基于轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜分析的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障診斷

基于轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜分析的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障診斷

0發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞射線故障診斷隨著中國(guó)及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)義務(wù)裝置的安裝能力的增加，以及海上能源裝置的開(kāi)發(fā)，提高和確保能源裝置的運(yùn)營(yíng)可靠性已成為國(guó)內(nèi)外的中心主題。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主流機(jī)型。統(tǒng)計(jì)資料表明,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障主要發(fā)生于定子、轉(zhuǎn)子、軸承、氣隙(偏心)等處,其中38%的故障是由定子引起的。因此,研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組的故障診斷對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行可靠性和利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組故障的診斷監(jiān)測(cè)已經(jīng)做了一些研究。文獻(xiàn)分析了定子繞組匝間短路故障時(shí)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)特性,指出了發(fā)電機(jī)徑向振動(dòng)特性與發(fā)電機(jī)電參數(shù)一樣,可作為診斷發(fā)電機(jī)繞組故障的依據(jù),但此方法需要外加振動(dòng)傳感器,對(duì)運(yùn)行中的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)上存在困難,同時(shí)也增加了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)提出采用轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻譜信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障,找到了不受負(fù)載因素影響的特征頻率。文獻(xiàn)提出采用轉(zhuǎn)子電流調(diào)制信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障。文獻(xiàn)建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障多回路模型,并驗(yàn)證了故障情況下在定子、轉(zhuǎn)子電流中會(huì)產(chǎn)生特定頻率的諧波分量,通過(guò)監(jiān)測(cè)這些諧波分量來(lái)確定故障發(fā)生與否。文獻(xiàn)[8-10]提出的方法不需要外加傳感器與硬件設(shè)備,減少了監(jiān)測(cè)成本,但由于其特征頻率的表達(dá)式中都含有轉(zhuǎn)差s,對(duì)轉(zhuǎn)差s的跟蹤、計(jì)算精度提出很高要求,計(jì)算量大;另有學(xué)者采用軸向磁通、定子負(fù)序電流、小波分析等方法來(lái)監(jiān)測(cè)定子繞組故障,但其靈敏度與可靠性還有待驗(yàn)證。本文從理論分析的角度說(shuō)明了采用轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜來(lái)診斷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障的可行性。它不僅具有無(wú)需外加傳感器與硬件支持,減少監(jiān)測(cè)成本的優(yōu)點(diǎn),而且由于其特征頻率為2f(f為電網(wǎng)基頻),不受轉(zhuǎn)差s的影響,在轉(zhuǎn)差發(fā)生輕微改變或存在計(jì)算誤差時(shí),特征頻率不會(huì)隨之改變,具有很強(qiáng)的抗干擾能力。1轉(zhuǎn)子側(cè)a相瞬時(shí)功率譜的計(jì)算定義正常狀態(tài)下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)單相瞬時(shí)功率為:式中:ua為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值,仿真中相電壓為直接測(cè)量所得,實(shí)驗(yàn)中則通過(guò)所測(cè)量的三相線電壓換算得到;ia為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值;pa為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子單相瞬時(shí)功率。正常情況下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)子側(cè)電流、電壓均為理想的正弦波,可分別寫(xiě)成(以A相為例):式中:ω1為轉(zhuǎn)子側(cè)基波電壓的角頻率,ω1=sω,其中ω為定子側(cè)角頻率;Uma為基波相電壓的幅值;Ima為基波相電流的幅值;φ為基波電流落后于電壓的相位角。將式(2)代入式(1)中,可得正常雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)A相瞬時(shí)功率為:式(3)表明,轉(zhuǎn)子側(cè)A相瞬時(shí)功率為一頻率為2f1的分量和一個(gè)恒定分量(f1=sf)。當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組故障時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)的特征信息會(huì)比定子側(cè)顯著,且轉(zhuǎn)子側(cè)電氣量的故障特征頻率成分為(2-s)f。則此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)A相電壓可表示為:此時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)A相的故障電流分量可以表示為:此時(shí)的轉(zhuǎn)子側(cè)A相瞬時(shí)功率為:由式(6)可以看出:當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生故障時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)瞬時(shí)功率譜中,除了產(chǎn)生與正常狀態(tài)相同的2f1的分量和一個(gè)恒定分量外,還產(chǎn)生了頻率為2f和2(1-s)f的定子繞組故障分量。