多功能双馈发电机故障模拟试验台的研制

韩 斌，赵 勇，房刚利，邓 巍



多功能双馈发电机故障模拟试验台的研制

韩 斌，赵 勇，房刚利，邓 巍

（西安热工研究院有限公司，西安 710054）

根据兆瓦级双馈发电机的结构特点及工作原理，本文研制了双馈发电机故障模拟试验平台，该试验平台首次实现了可进行多项非破坏性电气试验，可模拟双馈发电机定转子匝间短路、相间短路、相对地短路、三相不平衡以及转子励磁电流不稳定等故障。所研制的试验平台可为研究双馈发电机故障诊断算法等提供真实有效的故障数据。

双馈发电机；试验台；故障模拟；故障诊断

0 前言

双馈发电机是双馈型风力发电机组的关键部件之一，其可靠性和稳定性会直接影响到风力发电机组的运行。双馈发电机各类短路、绝缘损坏等故障由于其具有发展速度快、故障信号难以捕捉等特点，给发电机的检修。故障监测及故障诊断等工作带来了很大的难度，对双馈发电机进行故障机理及故障诊断技术研究过程中，有必要研制双馈发电机故障模拟试验台，以便提供现场难以捕捉到的各类短路故障信号，这在验证各故障诊断算法及仿真结果的过程中发挥着关键作用[1-6]。

英国杜伦大学的P. J. Tavner和杨文献[7]等人搭建的试验平台可模拟发电机定子绕组短路故障、发电机转子不平衡故障、传动系机械故障等。通过连接外部电阻箱该平台也能模拟转子三相不平衡故障。意大利博洛尼亚大学的D. Casadei和法国亚眠大学的A. Yazidi等人[8]搭建的风力发电机试验台通过在定子或转子某相串联一个与该相阻值相等的电阻完成发电机定子、转子三相不平衡故障的模拟。英国拉夫堡大学和杜伦大学的Simon Jonathan Watson, Beth J. Xiang等人[9]建立的试验平台主要用于研究双馈风力发电机的监测与诊断系统。罗马尼亚蒂米什瓦拉工业大学的Lucian MihetPopa[10]等人搭建的试验平台可模拟的故障主要包括定子绕组匝间短路故障、定子不平衡和转子不平衡故障。上海电力学院的魏书荣、符杨和河海大学的马宏忠[2]通过在转子某相串联一个电阻完成发电机转子三相不平衡故障的模拟。华中科技大学、浙江大学等在双馈风力发电机的系统建模及平台搭建等领域也做了很多工作，但主要偏重控制策略和方法的实现，以及电网故障的研究[11-15]。

在模拟发电机各短路故障、三相不平衡故障时，上述已有平台都是在发电机制造过程中通过在相应线圈上串联电阻、直接短路的方式来实现的，即平台所采用的发电机本身就是带缺陷的发电机，平台无法获得发电机正常状态信号。综上所述目前已有的各发电机故障模拟试验平台均未实现可反复进行非破坏性试验的功能，所采用的发电机的结构跟实际双馈发电机结构相差较大，且同一个试验平台可模拟的故障类型较少。

本文根据兆瓦级双馈风力发电机的结构特点及工作原理，研制了双馈发电机故障模拟试验平台，以便获取双馈发电机真实的电气故障数据。所研制的试验平台可模拟多项双馈发电机电气故障类型，通过在发电机加工过程中从发电机定/转子线圈不同位置处引出导线，并将导线连接到短路柜中的可编程控制器，通过可编程控制器接合与断开试验平台实现了进行多项非破坏性试验的功能，即不同可编程控制器接合时模拟发电机不同故障，可编程控制器断开时发电机恢复正常运行。试验平台的各项功能最后通过试验进行了验证。

1 需求分析

为模拟双馈发电机定转子各类短路故障、转子励磁电流不平衡以及定、转子的三相不平衡故障，本文研制的试验平台需模拟的故障类型及故障位置信息见表1。当发电机定、转子某一相线圈发生匝间短路时必将造成定、转子的三相不平衡，通过模拟发电机定、转子某一相短路故障，可同时模拟定、转子三相不平衡故障。

