[发明专利]一种诊断双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的方法

权利要求书

1.一种诊断双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在abc坐标系上建立双馈异步发电机短路故障诊断数学模型，将数学模型从abc坐标系转换到dq坐标系，求得双馈异步发电机电压及磁链方程；为了进行双馈异步发电机的仿真，再将电压及磁链方程表示成双馈异步发电机状态空间方程；

所述步骤1包括：

步骤1.1：在abc坐标系上建立双馈异步发电机短路故障诊断数学模型，其中as₂表示短路线匝，μ表示短路线匝占本相线匝的比例，且当μ＝0时绕组为正常状态；用μL_ls表示短路线匝的漏感，L_ls为每相漏感；设置短路故障阻抗为电阻阻抗Z_f；

abc坐标下的数学模型表示为：

v_s＝R_si_s+dλ_s/dt

0＝R_ri_r+dλ_r/dt (1)

其中，V_s：定子电压，R_s：定子电阻矩阵、i_s：定子电流、λ_s:定子磁链、R_r：转子电阻矩阵、i_r：转子电流、λ_r:转子磁链、t：时间变量；

其中各量的求解公式如下：

v_s＝[v_as1 v_as2 v_bs v_cs]^T

i_s＝[i_as(i_as-i_f)i_bs i_cs]^T

i_r＝[i_ar i_br i_cr]^T

λ_s＝[λ_as1 λ_as2 λ_bs λ_cs]^T＝L_ssi_s+L_sri_r

λ_r＝[λ_ar λ_br λ_cr]^T＝L_sri_s+L_rri_r (2)

其中，V_as1：A相线匝除去短路线匝的电压；

V_as2：短路线匝的电压；

V_bs：定子B相电压；

V_cs：定子C相电压；

i_as、i_bs、i_cs：A、B、C三相定子电流；i_ar、i_br、i_cr：A、B、C三相转子电流；

i_f：励磁电流；

λ_as1：A相线匝除去短路线匝的磁链；

λ_as2：短路线匝的磁链；

λ_bs：B相定子磁链；

λ_cs：C相定子磁链；

λ_ar、λ_br、λ_cr：A、B、C三相转子磁链；

L_ss：定子互感；

L_sr：定转子互感；

L_rr：转子互感；

式(1)中的定子、转子电阻矩阵如下所示：

R_s＝R_sdiag[1 -μ μ 0 0]

R_r＝R_rI_3×3 (3)

I_3×3：定转子3X3电流正矩阵；

式(2)中的定子、转子电感矩阵如下所示：

L_ls：定子每相漏感；L_ms：定子每相励磁电感；L_lr：转子每相漏感；

步骤1.2：将数学模型从abc坐标系转换到dq坐标系，首先得到电压及磁链初步方程如下：

其中，V′_s：故障情况下定子电压；i′_s：故障情况下定子电流；λ′_s：故障情况下定子磁链；

其中各量的求解公式如下：

v′_s＝[v_as v_bs v_cs]^T

i′_s＝[i_as i_bs i_cs]^T

λ′_s＝[(λ_as1+λ_as2) λ_bs λ_cs]^T＝L′_ssi′_s+L′_sri_r+μA₂i_f

A₁＝-[R_s 0 0]^T

A₂＝[-(L_ls+L_ms) L_ms/2 L_ms/2]^T

A₃＝-L_ms[cosθ_r cos(θ_r+2π/3) cos(θ_r-2π/3)]^T (6)

其中，L_ls：定子每相漏感；L_ms：定子每相励磁电感；A₁、A₂、A₃：故障情况下定子电压、定子磁链、转子磁链短路程度系数矩阵；

调整后的电感矩阵如下所示：

L_ss′：定子间自感，L_sr′：定转子间互感；

进一步得到短路线匝as₂的电压和磁链方程如下所示：

v_as2＝μR_s(i_as-i_f)+dλ_as2/dt＝R_fi_f

R_f：故障电阻；

将式(5)和式(8)从abc坐标系转换到dq坐标系，得到双馈异步发电机电压及磁链方程表示为：

dq坐标系下定子电压；dq坐标系下定子电流；定子中心点电压；定子中心点磁链；L_m：励磁电感，dq坐标系下定子磁链，dq坐标系下转子磁链，L_s：定子电感，L_r：转子电感；dq坐标系下转子电流；

其中p表示运算符d/dt，并且：

dq坐标下的定子故障电阻矢量；直轴定子故障电阻数量值；交轴定子故障电阻数量值；ω_r：转子角速度；θ_r：转子转过电角度；j：虚数符号；

步骤1.3：为了进行双馈异步发电机的仿真，再将双馈异步发电机电压及磁链方程表示成状态空间方程，设为状态空间向量，则状态空间方程表示如下：

其中，

定子磁链在dq坐标系中的q轴分量；定子磁链在dq坐标系中的d轴分量；转子磁链在dq坐标系中的q轴分量；转子磁链在dq坐标系中的d轴分量；

步骤2：依据步骤1中得出的双馈异步发电机状态空间方程，基于MATLAB/SIMULINK软件平台搭建双馈异步发电机故障诊断电路模型，通过电路模型仿真得到对应不同μ值情况下的定子电流时域波形图；

步骤3：使用FFT或HHT对不同μ值的定子电流时域波形图进行频域转换，分析FFT频谱图或HHT边际谱图，分别对比μ＝0和μ≠0时频谱图的幅值变化特征，μ表示短路线匝占本相线匝的比例，0≤μ＜1，提取判断定子匝间短路的故障特征，用于双馈异步发电机的短路诊断。