双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于双馈风力发电机故障的建模和特征提取领域，具体涉及一种双馈风力 发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法。
【背景技术】：
[0002] 双馈风力发电机广泛应用于风电产业中，它是风电机组的重要组成部分。由于其 运行工况复杂，故障时有发生，直接影响电网的安全和效益。据统计，40%的故障与轴承有 关，并有38%和20%的故障与电机的定子和转子有关。因此，若能够建立有效的双馈风力 发电机早期故障的仿真模型，提取能够反映电机早期故障的特征量，则可以及早采取措施 预防事故的发生。
[0003] 为了研宄双馈风力发电机定子绕组匝间短路的故障特征，可以在实验室搭建试验 平台模拟真实的定子绕组匝间短路故障，但是该方法周期长、耗费大，而且易对电机造成永 久性损坏。所以采用仿真方法建立双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障模型可以为其 提供一个更好的解决方法，不仅可以模拟多种故障，而且可以反复实验，花费少、成效高，是 研宄者的首选。目前，基于有限元的定子绕组匝间短路模型多是通过在ANSYS Maxwell 2D 中改变短路线圈匝数（朱喜华，李颖晖，张敬等.基于Ansoft的永磁同步电机早期匝间 短路故障分析[J].大电机技术，2010,（5) :35-39.张敬，李颖晖，朱喜华.基于Maxwell 2D的同步发电机定子绕组匝间短路故障研宄[J].微电机，2010, 43(11) :93-96.)，或者同 时改变定子绕组的匝数和阻抗值大小（马宏忠，张志艳，张志新等.双馈异步发电机定子 匝间短路故障诊断研宄[J].电机与控制学报，2011，15(11) :50-54.张志新，马宏忠，钱 雅云等.基于有限元分析的双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障诊断研宄[J].高压电 器，2012, 48(8).)来模拟电机的故障程度。但是这种仿真方法并不能模拟电机定子绕组匝 间短路的真实情况，因为当定子绕组匝间短路时，在短路匝之间会产生一个新的回路，该 回路电流比相电流大得多。这个很大的回路电流流过线圈，使得线圈温度升高，进而对故障 绕组及其周围绕组的绝缘材料产生不利影响，可能导致更大范围的匝间短路，甚至造成相 间短路或相对地短路故障。因此该回路在仿真模型中不可或缺。
[0004] 通常双馈风力发电机正常运行时电流信号的成分较复杂，定子绕组匝间短路时故 障信号较微弱，干扰信号影响大，仅提取单一的特征无法作为有效判别故障与否，因此需要 提取多种故障特征。
【发明内容】
：
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种双馈风力发电机定子绕 组匝间短路建模及特征提取方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案予以实现：
[0007] 双馈风力发电机定子绕组匝间短路建模及特征提取方法，包括以下步骤：
[0008] 1)根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，建立基于有限元的双馈风力发电 机的正常仿真模型；
[0009] 2)分别在其正常仿真模型和外电路中改变双馈风力发电机定子绕组的连接方式， 对正常仿真模型定子某相某支路进行拆分和短路设置，得到双馈风力发电机定子绕组匝间 短路故障的仿真模型；
[0010] 3)在步骤2)得到的仿真模型中采集定子三相电流，提取定子三相电流的相位差， 总谐波畸变率，以及Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率。
[0011] 本发明进一步的改进在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：
[0012] 根据双馈风力发电机的设计参数和运行参数，在电磁场仿真软件ANSYS Maxwell 中建立双馈风力发电机的正常仿真模型。
[0013] 本发明进一步的改进在于：电机设计参数包括定转子的内外径、轴长、槽数、极数、 槽尺寸、材料、绕组连接方式、节距、并联支路数及导线属性；电机运行参数包括额定输出 功率、额定电压、额定功率因数、额定转速及频率。
[0014] 本发明进一步的改进在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：
[0015] 在正常仿真模型的基础上，对双馈风力发电机定子某相某支路进行拆分，将该支 路某槽中导体一分为二，改变该支路的线圈连接方式，并在外电路中进行设置。
