多功能雙饋發電機故障模擬試驗臺的研制

韓 斌，趙 勇，房剛利，鄧 巍

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多功能雙饋發電機故障模擬試驗臺的研制

韓 斌，趙 勇，房剛利，鄧 巍

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

根據兆瓦級雙饋發電機的結構特點及工作原理，本文研制了雙饋發電機故障模擬試驗平臺，該試驗平臺首次實現了可進行多項非破壞性電氣試驗，可模擬雙饋發電機定轉子匝間短路、相間短路、相對地短路、三相不平衡以及轉子勵磁電流不穩定等故障。所研制的試驗平臺可為研究雙饋發電機故障診斷算法等提供真實有效的故障數據。

雙饋發電機；試驗臺；故障模擬；故障診斷

0 前言

雙饋發電機是雙饋型風力發電機組的關鍵部件之一，其可靠性和穩定性會直接影響到風力發電機組的運行。雙饋發電機各類短路、絕緣損壞等故障由于其具有發展速度快、故障信號難以捕捉等特點，給發電機的檢修。故障監測及故障診斷等工作帶來了很大的難度，對雙饋發電機進行故障機理及故障診斷技術研究過程中，有必要研制雙饋發電機故障模擬試驗臺，以便提供現場難以捕捉到的各類短路故障信號，這在驗證各故障診斷算法及仿真結果的過程中發揮著關鍵作用[1-6]。

英國杜倫大學的P. J. Tavner和楊文獻[7]等人搭建的試驗平臺可模擬發電機定子繞組短路故障、發電機轉子不平衡故障、傳動系機械故障等。通過連接外部電阻箱該平臺也能模擬轉子三相不平衡故障。意大利博洛尼亞大學的D. Casadei和法國亞眠大學的A. Yazidi等人[8]搭建的風力發電機試驗臺通過在定子或轉子某相串聯一個與該相阻值相等的電阻完成發電機定子、轉子三相不平衡故障的模擬。英國拉夫堡大學和杜倫大學的Simon Jonathan Watson, Beth J. Xiang等人[9]建立的試驗平臺主要用于研究雙饋風力發電機的監測與診斷系統。羅馬尼亞蒂米什瓦拉工業大學的Lucian MihetPopa[10]等人搭建的試驗平臺可模擬的故障主要包括定子繞組匝間短路故障、定子不平衡和轉子不平衡故障。上海電力學院的魏書榮、符楊和河海大學的馬宏忠[2]通過在轉子某相串聯一個電阻完成發電機轉子三相不平衡故障的模擬。華中科技大學、浙江大學等在雙饋風力發電機的系統建模及平臺搭建等領域也做了很多工作，但主要偏重控制策略和方法的實現，以及電網故障的研究[11-15]。

在模擬發電機各短路故障、三相不平衡故障時，上述已有平臺都是在發電機制造過程中通過在相應線圈上串聯電阻、直接短路的方式來實現的，即平臺所采用的發電機本身就是帶缺陷的發電機，平臺無法獲得發電機正常狀態信號。綜上所述目前已有的各發電機故障模擬試驗平臺均未實現可反復進行非破壞性試驗的功能，所采用的發電機的結構跟實際雙饋發電機結構相差較大，且同一個試驗平臺可模擬的故障類型較少。

本文根據兆瓦級雙饋風力發電機的結構特點及工作原理，研制了雙饋發電機故障模擬試驗平臺，以便獲取雙饋發電機真實的電氣故障數據。所研制的試驗平臺可模擬多項雙饋發電機電氣故障類型，通過在發電機加工過程中從發電機定/轉子線圈不同位置處引出導線，并將導線連接到短路柜中的可編程控制器，通過可編程控制器接合與斷開試驗平臺實現了進行多項非破壞性試驗的功能，即不同可編程控制器接合時模擬發電機不同故障，可編程控制器斷開時發電機恢復正常運行。試驗平臺的各項功能最后通過試驗進行了驗證。

1 需求分析

為模擬雙饋發電機定轉子各類短路故障、轉子勵磁電流不平衡以及定、轉子的三相不平衡故障，本文研制的試驗平臺需模擬的故障類型及故障位置信息見表1。當發電機定、轉子某一相線圈發生匝間短路時必將造成定、轉子的三相不平衡，通過模擬發電機定、轉子某一相短路故障，可同時模擬定、轉子三相不平衡故障。

