双馈异步风力发电机定子匝间短路建模与分析

双馈异步风力发电机定子匝间短路建模与分析

李美龙  何庆峰

（中车永济电机有限公司  陕西西安  710000）

摘要：双馈异步风力发电机在风电领域占有很大的市场，发电机定子绕组间的短路是其常见的故障之一。利用有限元软件Maxwell，建立双馈异步风力发电机定子匝间短路故障模型，对正常情况下以及不同程度的匝间短路故障进行仿真、分析及特征提取，总结出定子匝间短路故障的变化规律，作为定子绕组匝间短路故障检测与诊断的依据。

关键词：双馈异步风力发电机；匝间短路；频谱

0   引言

    随着科技的发展与社会的进步，世界各国开始认识到清洁能源的重要性，传统的高能耗、高污染的火力发电占比逐步在降低。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，合理的开发利用丰富的风能资源以弥补传统电力的不足具有重大的意义。双馈机型的风电系统主要是由双馈异步发电机和变流器组成，双馈异步发电机是风电系统的主要部件。与其他机型相比，双馈型风力发电系统的变频器容量只有其发电容量的25%-30%,能够独立控制有功功率和无功功率。双馈异步风力发电机由于其独特的结构和性能，市场占有份额很高[1]。

   在双馈异步风力发电机故障中，定子匝间短路是其主要的故障，约占到电机总故障的30%以上。双馈异步风力发电机采用交流励磁，定、转子均能向电网供电，定子与电网直接连接，转子通过变流器与电网连接。发生轻微的匝间短路故障时，风电机组仍可继续运行，但是，早期的匝间短路故障如果不及时发现，长期运行下去，会造成电机绝缘的损坏，从而引起故障的扩大，造成相间短路，轻则停机停产，重则可能造成电气设备的损坏[2]。因此，对双馈异步风力发电机故障诊断技术的研究具有重要的现实意义，在运行中发现并解除故障，能最大发挥发电机的经济效益。

    匝间短路故障是由绕组中相邻线圈之间的层间绝缘损坏后造成的。发生匝间短路故障后，发电机结构不再对称。有限元方法提供了准确、快捷的数学分析工具，通过对相位、频谱等参数的分析，可以有效判断故障相的严重程度，以减少次生灾害的发生。本文用有限元软件Maxwell建立双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的仿真模型，对仿真结果进行了深入分析。

1   双馈异步风力发电机模型的建立

    利用Maxwell建立电机的二维有限元模型有四种方法：一种是在Maxwell 模块中直接建模完成；第二种是把电机的基本参数输入到RMxprt中生成二维模型然后将模型导入到Maxwell中进行求解；第三种是确定电机的结构尺寸数据，在Autocad中画出电机的模型，再将模型导入到Maxwell中计算；第四种时RMxprt与Autocad联合建模，RMxprt建立基本模型，Autocad绘制精细模型进行细化。

    RMxprt是ANSYS公司专为设计人员开发的电机磁路设计软件包，包含了三相同步电机、三相异步感应电机、永磁同步电机、绕线电机等，通过输入参数直接建立电机的物理模型。本文选择第四种方式RMxprt与Autocad联合建模，流程如图1所示。双馈异步风力发电机结构具有对称性，可以只对其中一部分进行仿真计算，以节省时间和内存。

Ansoft具有自适应网格剖分功能，自适应网格剖分主要是根据场域的几何结构来处理的，根据对场量求解后的结果，调整网格剖分的密度。网格太密会占用大量的时间和内存，合理的剖分密度尤为重要。网格剖分结果如图2所示。

图1 Maxwell建模流程图                 图2 网格剖分

    双馈异步风力发电机常用的驱动电路有PWM变频器驱动、交流电源驱动等，本文直接采用交流电源供电，电压有效值为690V，频率为50Hz，三相定子绕组各项相差120度，经过RMxprt路算后，定子三相电压如下所示：

2   匝间短路故障的特性分析及特征提取

2.1 匝间短路故障的特性分析

      图3 匝间短路故障示意图

    匝间短路故障如图3所示。假设在a，b处发生了匝间短路故障，被短路的匝数为N1，每相绕组共有N匝（假设每相只有一条并联支路）。N1相对于N是一个比较小的数，可以近似认为发生匝间短路后每级的磁通保持不变。

2.2 匝间短路故障的特征提取

    在正常情况下，对于理想的双馈异步风力发电机，其三相定子、转子绕组均为对称绕组，各相分别在空间相差120度。定子三相绕组的磁动势为正向旋转的圆形磁动势，它在定子绕组中感应出正序电流。当定子绕组中发生匝间短路故障时，假设短路匝上叠加了一个与原电流方向相同的电流，它将在气隙中建立一个磁场，这个磁场与正常情况下发电机的磁场进行叠加，形成匝间短路下的合成磁场。假设在短路匝上叠加的电流为,根据电机学的知识[3]，其磁动势的傅里叶展开式为：

