風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障相診斷方法*

□ 王馥華 □ 姚 凱 □ 陸 軼

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200072

在風(fēng)電場(chǎng)中,雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障。因此,盡早對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障判斷,確定發(fā)生故障的相,這特別重要。通過(guò)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速找到轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的發(fā)生相,可以節(jié)省時(shí)間和維護(hù)成本,并且可以快速而準(zhǔn)確地確認(rèn)故障位置。

1 傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,輸入層為第一層,隱藏層為第二層,承接層為第三層,輸出層為第四層。

▲圖1 傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

對(duì)于傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),假設(shè)第一層節(jié)點(diǎn)i與第二層節(jié)點(diǎn)j通過(guò)可變因數(shù)W1進(jìn)行信息傳遞,第二層節(jié)點(diǎn)i與第三層節(jié)點(diǎn)j通過(guò)可變因數(shù)W2進(jìn)行關(guān)聯(lián),第四層節(jié)點(diǎn)i與第二層節(jié)點(diǎn)j通過(guò)可變因數(shù)W3進(jìn)行信息傳遞。

2 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,添加一個(gè)新的權(quán)值W4,位于第四層節(jié)點(diǎn)和第三層節(jié)點(diǎn)的中間。f(x)是Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第二層節(jié)點(diǎn)函數(shù)Sigmoid函數(shù):

f(x)=1/(1+e-αx)

(1)

對(duì)傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn),結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

▲圖2 改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理

改進(jìn)后,隱藏層利用z(-1)連接到輸出層?？紤]到承接層在第k+1步反饋的誤差,必須延遲一步才能用于第k步權(quán)值的修正。改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)方程為:

X(k+1)=W3f[X(k)]+W1U(k+1)

(2)

Y(k+1)=W4X(k)+W2X(k+1)

(3)

式中:U(k)為輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出;X(k)為承接層節(jié)點(diǎn)的輸出;Y(k)為輸出層節(jié)點(diǎn)的輸出。

由改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)方程可知,添加新權(quán)值W4,可以使Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能和收斂能力更強(qiáng)。

3 試驗(yàn)樣本獲取

試驗(yàn)中,以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組三相電流的諧波幅值及轉(zhuǎn)子繞組三相電壓的幅值作為故障特征量,通過(guò)ANSYS軟件仿真雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障,得到樣本數(shù)據(jù)。

單相匝間短路時(shí)故障樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組兩相正常,另一相發(fā)生三種不同程度匝間短路故障時(shí),獲得故障樣本數(shù)據(jù)。IA、IB、IC為定子繞組諧波幅值為(1-2s)f的三相電流,U、V、W為轉(zhuǎn)子繞組三相電壓的幅值,s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率,f為電源頻率。

表1 U相匝間短路時(shí)故障樣本數(shù)據(jù)

表2 V相匝間短路時(shí)故障樣本數(shù)據(jù)

表3 W相匝間短路時(shí)故障樣本數(shù)據(jù)

正常情況下,IA為4.06 A,IB為4.06 A,IC為8.12 A,U為394.65 V,V為394.65 V,W為394.65 V。由表1～表3可知,當(dāng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組單相發(fā)生匝間短路故障時(shí),定子繞組三相電流和轉(zhuǎn)子繞組三相電壓的幅值這六個(gè)故障特征量有不同的取值。這些數(shù)據(jù)可以為Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練提供樣本。

4 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由表1～表3可知,雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組單相匝間短路故障的特征量有六個(gè),所以筆者將Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量設(shè)定為6,主要檢測(cè)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的發(fā)生相。由此,Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出由四個(gè)輸出單元組成,具體見(jiàn)表4。

表4 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出單元

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第一層與第三層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量已經(jīng)確定,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量滿(mǎn)足:

(4)

式中:L為隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量;M為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)量;N為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)量;a為1～10之間的調(diào)節(jié)常數(shù)。

將數(shù)據(jù)代入式(4),可以得到隱藏層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為4～13之間的常數(shù)。改變隱藏層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的誤差達(dá)到0.01時(shí)所需的訓(xùn)練次數(shù)隨隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化而變化,見(jiàn)表5。

表5 訓(xùn)練精度達(dá)到0.01時(shí)所需訓(xùn)練次數(shù)

由表5可知,當(dāng)隱藏層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量選定為13時(shí),Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間最短。

5 對(duì)比仿真

在保證隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為13的情況下,用同樣的樣本對(duì)改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。從仿真試驗(yàn)中獲取故障數(shù)據(jù),見(jiàn)表6。

表6 仿真試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)

用傳統(tǒng)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)表6數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,得到仿真結(jié)果為:

用改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)表6數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,得到仿真結(jié)果為:

根據(jù)歐式范數(shù)理論,Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各相短路測(cè)試誤差見(jiàn)表7。

表7 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)短路測(cè)試誤差

6 結(jié)束語(yǔ)

由表7可知,利用改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的診斷,并且準(zhǔn)確度較高,為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路故障相的診斷提供了一種方法。