表1 試驗平臺可模擬的故障類型及故障位置信息

對于匝間短路故障，該試驗平臺可實現對定子鐵心槽內線圈A相2匝、4匝、6匝、8匝之間、B相6匝之間、C相6匝之間短路故障的模擬，A相位于鐵心端部線圈的5匝、10匝、15匝之間短路故障的模擬；轉子位于鐵心槽內線圈A相2、4匝之間、B相4匝之間、C相4匝之間短路故障的模擬，轉子A相位于鐵心端線圈的3匝、5匝、10匝之間短路故障的模擬。

2 總體設計

本文研制的雙饋發電機故障模擬試驗平臺采用傳統的“對拖”模式，即通過一臺電動機帶動雙饋發電機運行。試驗平臺主要由電動機變頻器、電動機、雙饋發電機、雙饋變流器及相關的控制、監測系統、短路柜、勵磁電流不平衡裝置、控制臺等構成，監測系統中的信號采集裝置包括振動信號采集裝置和雙饋發電機定子三相電流、轉子三相電流、定子電壓信號采集裝置。試驗平臺所用雙饋發電機相關參數見表2，平臺整體構成框圖如圖1所示。

表2 試驗平臺用雙饋發電機主要技術參數

圖1 試驗平臺組成框圖

雙饋發電機產生的電能直接輸送到電網，試驗平臺單位時間內從電網吸收的功率可按公式（1）進行估算。

=1+2+3+4+0（1）

式中：單位時間內試驗平臺從電網吸收的功率；

1單位時間內電動機變頻器自身消耗的功率；

2單位時間內電動機消耗的功率（包括輸出功率和熱能等）；

3單位時間內雙饋發電機輸出功率；

4單位時間內變流器消耗功率（包括發電機無功功率）；

0其它機械損失功率。

3 故障模擬方案

3.1 轉子各類短路故障

為模擬轉子各類短路故障，本文在發電機轉子下線前從轉子繞組預定位置引出14條導線，不同導線之間連接可實現表1所列的各類轉子短路故障。具體引線方式如圖2所示，首先將引線焊接到各線圈預定位置，然后使用絕緣紙將焊接點包好并加套絲管。

圖2 引線方式

從轉子引出的14根導線被連接到位于轉子平衡盤的絕緣螺栓上，如圖3所示。同時在轉子非驅動端安裝6路滑環，通過滑環將連接在平衡盤絕緣螺栓上的引出線引出到發電機外部。連接通過6路滑環導出的不同引出線可實現轉子線圈匝間短路、相間短路、相對地短路故障的模擬。通過變換不同的固定在平衡盤上的引出線與滑環連接來實現轉子不同故障位置、不同故障類型的模擬。

圖3 轉子平衡盤上的絕緣螺栓及引線

通過滑環導出的引出線與短路柜內6個可編程控制器連接，轉子各類短路故障通過控制可編程控制器的接合與斷開加以實現。

3.2 定子各類短路故障

類似轉子故障模擬方案，為模擬定子各類短路故障，本文在發電機定子下線前從定子繞組預定位置引出16條導線，不同導線之間連接可實現表1所列的各類定子短路故障。引線過程中同樣先將引線焊接到各線圈預定位置，然后用絕緣紙包好并套絲管加以保護。從定子引出的導線可直接連接到短路柜內其余6個可編程控制器上，通過控制可編程控制器的接合與斷開來實現定子各類短路故障的模擬。

3.3 轉子勵磁電流不平衡

為模擬因碳刷故障等原因造成的發電機轉子勵磁電流不平衡故障，本文通過在A相、C相轉子勵磁輸入線處加裝可調電阻、可編程控制器的方式加以實現。如圖4所示，發電機正常勵磁狀態下KM1、KM4處于斷開狀態，KM2、KM3、KM5處于閉合狀態。進行故障模擬試驗時，根據模擬故障類型的需要，通過調節滑動變阻器R1、R2和控制KM2、KM5斷開、KM1、KM3、KM4的閉合來實現轉子勵磁電流不平衡故障的模擬，試驗平臺可模擬的轉子勵磁電流不平衡相間的組合見表3。

圖4 轉子勵磁電流不平衡模擬裝置構成

表3 轉子勵磁電流不平衡相間組合

注：“×”表示勵磁電流與其它相相同，“√”表示勵磁電流與其它相不同。

3.4 保護措施

試驗過程中為有效保護發電機不被過高短路電流損壞，試驗平臺采用雙層防護措施：變流器保護、斷路器保護。通過合理設定變流器各項閾值參數，確保發電機定、轉子在出現高于發電機絕緣層能承受的最大電流值和出現嚴重的三相不平衡時變流器能斷開發電機轉子的勵磁。在線圈引出的短路線處加斷路器，當短路電流值超出發電機絕緣層能承受的最大電流值時斷路器斷開。