    (1)

式中 为电源角频率，为节距系数，a为两根导体相隔的空间电角度，对于短距线圈，，对于整距线圈，，且。

    式1表明，短路匝叠加电流的磁动势为脉振磁动势，它可以分解为两个幅值、转速相等方向相反的圆形旋转磁动势，正向的磁动势会在定子绕组中感应出正序电流，反向旋转的磁动势会在定子绕组中感应出负序电流，也就是谐波电流因此，我们可以从故障相电流的相位及频谱出发，诊断出定子绕组的匝间短路情况。

    发生匝间短路故障后，其阻抗也随之发生变化，通过对故障相阻抗大小的计算，可以对其进行定量分析。由电机学的知识可知，定子绕组每相电阻为：

                                                  (2)

式中为每相串联匝数，为半匝平均长度，为导体截面积，为相绕组的并联支路数。

    绕组的主电抗为：

                                              (3)

式中为主磁路的磁导率，,f为频率，m为相数，为电枢的轴向计算长度，为有效气隙长度。

    绕组的的漏抗为：

                                             (4)

式中,其中为槽比漏磁导，谐波比漏磁导、齿顶比漏磁导、端部比漏磁导。

    假设有M匝线圈发生匝间短路，用代替（2）、（3）式中的，计算出故障后的阻抗参数，从而建立定子匝间短路故障的定量分析模型。

3   定子匝间短路故障模型的建立与仿真

3.1 模型的建立

    本文所研究的是一台双馈异步风力发电机，定子绕组采用三相△连接方式，转子绕组采用三相Y连接方式，定子、转子材料都采用50TW310，定子采用开口槽型，转子采用半开口槽型，发电机具体参数见表1。

表1 电机参数表

    在Ansoft 软件中建立如表1所示的双馈异步风力发电机模型，通过改变定子绕组的匝数和阻抗值大小，建立发电机在不同故障下的仿真模型，对发电机定子匝间短路故障进行仿真计算。

3.2 模型的仿真

    为了便于仿真，我们假设风力发电机运行在理想情况下，风速恒定，电网的需求功率等于双馈异步风力发电机的额定功率。假设A相发生匝间短路故障，通过改变模型中A相的短路匝数和阻抗值的大小，仿真计算可得不同短路故障下定子三相电流及其频谱曲线，如图4、5、6所示。

图4正常情况定子三相电流波形及其频谱

图5 定子A相10%匝间短路及其频谱

图6定子A相20%匝间短路及其频谱

    不同状态下定子相电流有效值如表2所示，三相电流相位差如表3所示。

表2 不同状态下定子相电流有效值

表3 不同状态下定子三相电流相位差

4   结 论

    对图4-6及表2、3进行分析可以看出：

   （1）正常情况下，定子侧三相电流大小相等，相位基本相差120度对称分布。当定子绕组发生匝间短路故障后，如果故障比较轻微，三相定子电流的变化非常微小，此时仅从时域波形中无法识别出是否存在定子匝间短路故障。伴随着故障情况的加剧，三相电流发生轻微的不对称，与正常情况相比，故障相电流的有效值也进一步增加。

   （2）从三相电流的频谱分析看出，正常情况下，以基波为主，谐波的占有率很少，幅值很小。当定子绕组发生匝间短路故障后，定子电流中将出现谐波分量，谐波占有率随着匝间短路故障严重程度的加剧而增加，谐波的幅值和频率也便随着故障程度进一步增大。

    （3）由表3可以看出，定子三相电流之间的相位差遭到破坏，其中两个非故障相的相位差偏离120°严重。

    因此，我们可以通过对电流及其频谱的检测与分析，找出匝间短路的故障相，并进一步判断其故障的严重程度。

参考文献

[1]马宏忠，张志燕等，双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究[J].电机与控制学报，2011,15（11）：

   50-54.

[2]魏书荣，符杨等，双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断与实验研究[J].电力系统保护与控制，2010,

   38（11）：25-28.

[3]陈世坤，电机设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

Modeling and Analysising of Stator inter Turn Short Circuitin Doubly Fed Induction Generator

LiMeilong,HeQingfeng

（CRRC Yongji Motor Co., Ltd，Xi'an, Shanxi 710018）

Abstract:Doubly Fed Induction Generator(DFIG)have a large market in the field of wind power. The short circuit between stator windings is one of its common faults. By using the finite element software Maxwell, the stator interturn short circuit fault model of DFIG was established.Simulation, analysis, and feature extraction are conducted on normal and varying degrees of interturn short circuit faults. The variation patterns of stator interturn short circuit faults are summarized as the basis for detecting and diagnosing stator winding interturn short circuit faults.

Keywords: DFIG;Interturn short circuit;spectrum