理論分析表明,特征頻率2f和2(1-s)f均可作為故障特征量,不過(guò)由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差s受風(fēng)速影響,具有實(shí)時(shí)變化性。為了避免轉(zhuǎn)差s的跟蹤和計(jì)算誤差引起特征頻率的計(jì)算偏差,選擇頻率2f作為故障特征頻率,具有很好的診斷可靠性。故本文選取轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜的2f頻率處的幅值作為定子繞組故障的特征量。2診斷模型的構(gòu)建與模擬分析2.1轉(zhuǎn)子風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子繞射波場(chǎng)仿真在電機(jī)故障診斷的研究中,需要明確故障診斷內(nèi)容與繼電保護(hù)內(nèi)容的區(qū)別。繼電保護(hù)主要針對(duì)電機(jī)的瞬變故障如繞組相間金屬性短路等;而故障診斷主要針對(duì)緩變故障(一些輕微的緩變故障,電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間),如電機(jī)繞組匝間非金屬性短路(高阻短路)等。因此,本文主要針對(duì)定子繞組高阻短路等各種輕微緩變故障。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組匝間高阻短路為其主要故障形式之一,它會(huì)引起定子阻抗的三相不平衡及氣隙磁場(chǎng)的畸變。考慮實(shí)驗(yàn)的方便性,本文通過(guò)在定子繞組的一相串接阻抗或電阻方式模擬定子繞組三相不平衡。此方法雖然不能準(zhǔn)確模擬內(nèi)部短路故障引起的氣隙磁場(chǎng)的變化,但可以模擬定子三相不平衡及其影響。本文從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度說(shuō)明轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜法在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障診斷中的優(yōu)越性。首先在PSCAD的仿真環(huán)境中建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障模型,如圖1所示。仿真模型采用異步電機(jī)接變頻器的方式模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在異步電機(jī)輸入端,連接風(fēng)速模擬單元,模擬風(fēng)速的實(shí)時(shí)變化。發(fā)電機(jī)出口處經(jīng)變壓器變壓后接入無(wú)窮大系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。在正常及故障情況下測(cè)量轉(zhuǎn)子側(cè)的電流電壓為后續(xù)的分析做準(zhǔn)備。其中發(fā)電機(jī)參數(shù)如下:額定容量為2MVA,額定線電壓為0.69kV,基頻為50Hz,定轉(zhuǎn)子匝數(shù)比為0.333,定子電阻為0.0108(標(biāo)幺值),轉(zhuǎn)子電阻為0.0121(標(biāo)幺值),互感為3.362mH,定子漏感為0.102mH,轉(zhuǎn)子漏感為0.11mH。2.2轉(zhuǎn)子譜特征頻率隨轉(zhuǎn)差的變化在定子A相設(shè)定故障電阻為2mΩ、電感為0.1mH來(lái)模擬定子繞組故障。通過(guò)快速傅里葉變換得到轉(zhuǎn)子電流譜、電壓譜及瞬時(shí)功率譜在正常及故障時(shí)的對(duì)比圖如圖2至圖4所示(此時(shí)轉(zhuǎn)差s=0.14,輸出線電壓為0.69kV、線電流為0.92kA,有功功率為0.86MW)。由圖可知,轉(zhuǎn)子電流譜特征頻率處幅值故障前后變化了4.5dB,變化率為3.61%;轉(zhuǎn)子電壓譜特征頻率處幅值故障前后變化了3.64dB,變化率為4.45%;而轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜特征頻率處幅值故障前后變化了51.9dB,變化率為55.01%。顯然,當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生輕微故障時(shí),轉(zhuǎn)子電流、電壓譜變化并不明顯,而轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜變化則要明顯得多,更有利于診斷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組的早期故障。3診斷模型的實(shí)驗(yàn)和分析3.1yzr博弈電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型本實(shí)驗(yàn)在河海大學(xué)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)線路見(jiàn)附錄A圖A1。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器、輸電線和降壓變壓器對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)供電。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障模擬圖和實(shí)物圖見(jiàn)附錄A圖A2、圖A3。其中風(fēng)力機(jī)特性模擬裝置用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,風(fēng)力機(jī)勵(lì)磁控制屏用于調(diào)整轉(zhuǎn)子側(cè)控制器和電網(wǎng)側(cè)控制器的啟停及參數(shù)變化,實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、有功功率、無(wú)功功率及定子電壓等。模擬定子繞組故障通過(guò)在定子A相串接電阻R來(lái)完成,該方法無(wú)需破壞性實(shí)驗(yàn),簡(jiǎn)易可行,是模擬定子繞組故障的常用方法。采集裝置由電流、電壓傳感器和電力故障錄波器組成。定子側(cè)選用的電壓互感器變比為400V/100V,電流互感器型號(hào)為ML-6.0,變比為30A/1A。轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻率為sf,為低頻信號(hào),使用工頻互感器會(huì)超出其頻率應(yīng)用范圍,產(chǎn)生新的誤差。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器及低頻電壓測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量?；魻栯娏鱾鞲衅鞯男吞?hào)為HZIA-C06,它基于霍爾效應(yīng)、開(kāi)環(huán)測(cè)量原理將轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換成跟隨輸出的電壓信號(hào),交流、直流、混合電流均可測(cè)量,具有高線性度、高精確度、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置選用中元華電定制的ZH-2B電力故障錄波器。YZR160M-4電機(jī)主要參數(shù)如下:定子額定電壓為380V,定子額定電流為12.5A,轉(zhuǎn)子額定電壓為184V,轉(zhuǎn)子額定電流為20A,電機(jī)額定功率為5.5kW,額定轉(zhuǎn)速為1445r/min。直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Z2-51,額定功率為5.5kW,額定電壓為220V,額定電流為30.9A,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。3.2轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜特征頻率與故障相關(guān)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜法在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障診斷中的有效性,在系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行情況下,在定子A相串聯(lián)電阻模擬定子繞組故障,通過(guò)改變串聯(lián)電阻阻值來(lái)改變定子繞組故障嚴(yán)重程度。同時(shí),通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)模擬風(fēng)速變化,以驗(yàn)證在不同轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜法在診斷定子繞組故障中的有效性。轉(zhuǎn)速為1425r/min時(shí),正常并網(wǎng)及定子繞組串聯(lián)電阻R=Rs(Rs為定子電阻)時(shí)的功率譜變化情況如圖5所示。由圖可知,故障前后,功率譜2f處幅值變化了18.256dB,變化率為68.81%。由此可以看出,功率譜特征頻率2f處幅值隨故障變化明顯,對(duì)故障發(fā)生具有很好的敏感性。應(yīng)當(dāng)注意的是,電機(jī)定子三相不平衡度一般通過(guò)定子負(fù)序電流的大小來(lái)反映。文中為了清楚反映負(fù)序電流大小的程度,使用負(fù)序電流的標(biāo)幺值來(lái)衡量定子繞組不平衡度(其中,負(fù)序電流的標(biāo)幺值=負(fù)序電流/額定電流)。如表1第2列所示,為4種工況下定子負(fù)序電流的標(biāo)幺值。正常情況下定子A相負(fù)序電流為0.165A,負(fù)序電流標(biāo)幺值為0.0132,此負(fù)序分量可能來(lái)源于電機(jī)自身存在一定的固有不對(duì)稱(chēng)以及互感器測(cè)量誤差等。轉(zhuǎn)速為1425r/min時(shí),不同故障嚴(yán)重程度下的轉(zhuǎn)子側(cè)電流譜、電壓譜及功率譜特征頻率處幅值變化情況見(jiàn)表1?？芍?1倍故障時(shí),負(fù)序電流標(biāo)幺值大小為0.0658,電流譜特征頻率處幅值變化為35.73dB,變化率為39.90%;電壓譜特征頻率處幅值變化為36.92dB,變化率為38.23%;而功率譜特征頻率處幅值變化為18.256dB,變化率為68.81%。從幅值變化來(lái)看,電流、電壓譜變化更大,但從變化率上看,功率譜變化則要大得多。圖6所示為歸一化(所有幅值均除以初始幅值的絕對(duì)值)后,轉(zhuǎn)子電流、電壓、功率譜等3種頻率譜對(duì)比圖。可以看出,功率譜2f處幅值隨著定子負(fù)序電流標(biāo)幺值(三相不平衡度)的增加,其變化最為明顯。說(shuō)明轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜法在診斷定子繞組故障時(shí)比轉(zhuǎn)子電流、電壓譜都更具敏感性。表2所示為考慮不同轉(zhuǎn)速及不同故障嚴(yán)重程度時(shí),轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜2f處的幅值變化情況。其中故障嚴(yán)重程度用定子負(fù)序電流標(biāo)幺值大小表示。由表2可以看出,在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜特征頻率處的幅值都隨著故障嚴(yán)重程度的增加而增大。因此,選取轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜的特征頻率2f處幅值作為定子繞組故障診斷的特征量,能夠更好地反映故障信息。其對(duì)故障的敏感性與可靠性均優(yōu)于轉(zhuǎn)子側(cè)電流、電壓譜,且兼有無(wú)需外加傳感器、硬件設(shè)備的優(yōu)越性。4轉(zhuǎn)子提高了風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性本文從瞬時(shí)功率的定義出發(fā),導(dǎo)出了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在定子繞組故障時(shí),其故障特征在轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜中的表現(xiàn)形式。公式表明,功率譜的特征頻率為2f,不受轉(zhuǎn)差s輕微變化的影響,對(duì)轉(zhuǎn)差s的跟蹤精度要求不高,減小了計(jì)算量。同時(shí),在PSCAD中的仿真表明,在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障較輕微時(shí),轉(zhuǎn)子電流、電壓譜特征頻率處幅值變化并不明顯,而轉(zhuǎn)子瞬時(shí)功率譜2f處幅值變化顯著;在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組故障較為嚴(yán)重時(shí),轉(zhuǎn)子電流