基于變流器網(wǎng)側(cè)電流的雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障診斷

朱 玲，王建鋒，時維俊

（江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇泰州225300）

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故障分析

基于變流器網(wǎng)側(cè)電流的雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障診斷

朱 玲，王建鋒，時維俊

（江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇泰州225300）

摘要：雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)并診斷轉(zhuǎn)子繞組故障，有效地降低風(fēng)電場的運行和維護費用。首先根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)子繞組故障模擬方法在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件（PSCAD）環(huán)境中建立轉(zhuǎn)子繞組的故障模型，通過仿真分析出變流器網(wǎng)側(cè)電流的故障特征頻率；然后搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機的故障實驗平臺，并對不同運行狀態(tài)和不同故障程度下的錄波數(shù)據(jù)進行頻譜分析，由此驗證轉(zhuǎn)子繞組故障時變流器網(wǎng)側(cè)電流的特征頻率，且當故障嚴重程度加劇時，故障特征頻率的幅值會增大。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機；轉(zhuǎn)子繞組故障；變流器網(wǎng)側(cè)電流；實驗平臺

近年來隨著風(fēng)電機組裝機容量的逐漸增大，以及海上風(fēng)電的發(fā)展，對風(fēng)力發(fā)電機組進行預(yù)防性的維護變得非常重要。這不僅保證了風(fēng)電機組運行可靠性，而且也有效降低了運行和維護費用，其中海上風(fēng)電場中的運行和維護費用約占總能源投資成本的30%。雙饋風(fēng)電機組是目前應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的一種主流機型，轉(zhuǎn)子繞組通過電刷和滑環(huán)由三相變頻雙向背靠背變流器接到電網(wǎng)進行勵磁。發(fā)電機本身的故障和背靠背變流器故障都可能造成電機不能正常運轉(zhuǎn)。對這條支路上設(shè)備狀態(tài)檢測和診斷的最好方案是通過對變流器網(wǎng)側(cè)電流的檢測來實施對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測［ 1 ］。雙饋風(fēng)力發(fā)電機組10%的故障是由轉(zhuǎn)子繞組引起的，當發(fā)生早期的不平衡故障時，機組仍可繼續(xù)運行，但若不能及時檢測而導(dǎo)致故障嚴重程度加劇時，將會使轉(zhuǎn)子電流顯著增大，轉(zhuǎn)子繞組溫度升高，還會引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速、有功功率等產(chǎn)生振蕩，甚至被迫停機。因此，利用變流器網(wǎng)側(cè)電流診斷轉(zhuǎn)子繞組故障，可以更加全面地反映系統(tǒng)的故障信息。

目前國內(nèi)外針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障診斷的研究比較少，還處于起步階段。文獻［2-4］都是針對異步電機轉(zhuǎn)子繞組早期故障進行研究，再根據(jù)合適的特征方法和特征信號診斷出故障；文獻［5］提出采用轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓信號來診斷轉(zhuǎn)子繞組的不平衡故障。文獻［6］進一步分析了轉(zhuǎn)子變換器不同的控制策略與選取故障特征信號的關(guān)系。考慮到背靠背變流器的故障率比較高，以及網(wǎng)側(cè)電流在實際工程中更易于提取，故文中采用網(wǎng)側(cè)電流作為轉(zhuǎn)子繞組故障分析的特征信號，同時它還能反映出變流器的故障信息。利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件（PSCAD）建立轉(zhuǎn)子繞組的故障模型，通過仿真分析出變流器網(wǎng)側(cè)電流的特征頻率；搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機的故障實驗平臺，對錄波數(shù)據(jù)進行頻譜分析驗證網(wǎng)側(cè)電流的故障特征頻率，從而診斷出轉(zhuǎn)子繞組早期的不平衡故障。

1　雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障模型

1.1DFIG的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)發(fā)電機為三相對稱的理想電機，按照電動機正方向的規(guī)定，不計零軸分量，在d，q軸坐標系下，建立雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型［ 7 ］，電壓方程：

磁鏈方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

轉(zhuǎn)子運動方程：

式中：u，i，Ψ分別為電壓、電流、磁鏈；np為電機極對數(shù)；Rs，Rr分別為定子、轉(zhuǎn)子電阻；ω2=ω1-ωr為轉(zhuǎn)差電角速度，ω1為d，q軸坐標系相對于定子的電角速度，ωr為轉(zhuǎn)子的電角速度；Lss=Ls+Lm，Lrr=Lr+Lm，Ls，Lr分別為定子、轉(zhuǎn)子漏感，Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Te，Tm分別為電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；p為微分算子。