表1 试验平台可模拟的故障类型及故障位置信息

对于匝间短路故障，该试验平台可实现对定子铁心槽内线圈A相2匝、4匝、6匝、8匝之间、B相6匝之间、C相6匝之间短路故障的模拟，A相位于铁心端部线圈的5匝、10匝、15匝之间短路故障的模拟；转子位于铁心槽内线圈A相2、4匝之间、B相4匝之间、C相4匝之间短路故障的模拟，转子A相位于铁心端线圈的3匝、5匝、10匝之间短路故障的模拟。

2 总体设计

本文研制的双馈发电机故障模拟试验平台采用传统的“对拖”模式，即通过一台电动机带动双馈发电机运行。试验平台主要由电动机变频器、电动机、双馈发电机、双馈变流器及相关的控制、监测系统、短路柜、励磁电流不平衡装置、控制台等构成，监测系统中的信号采集装置包括振动信号采集装置和双馈发电机定子三相电流、转子三相电流、定子电压信号采集装置。试验平台所用双馈发电机相关参数见表2，平台整体构成框图如图1所示。

表2 试验平台用双馈发电机主要技术参数

图1 试验平台组成框图

双馈发电机产生的电能直接输送到电网，试验平台单位时间内从电网吸收的功率可按公式（1）进行估算。

=1+2+3+4+0（1）

式中：单位时间内试验平台从电网吸收的功率；

1单位时间内电动机变频器自身消耗的功率；

2单位时间内电动机消耗的功率（包括输出功率和热能等）；

3单位时间内双馈发电机输出功率；

4单位时间内变流器消耗功率（包括发电机无功功率）；

0其它机械损失功率。

3 故障模拟方案

3.1 转子各类短路故障

为模拟转子各类短路故障，本文在发电机转子下线前从转子绕组预定位置引出14条导线，不同导线之间连接可实现表1所列的各类转子短路故障。具体引线方式如图2所示，首先将引线焊接到各线圈预定位置，然后使用绝缘纸将焊接点包好并加套丝管。

图2 引线方式

从转子引出的14根导线被连接到位于转子平衡盘的绝缘螺栓上，如图3所示。同时在转子非驱动端安装6路滑环，通过滑环将连接在平衡盘绝缘螺栓上的引出线引出到发电机外部。连接通过6路滑环导出的不同引出线可实现转子线圈匝间短路、相间短路、相对地短路故障的模拟。通过变换不同的固定在平衡盘上的引出线与滑环连接来实现转子不同故障位置、不同故障类型的模拟。

图3 转子平衡盘上的绝缘螺栓及引线

通过滑环导出的引出线与短路柜内6个可编程控制器连接，转子各类短路故障通过控制可编程控制器的接合与断开加以实现。

3.2 定子各类短路故障

类似转子故障模拟方案，为模拟定子各类短路故障，本文在发电机定子下线前从定子绕组预定位置引出16条导线，不同导线之间连接可实现表1所列的各类定子短路故障。引线过程中同样先将引线焊接到各线圈预定位置，然后用绝缘纸包好并套丝管加以保护。从定子引出的导线可直接连接到短路柜内其余6个可编程控制器上，通过控制可编程控制器的接合与断开来实现定子各类短路故障的模拟。

3.3 转子励磁电流不平衡

为模拟因碳刷故障等原因造成的发电机转子励磁电流不平衡故障，本文通过在A相、C相转子励磁输入线处加装可调电阻、可编程控制器的方式加以实现。如图4所示，发电机正常励磁状态下KM1、KM4处于断开状态，KM2、KM3、KM5处于闭合状态。进行故障模拟试验时，根据模拟故障类型的需要，通过调节滑动变阻器R1、R2和控制KM2、KM5断开、KM1、KM3、KM4的闭合来实现转子励磁电流不平衡故障的模拟，试验平台可模拟的转子励磁电流不平衡相间的组合见表3。