4 故障模擬效果

本文對表1所列的各類故障模型進行了試驗，通過試驗驗證了所研制的試驗平臺的各項功能。圖5~圖9分別以定子A相匝間短路、定子BC相相間短路、轉子B相匝間短路、轉子BC相相間短路、轉子B相對地短路為例展示了部分試驗結果，并對試驗結果進行了分析。試驗時雙饋發電機轉速為1800r/min，輸出功率80kW。

雙饋發電機定子某相發生匝間短路故障時，定子對應相有效線圈數減少，產生的感應電流相應減少。由于本文采用的雙饋發電機定子各相為“Δ”型接法，當發電機某相發生匝間短路故障時，跟短路點接近發電機的兩相感應電流值均會發生變化，如圖5所示A相線圈發生匝間短路時，雙饋發電機A相、B相感應電流均減小，其變化量見表4。由于雙饋發電機轉子勵磁電流由變流器輸入，當發電機定子某相發生匝間短路故障時，轉子三相電流值均不會發生變化。

雙饋發電機定子發生相間短路故障時，定子對應兩相有效線圈數減少，產生的感應電流相應減少，如圖6中雙饋發電機定子B相、C相感應電流均減小，其變化量見表4。當發電機定子發生相間短路故障時，轉子三相電流值同樣不會發生變化。

圖5 定子A相匝間（4匝）短路故障（“?”短路開始點）

表4 不同故障類型對應的定、轉子三相電流幅值變化

雙饋發電機轉子某相發生匝間短路故障時，該極磁動勢將發生變化，氣隙磁密分布不再對稱，不對稱的磁密分布將在定子繞組內感應附加諧波電動勢，形成附加的諧波電流，定子三相感應電流出現明顯的周期性沖擊信號，如圖7所示，各項電流變化量見表5。

圖6 定子BC相間短路故障（“?”短路開始點）

圖7 轉子B相匝間短路故障（“?”短路開始點）

表5 不同故障類型對應的定、轉子三相電流幅值變化

雙饋發電機轉子某兩相發生相間短路故障時，轉子對應兩項相勵磁電流產生較多諧波及沖擊，極磁動勢將發生變化，氣隙磁密分布不再對稱，不對稱的磁密分布同樣在定子繞組內感應附加諧波電動勢，形成附加的諧波電流，定子三相感應電流同樣出現明顯的周期性沖擊信號，如圖8所示，各項電流變化量見表5。

圖8 轉子BC相間短路故障（“?”短路開始點）

雙饋發電機轉子發生對地短路故障時，轉子故障相B相因短路電流過大，使得轉子出現嚴重三相平衡故障，為有效保護雙饋發電機安全，預先設定的變流器保護功能啟動，瞬間自動斷開對發電機轉子的勵磁，如圖9所示。

圖9 轉子B相對地短路故障（“?”短路開始點）

5 結論

通過本文研究得出如下結論：

（1）利用本文提出的雙饋發電機故障模擬方案，試驗平臺實現了各項故障模擬功能，故障模擬方案可行性較強。

（2）試驗平臺首次實現了可進行多項非破壞性試驗的功能。

（3）試驗驗證表明，試驗平臺各項故障模擬效果明顯。

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Development of Multi-functional Fault Simulation Test Bed of Doubly-fed Induction Generator

HAN Bin, ZHAO Yong, FANG Gangli, DENG Wei

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

According to the structural characteristics and workingprinciple of doubly-fed induction generator of MW class, this paper developed a fault simulation test bed of doubly-fed induction generator, a variety of non-destructive testing could be performed through the test bed.The test bed can simulate the faults of inter-turn short circuit, short circuit between phases, phase to ground of stator and rotor, three-phase unbalance of doubly-fed induction generator and unstable excitingcurrent of rotor. The test bed could provide real and effective failure data for the study of fault diagnosis algorithm of doubly-fed induction generator.

doubly-fed generator; test bed; fault simulation; fault diagnosis

TM306

A

1000-3983(2017)05-0022-05

中國華能集團科技項目(HNKJ16-H22)

2016-07-30

韓斌（1981-），2009年畢業于西北工業大學航空宇航推進理論與工程專業，獲碩士學位，現主要從事風力發電機組狀態監測與智能診斷系統的研制與開發、風力發電機組故障診斷與狀態評估、風機部件最優維護策略研究、風機塔筒、葉片無損檢測技術研究等工作，工程師。