诊断结果不准确，从而导致误判。

双馈风力发电机绕组匝间短路的研究方向，应该从现有的诊断方法基础上深入考虑变流器本身以及其控制策略对整个双馈异步风机的影响，进一步检验所提出的诊断方法在实际生产过程中的有效性。

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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

本文责任编辑：王丽斌