双馈风力发电机定子匝间短路建模分析

王悦川

(国网陕西省电力公司渭南供电公司，陕西省渭南市 714000)

0 前 言

当前，风力发电等新能源技术有了巨大进步。在风力发电系统中，广泛采用双馈电机作为风力发电机。双馈式风力发电机本质上是一种转子绕线式异步电机。其转子电流励磁频率随着电机转速相应变化,与传统的汽轮发电机和水力发电机相比，双馈风力发电机运行工况恶劣。风力发电机在运行过程中，需要进行低电压穿越，也对其匝间绝缘有不利影响[1]。因此对双馈电机的匝间绝缘的研究具有十分重要的意义。因为匝间绝缘破坏导致的匝间短路故障往往会发展为更严重的短路故障破坏绕组的整体绝缘。定子匝间短路故障是其主要电气故障之一[2]。目前针对双馈风力发电机定子匝间短路故障的研究已有很多。文献[3]指出当双馈电机发生定子匝间短路故障时，将在双馈电机转子瞬时平均功率中引起相应的特征频率，可以通过对双馈电机转子瞬时平均功率进行频谱分析进行故障判断识别；文献[4]提出匝间短路等双馈电机早期故障在不利工况下容易恶化，提出拟序阻抗的概念，以此为故障特征量对双馈电机定子绕组匝间短路故障进行早期故障辨识；文献[5]提出基于派克矢量轨迹椭圆度的匝间短路早期识别方法。目前对双馈电机定子匝间短路故障研究主要集中在故障信号的判断识别[6-8]。

故障信号的判断识别的关键是故障机理的研究。本质上，定子的匝间绝缘被破坏后的定子匝间短路故障会导致定子三相电流不对称，三相电流不对称会导致双馈电机气隙磁场不对称，这必然引起电机转子电流和电磁转矩的变化，在转子电流和电磁转矩中均引起相应的特征信号。本文建立了电机的有限元仿真模型，从分析双馈式风力发电机定子匝间短路故障发生后，双馈风力发电机电磁转矩中的特征频率分量出发，进行双馈电机的匝间短路故障的仿真分析。

1 双馈发电机定子匝间短路分析

1.1 定子匝间短路故障下转子电流分析

电机正常运行时，定、转子均为对称的三相电流，假设f1、f2分别为定、转子电流频率，n1、n2为定、转子磁场转速，nr为转子旋转速度，则：n1=n2+nr。因f1=n1/60，f2=n2/60，有：

(1)

当转差率为s时，定子匝间短路在转子电流中产生的谐波为：

f′=(2-s)f

(2)

式中:f为电网电压频率。在转子电流中感应出f′=(2+s)f次谐波，因此可以根据发电机的定子电流谐波中(2-s)f分量和转子电流谐波中的(2+s)f分量来识别电机定子绕组匝间短路故障。

1.2 定子匝间短路故障下电磁转矩分析

由于匝间短路发生后，本质上引起气隙磁场的不对称，电机的电磁转矩与气隙磁场息息相关，因此，匝间短路故障会在电磁转矩中引起相应的短路故障特征。从而分析故障下的电磁转矩对匝间短路故障的提取与识别具有重要意义。

双馈异步发电机正常运行时，其基波磁动势为：

F(α,t)=Fs(α,t)+Fr(α,t)

(3)

定子匝间短路故障发生时，其基波磁动势为短路后的定转子磁场的合成磁动势，文献[9]指出，定子匝间短路故障的双馈式电机的电磁转矩为：

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 电磁转矩的计算

本文采用仿真时使用电磁场有限元计算软件Ansoft Maxwell，双馈风力发电机的电磁转矩计算采用虚位移原理。

处于交变电磁场中的物体所受到的某一方向的力：

(5)

式中:Fs为物体所受的电磁力；W′和Wm分别为磁共能和磁场储能。在整个虚位移过程中，磁链不变。物体在电磁场中所受的电磁转矩为：

(6)

