永磁同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障數(shù)學(xué)模型及其仿真

曲忠杰 張志艷 李麗

摘要：針對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障問(wèn)題，在分析PMSG通用數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，引入匝間短路故障因子，推導(dǎo)出三相靜止坐標(biāo)系下的定子繞組匝間短路故障數(shù)學(xué)模型;然后基于Matlab/Simulink建立了仿真模型，采用時(shí)域仿真分析法和FFT分析，研究了PMSG分別在正常和定子A相繞組匝間短路不同嚴(yán)重程度下的運(yùn)行工況.結(jié)果表明：PMSG定子電流的值會(huì)隨故障嚴(yán)重程度的加劇而增大，只有當(dāng)定子繞組的短路匝數(shù)達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，對(duì)應(yīng)的定子電流的幅值變化才會(huì)比較明顯.

關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī); 匝間短路; 數(shù)學(xué)模型仿真

中圖分類號(hào)：TM712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.014

文章編號(hào)：2096-1553（2019）01-0101-08

0 引言

在新能源發(fā)電形式中， 風(fēng)能以其環(huán)保、可再生、蘊(yùn)藏量豐富等特點(diǎn)成為最具開發(fā)潛力的清潔能源之一.目前雙饋風(fēng)電機(jī)組是使用最為普遍的一種風(fēng)電機(jī)型[1]，然而近年來(lái)，隨著新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料技術(shù)的快速發(fā)展，永磁同步發(fā)電機(jī)PMSG （permanent magnet synchronous generator）已成為一種發(fā)展較快的新型發(fā)電機(jī)[2].PMSG具有氣隙磁密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩/慣量比大的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)相比，節(jié)能效果明顯、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大[3]，因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和重視.永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障是一種常見故障，破壞性很強(qiáng)，常帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因而及早發(fā)現(xiàn)該電機(jī)故障具有非常重要的意義[4].目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電機(jī)短路故障的識(shí)別與診斷提出了很多有效的辦法[5-11].文獻(xiàn)[5]基于小波熵分析提取故障信號(hào)，對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行診斷.文獻(xiàn)[6]基于轉(zhuǎn)子電流和線圈電壓，通過(guò)分析諧波分量診斷雙饋發(fā)電機(jī)定子匝間故障，并進(jìn)行了仿真分析.文獻(xiàn)[7]基于參數(shù)模型，在Matlab /Simulink環(huán)境下建立電機(jī)矢量控制仿真模型，針對(duì)不同故障程度對(duì)永磁同步電機(jī)定子繞組匝間短路故障進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)分析轉(zhuǎn)子電流調(diào)制信號(hào)來(lái)檢測(cè)雙饋電機(jī)定子繞組故障，并給出了該方式適用的系統(tǒng).文獻(xiàn)[9]基于Lissajous方法將交流電機(jī)定子三相電流和電壓提供的信息融合成動(dòng)態(tài)圖形，并應(yīng)用Lissajous傾角對(duì)電機(jī)定子匝間短路故障進(jìn)行診斷.文獻(xiàn)[10-11]均研究了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障的特性：其中，文獻(xiàn)[10]是基于匝間短路故障時(shí)的電磁特性，對(duì)正常情況和不同程度匝間短路故障情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，并分別對(duì)定子側(cè)電流和轉(zhuǎn)子側(cè)電流進(jìn)行頻譜分析，得到了諧波變化規(guī)律;而文獻(xiàn)[11]是以負(fù)序電流作為故障特征量進(jìn)行診斷，建立雙饋異步發(fā)電機(jī)仿真模型，通過(guò)改變模型中短路匝數(shù)和短路電阻的大小實(shí)現(xiàn)了匝間短路故障模擬.以上文獻(xiàn)主要是對(duì)常規(guī)電機(jī)，或是作為市場(chǎng)主流機(jī)型的雙饋電機(jī)的故障診斷，而針對(duì)永磁電機(jī)尤其是永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的匝間短路故障診斷研究較少.鑒于此，本文在分析電機(jī)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，擬建立abc坐標(biāo)下的PMSG定子匝間短路故障的數(shù)學(xué)模型，并基于Matlab/Simulink建立仿真模型，研究PMSG出現(xiàn)定子繞組匝間短路故障時(shí)定子相電流的特征，以期為PMSG定子繞組故障診斷提供理論依據(jù).

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