图4 转子励磁电流不平衡模拟装置构成

表3 转子励磁电流不平衡相间组合

注：“×”表示励磁电流与其它相相同，“√”表示励磁电流与其它相不同。

3.4 保护措施

试验过程中为有效保护发电机不被过高短路电流损坏，试验平台采用双层防护措施：变流器保护、断路器保护。通过合理设定变流器各项阈值参数，确保发电机定、转子在出现高于发电机绝缘层能承受的最大电流值和出现严重的三相不平衡时变流器能断开发电机转子的励磁。在线圈引出的短路线处加断路器，当短路电流值超出发电机绝缘层能承受的最大电流值时断路器断开。

4 故障模拟效果

本文对表1所列的各类故障模型进行了试验，通过试验验证了所研制的试验平台的各项功能。图5~图9分别以定子A相匝间短路、定子BC相相间短路、转子B相匝间短路、转子BC相相间短路、转子B相对地短路为例展示了部分试验结果，并对试验结果进行了分析。试验时双馈发电机转速为1800r/min，输出功率80kW。

双馈发电机定子某相发生匝间短路故障时，定子对应相有效线圈数减少，产生的感应电流相应减少。由于本文采用的双馈发电机定子各相为“Δ”型接法，当发电机某相发生匝间短路故障时，跟短路点接近发电机的两相感应电流值均会发生变化，如图5所示A相线圈发生匝间短路时，双馈发电机A相、B相感应电流均减小，其变化量见表4。由于双馈发电机转子励磁电流由变流器输入，当发电机定子某相发生匝间短路故障时，转子三相电流值均不会发生变化。

双馈发电机定子发生相间短路故障时，定子对应两相有效线圈数减少，产生的感应电流相应减少，如图6中双馈发电机定子B相、C相感应电流均减小，其变化量见表4。当发电机定子发生相间短路故障时，转子三相电流值同样不会发生变化。

图5 定子A相匝间（4匝）短路故障（“•”短路开始点）

表4 不同故障类型对应的定、转子三相电流幅值变化

双馈发电机转子某相发生匝间短路故障时，该极磁动势将发生变化，气隙磁密分布不再对称，不对称的磁密分布将在定子绕组内感应附加谐波电动势，形成附加的谐波电流，定子三相感应电流出现明显的周期性冲击信号，如图7所示，各项电流变化量见表5。

图6 定子BC相间短路故障（“•”短路开始点）

图7 转子B相匝间短路故障（“•”短路开始点）

表5 不同故障类型对应的定、转子三相电流幅值变化

双馈发电机转子某两相发生相间短路故障时，转子对应两项相励磁电流产生较多谐波及冲击，极磁动势将发生变化，气隙磁密分布不再对称，不对称的磁密分布同样在定子绕组内感应附加谐波电动势，形成附加的谐波电流，定子三相感应电流同样出现明显的周期性冲击信号，如图8所示，各项电流变化量见表5。

图8 转子BC相间短路故障（“•”短路开始点）

双馈发电机转子发生对地短路故障时，转子故障相B相因短路电流过大，使得转子出现严重三相平衡故障，为有效保护双馈发电机安全，预先设定的变流器保护功能启动，瞬间自动断开对发电机转子的励磁，如图9所示。

图9 转子B相对地短路故障（“•”短路开始点）

5 结论

通过本文研究得出如下结论：

（1）利用本文提出的双馈发电机故障模拟方案，试验平台实现了各项故障模拟功能，故障模拟方案可行性较强。

（2）试验平台首次实现了可进行多项非破坏性试验的功能。

（3）试验验证表明，试验平台各项故障模拟效果明显。

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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

中国华能集团科技项目(HNKJ16-H22)

2016-07-30

韩斌（1981-），2009年毕业于西北工业大学航空宇航推进理论与工程专业，获硕士学位，现主要从事风力发电机组状态监测与智能诊断系统的研制与开发、风力发电机组故障诊断与状态评估、风机部件最优维护策略研究、风机塔筒、叶片无损检测技术研究等工作，工程师。