1.2轉(zhuǎn)子變換器的矢量控制

轉(zhuǎn)子變換器的控制目標是實現(xiàn)雙饋感應(yīng)電機定子側(cè)有功功率和無功功率的解耦控制，文中選用定子磁鏈定向，取定子磁鏈方向與d軸重合，則：

將式（7）代入式（4）中，有：

忽略發(fā)電機的定子電阻及暫態(tài)過程，并將磁鏈方程代入電機的定子電壓方程有：

將式（8）、（9）代入式（10）中，即有：

由式（11）可知，定子有功功率和無功功率分別與轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量irq和勵磁分量ird成線性關(guān)系，通過獨立調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量、勵磁分量，即可對發(fā)電機輸出功率進行解耦控制。

1.3網(wǎng)側(cè)變換器的矢量控制

網(wǎng)側(cè)變換器的控制采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，該方案用于電網(wǎng)與電網(wǎng)側(cè)變流器之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的解耦控制。網(wǎng)側(cè)變換器必須將直流側(cè)電容電壓維持在設(shè)定值，并且還要保證變換器運行在單位功率因數(shù)上［ 8，9 ］。

圖1所示為網(wǎng)側(cè)變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，R和L分別為網(wǎng)側(cè)變流器串聯(lián)的電阻和電感。

圖1　網(wǎng)側(cè)變流器拓撲結(jié)構(gòu)

由圖1得電感兩側(cè)的電壓方程如下：

式中：ua，ub，uc和uga，ugb，ugc分別表示電網(wǎng)三相電源電壓和網(wǎng)側(cè)變換器三相電壓；iga，igb，igc表示網(wǎng)側(cè)變換器三相電流；id和iL分別表示網(wǎng)側(cè)變換器、轉(zhuǎn)子變換器的直流電流；C為直流母線電容；udc為電容電壓。

在同步旋轉(zhuǎn)d，q軸坐標下，電感兩側(cè)的電壓方程轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

當坐標變換矩陣為等幅值變換矩陣時，網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)吸收的有功功率和無功功率分別為：

采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制時，參考坐標系d軸和電網(wǎng)電壓矢量一致，q軸沿電壓矢量旋轉(zhuǎn)方向超前d 軸90°，即：

把式（14）代入（15）中，有：

由式（16）可知，在電網(wǎng)電壓為恒定值時，網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)交換的有功功率與網(wǎng)側(cè)交流電流直軸分量成比例，網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)交換的無功功率與網(wǎng)側(cè)交流電流交軸分量成比例。因此根據(jù)電網(wǎng)電壓矢量定向控制策略可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)交換有功功率和無功功率的解耦控制。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組嚴重的瞬變電氣故障，包括繞組相間金屬性短路、繞組單相金屬性短路接地等，這些故障會引起繼電保護裝置動作，從而迅速切除故障。文中主要針對轉(zhuǎn)子繞組早期緩變的輕微電氣故障，通常包括轉(zhuǎn)子繞組不平衡、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路等，這些故障都會引起氣隙磁場的畸變，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子阻抗的三相不平衡。通過在轉(zhuǎn)子a相串接電阻Ra來實現(xiàn)不平衡，該方法簡單易行，不需要進行破壞性實驗，是模擬轉(zhuǎn)子繞組故障的常用方法［ 5，10 ］。

2　基于網(wǎng)側(cè)電流的轉(zhuǎn)子繞組故障仿真分析

結(jié)合模擬轉(zhuǎn)子繞組故障的方法，在PSCAD的仿真環(huán)境中建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機的故障模型。其中雙饋發(fā)電機參數(shù)如下：額定容量2 MV·A；額定線電壓0.69 kV；基頻50 Hz；定轉(zhuǎn)子匝數(shù)比0.333；定子電阻0.010 8 p.u.；轉(zhuǎn)子電阻0.012 1 p.u.；互感3.362 H；定子漏感0.102 H；轉(zhuǎn)子漏感0.11 H；轉(zhuǎn)子故障電阻0.001Ω；轉(zhuǎn)子故障電抗0.002 H。

圖2、圖3分別為次同步狀態(tài)和超同步狀態(tài)下正常與轉(zhuǎn)子繞組故障時變流器網(wǎng)側(cè)電流的頻譜，對比可知，當出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組早期不平衡故障時，無論雙饋風(fēng)力發(fā)電機運行于次同步或超同步狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電流都會出現(xiàn)（1±2s）f的邊頻分量，其中s為轉(zhuǎn)差率，f為基頻，由此可作為故障的特征頻率用于診斷轉(zhuǎn)子繞組故障。

