雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子匝間短路建模分析

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)有了巨大進步。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用雙饋電機作為風(fēng)力發(fā)電機。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機本質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)子繞線式異步電機。其轉(zhuǎn)子電流勵磁頻率隨著電機轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化,與傳統(tǒng)的汽輪發(fā)電機和水力發(fā)電機相比，雙饋風(fēng)力發(fā)電機運行工況惡劣。風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中，需要進行低電壓穿越，也對其匝間絕緣有不利影響[1]。因此對雙饋電機的匝間絕緣的研究具有十分重要的意義。因為匝間絕緣破壞導(dǎo)致的匝間短路故障往往會發(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)電機定子匝間短路故障的研究已有很多。文獻[3]指出當(dāng)雙饋電機發(fā)生定子匝間短路故障時，將在雙饋電機轉(zhuǎn)子瞬時平均功率中引起相應(yīng)的特征頻率，可以通過對雙饋電機轉(zhuǎn)子瞬時平均功率進行頻譜分析進行故障判斷識別；文獻[4]提出匝間短路等雙饋電機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定子繞組匝間短路故障進行早期故障辨識；文獻[5]提出基于派克矢量軌跡橢圓度的匝間短路早期識別方法。目前對雙饋電機定子匝間短路故障研究主要集中在故障信號的判斷識別[6-8]。

故障信號的判斷識別的關(guān)鍵是故障機理的研究。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導(dǎo)致定子三相電流不對稱，三相電流不對稱會導(dǎo)致雙饋電機氣隙磁場不對稱，這必然引起電機轉(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。本文建立了電機的有限元仿真模型，從分析雙饋式風(fēng)力發(fā)電機定子匝間短路故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)力發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩中的特征頻率分量出發(fā)，進行雙饋電機的匝間短路故障的仿真分析。

1 雙饋發(fā)電機定子匝間短路分析

1.1 定子匝間短路故障下轉(zhuǎn)子電流分析

電機正常運行時，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，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分量來識別電機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別具有重要意義。

雙饋異步發(fā)電機正常運行時，其基波磁動勢為：

F(α,t)=Fs(α,t)+Fr(α,t)

(3)

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

本文采用仿真時使用電磁場有限元計算軟件Ansoft Maxwell，雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩計算采用虛位移原理。

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能。在整個虛位移過程中，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。有限元計算時通過電機內(nèi)部磁場能量的改變就可以確定電機電磁轉(zhuǎn)矩。

2 電機有限元建模與仿真

2.1 電機有限元建模

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

表1 YR132M-4基本參數(shù)表

依據(jù)YR132M-4機組電機的參數(shù)，建立電機的仿真模型，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)置激勵和進行網(wǎng)格剖分和求解設(shè)置。

搭建的雙饋式感應(yīng)發(fā)電機的有限元模型如圖1。

圖1 電機有限元模型圖

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的定、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)電機的特性，本文共建立2個仿真模型，分別是：

(1) 以定子繞組完全對稱的雙饋式發(fā)電機作為理想模型，簡稱正常電機模型，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)電機作為故障電機模型。用以研究實際模型正常情況下的轉(zhuǎn)子電流和電機的電磁轉(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)置的電機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。轉(zhuǎn)差率為0.2，其轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率為10 Hz。采集電機進入穩(wěn)態(tài)后的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩進行頻譜分析。

3.1 電機轉(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 正常電機模型轉(zhuǎn)子電流圖

由仿真結(jié)果可得，正常電機轉(zhuǎn)子電流中幾乎不存在諧波分量。當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機存在定子匝間短路故障時，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 故障電機模型轉(zhuǎn)子電流圖

3.2 電機電磁轉(zhuǎn)矩分析

采集正常電機和故障電機穩(wěn)態(tài)后的電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進行頻譜分析(見圖7～8)。

圖7 正常電機模型電磁轉(zhuǎn)矩圖

圖8 故障電機模型電磁轉(zhuǎn)矩圖

從仿真結(jié)果可得，電機定子正常時，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩中幾乎不存在100 Hz諧波。而雙饋電機存在定子匝間短路時的電磁轉(zhuǎn)矩中含有較明顯的100 Hz分量，這與理論分析一致。此外，與正常運行時相比，定子匝間短路故障下，電機電磁轉(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)矩中的特征信號進行了分析。并利用Ansoft Maxwell軟件搭建了雙饋式感應(yīng)發(fā)電機的有限元模型進行仿真分析。

(1) 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機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，會同時在轉(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，可以同時監(jiān)測雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩中的特征信號來進行定子匝間短路故障診斷。