式中:θ为角虚位移。有限元计算时通过电机内部磁场能量的改变就可以确定电机电磁转矩。

2 电机有限元建模与仿真

2.1 电机有限元建模

本文利用Ansoft Maxwell软件搭建风力发电机的有限元仿真模型。建模所依据电机参数见表1。

表1 YR132M-4基本参数表

依据YR132M-4机组电机的参数，建立电机的仿真模型，其主要步骤为：

(1) 创建双馈式风力发电机几何模型；

(2) 对各部分分配材料属性；

(3) 设置边界条件；

(4) 设置激励和进行网格剖分和求解设置。

搭建的双馈式感应发电机的有限元模型如图1。

图1 电机有限元模型图

双馈式风力发电机的定、转子外电路原理如图2、3。

图2 定子外电路图

图3 转子外电路图

根据定、转子外电路原理图,利用Maxwell Circuit Editor软件搭建电机的仿真外电路。

2.2 仿真模型与匝间短路故障设置

为了分析定子绕组匝间短路和定子固有不平衡下的双馈式感应发电机的特性，本文共建立2个仿真模型，分别是：

(1) 以定子绕组完全对称的双馈式发电机作为理想模型，简称正常电机模型，不考虑定子绕组匝间短路。用以研究理想模型正常情况下的转子电流和电机的电磁转矩。

(2) 以定子绕组存在定子匝间短路故障的双馈式发电机作为故障电机模型。用以研究实际模型正常情况下的转子电流和电机的电磁转矩。

通过外电路和Ansoft Maxwell 2D模型场路耦合来分别设置定子匝间短路。为了排除其他因素对绕组轻微匝间短路和轻微固有不平衡的影响，本文将定子绕组匝间短路设置在定子A相第一条支路中，通过调节短路电阻和改变短路导体的数量来模拟短路故障的严重程度。外电路设置原理如图4。

图4 电机定子绕组匝间短路故障的外电路设置原理图

3 仿真结果及分析

本文仿真所设置的电机转速为1 200 r/min。转差率为0.2，其转子励磁电流频率为10 Hz。采集电机进入稳态后的转子电流和电磁转矩进行频谱分析。

3.1 电机转子电流分析

转子电流基波为10 Hz，为便于对比,略去基波。其频谱分析结果见图5～6。

图5 正常电机模型转子电流图

由仿真结果可得，正常电机转子电流中几乎不存在谐波分量。当双馈风力发电机存在定子匝间短路故障时，转子电流中存在显著的90 Hz和110 Hz特征谐波。这与前述分析相一致，即双馈式风力发电机的定子匝间短路故障在转子电流中引起频率为(2±s)f谐波分量。

图6 故障电机模型转子电流图

3.2 电机电磁转矩分析

采集正常电机和故障电机稳态后的电磁转矩数据进行频谱分析(见图7～8)。

图7 正常电机模型电磁转矩图

图8 故障电机模型电磁转矩图

从仿真结果可得，电机定子正常时，双馈电机的电磁转矩中几乎不存在100 Hz谐波。而双馈电机存在定子匝间短路时的电磁转矩中含有较明显的100 Hz分量，这与理论分析一致。此外，与正常运行时相比，定子匝间短路故障下，电机电磁转矩中含有明显的140、240、340、380 Hz分量。这与理论分析一致。

4 结 语

本文对双馈式风力发电机定子匝间短路故障下的转子电流特征谐波和电磁转矩中的特征信号进行了分析。并利用Ansoft Maxwell软件搭建了双馈式感应发电机的有限元模型进行仿真分析。

(1) 双馈式风力发电机的定子匝间短路故障在转子电流中引起频率为(2±s)f谐波分量。

(2) 定子匝间短路故障在电磁转矩中引起100 Hz谐波分量，100 Hz特征频率与转差率数值无关，其余谐波分量与转差率相关。

综上所述，定子匝间短路故障，会同时在转子电流和电磁转矩中引起特征频率的谐波，这些谐波分量与转差率有关。其中电磁转矩中的100 Hz谐波与转差率无关，为定子侧的2倍频率，可以同时监测双馈式风力发电机的转子电流和电磁转矩中的特征信号来进行定子匝间短路故障诊断。