圖2　次同步狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)電流的仿真頻譜

圖3　超同步狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)電流的仿真頻譜

3　基于網(wǎng)側(cè)電流的轉(zhuǎn)子繞組故障實驗驗證

3.1實驗平臺的搭建

實驗平臺由直流電動機、繞線式異步電機、模擬風(fēng)力機特性的仿真裝置、雙饋風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制裝置、負載和故障錄波器等組成。圖4（a）為雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障模擬系統(tǒng) （圖中數(shù)據(jù)為額定運行參數(shù)），其中風(fēng)力機特性仿真裝置能調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而模擬風(fēng)力場變化的風(fēng)速。風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制裝置可調(diào)整轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和電網(wǎng)側(cè)控制器的起、停及參數(shù)變化。圖4（b）為雙饋風(fēng)機經(jīng)過升降變壓器和輸電線路接入負載的接線，文中的負載用燈泡來替代。

圖4　雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障實驗平臺

采集裝置由電流、電壓傳感器和故障錄波器組成。由于轉(zhuǎn)子側(cè)電流、電壓是低頻信號，使用工頻互感器會產(chǎn)生較大誤差不能滿足測量要求。實驗使用霍爾電流傳感器，它基于霍爾效應(yīng)和開環(huán)測量原理能精確測量轉(zhuǎn)子電流。轉(zhuǎn)子電壓由于數(shù)值不大，直接接入定制的低頻信號測量裝置中。

3.2實驗數(shù)據(jù)分析

實驗中采集的數(shù)據(jù)由電力故障錄波器進行相應(yīng)的錄波，利用Matlab R2011b數(shù)學(xué)分析軟件對采集的數(shù)據(jù)進行分析，得到實際測量的正常與轉(zhuǎn)子繞組故障時的網(wǎng)側(cè)電流頻譜圖，并分析了故障嚴重程度對特征頻率提取的影響。

圖5　次同步狀態(tài)變流器網(wǎng)側(cè)電流的頻譜

圖6超同步狀態(tài)變流器網(wǎng)側(cè)電流的頻譜

圖5、圖6分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機運行于次同步和超同步狀態(tài)時轉(zhuǎn)子繞組正常以及2種故障狀態(tài)時變流器網(wǎng)側(cè)電流的頻譜，由圖5、圖6對比可知，當轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生早期故障，變流器網(wǎng)側(cè)電流會出現(xiàn) （1±2s）f的邊頻分量，這與仿真結(jié)論相一致。進一步分析可知，當轉(zhuǎn)子繞組故障嚴重程度加劇時，邊頻分量 （1±2s）f的幅值會增大，由此驗證了它可以作為雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障診斷的特征頻率。

4　結(jié)束語

根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)子繞組故障模擬方法，在軟件PSCAD仿真環(huán)境中建立了轉(zhuǎn)子繞組的故障模型，通過仿真分析出變流器網(wǎng)側(cè)電流的故障特征頻率；然后搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電機的故障實驗平臺，對不同運行狀態(tài)和不同故障程度下的錄波數(shù)據(jù)進行了頻譜分析，由此驗證了邊頻分量（1±2s）f可以作為轉(zhuǎn)子繞組故障的特征頻率，且當故障嚴重程度加劇時，故障特征頻率的幅值會增大。

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朱玲（1990），女，江蘇姜堰人，碩士，從事繼電保護、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作；

王建鋒（1980），男，江蘇靖江人，工程師，從事變電站運行維護與管理工作；

時維?。?988），男，江蘇興化人，碩士，從事變電站運維、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作。

發(fā)電技術(shù)

Double-fed Induction Generator Rotor Fault Diagnosis Based on Grid-side Current of Back-to-back Converter

ZHU Ling， WANG Jianfeng， SHI Weijun
（ Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch， Taizhou 225300， China）

Abstract：Condition monitoring and fault diagnosis of rotor windings of double fed induction generator （DFIG） can detect the fault timely and reduce operation and maintenance costs effectively. First， a double fed induction generator's rotor fault model is established in PSCAD software based on its mathematical model， and then the fault characteristic frequency of the grid-side current of back-to back converter is detected through simulation analysis. In addition， the experimental platform of double fed induction generator is built in laboratory， and the recorded data is analyzed by using FFT under different operational conditions and different fault levels. Thus the fault characteristic frequency of the grid-side current of back-to-back converter is validated. Also when rotor fault severity is intensified， the fault characteristic frequency amplitude increases.

Key words：DFIG （double fed induction generation）； rotor fault； grid-side current of back-to-back converter； experimental platform

中圖分類號：TM307

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0076-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-23；修回日期：2016-02-02