[0016] 本发明进一步的改进在于：正常情况下，该支路所有线圈串联；定子绕组匝间短 路时，通过开关将短路线圈短接，实现了双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障的仿真模 型的建立。
[0017] 本发明进一步的改进在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：
[0018] 31)求解步骤1)和步骤2)建立的仿真模型，采集定子三相电流iA、i B、ic，计算相 位差：
[0019] 对定子三相电流信号分别做傅里叶变换，得到基频处的相位thl、th2和th3,通过 两两做差并取绝对值，得到取绝对值后的相位差*ab、及力CA，其中，i^B= |th2_thl|， itBC= |th3_th2|，^ CA= |th3_thl|，判断 ^ AB、1]^和 it CA是否在 0° ~180°，如果大于 180°，则取其与360°的差的绝对值作为相位差，直到^及均在〇°~180°之 间；
[0020] 32)计算三相电流的总谐波畸变率：
[0021] 根据步骤31)傅里叶变换之后的结果，计算各相电流中不大于阶数H的所有谐波 分量有效值I n与基波分量有效值I i比值的方和根，得到各相总谐波畸变率THD :
[0022]
[0023] 式中，In为电流的第n次谐波的有效值，I:为电流的基波有效值；
[0024] 33)计算定子三相电流的Park矢量轨迹的长半轴长、短半轴长和离心率：
[0025]根据采样得到的定子三相电流iA、iB、ic，计算其Park矢量〗= 其中，
[0026]
[0027] 绘制Park矢量轨迹，并拟合得到椭圆的一般方程：
[0028] Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1 =0
[0029] 式中，椭圆的几何中心为（Xe，Y。），且有：
[0030]
[0031]
[0032] 则椭圆的长半轴长和短半轴长分别为：
[0033]
[0034]
[0035] 那么，椭圆的离心率为：
[0036]
[0037] 本发明进一步的改进在于：阶数H的取值为奇数，且H大于等于9。
[0038] 相对于现有技术，本发明的有益效果体现在：
[0039] 本发明是在对比现有基于有限元仿真双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障仿 真的方法的基础上，通过在双馈风力发电机的几何模型和外电路中改变定子绕组的连接方 式，并且考虑了电机的端部效应，更为真实地模拟了定子绕组匝间短路故障。通过仿真不同 匝数的定子绕组匝间短路，将其仿真结果与正常模型的仿真结果对比，验证了模型的正确 性。
[0040] 本发明通过采集定子三相电流，计算定子三相电流的相位差、总谐波畸变率（THD) 和Park矢量的长半轴长、短半轴长、离心率，将相位差、总谐波畸变率（THD)和Park矢量的 离心率作为故障特征，并不单一采用某个特征参量，这提高了故障诊断的成功率。
【附图说明】：
[0041] 图1为本发明实施方法中双馈风力发电机正常模型建模的流程图。
[0042] 图2为本发明双馈风力发电机建模中正常几何模型图。
[0043] 图3为本发明实施方法中双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障模型建模的流 程图。
[0044] 图4为本发明双馈风力发电机仿真中定子绕组匝间短路故障几何模型图。
[0045] 图5为本发明双馈风力发电机仿真中定子绕组匝间短路故障外电路图。
[0046] 图6为本发明双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障特征提取流程图。
[0047] 图7为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路1~9匝匝间短路时 的定子电流相位差趋势图。
[0048] 图8为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路1~9匝匝间短路时 的定子电流总谐波畸变率趋势图。
[0049] 图9为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路3、6、9匝匝间短路时 的定子电流Park矢量轨迹图，其中，图9(a)为正常时的定子电流Park矢量轨迹图，图9(b) 为3匝匝间短路时的定子电流Park矢量轨迹图，图9(c)为6匝匝间短路时的定子电流Park 矢量轨迹图，图9(d)为9匝匝间短路时的定子电流Park矢量轨迹图。
[0050] 图10为本发明双馈风力发电机正常和定子绕组A相一个支路1~9匝匝间短路 时的定子电流Park矢量离心率趋势