本發(fā)明涉及風(fēng)電機(jī)組故障辨識領(lǐng)域，尤其是涉及一種海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路早期故障辨識方法。

背景技術(shù)：

隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，開發(fā)海上風(fēng)電已成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展新趨勢，在國家“十三五”能源規(guī)劃期間，為促進(jìn)我國深水、遠(yuǎn)海、大規(guī)模海上風(fēng)電場的發(fā)展，國家能源局印發(fā)了《全國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案(2014-2016)》，已有1053萬千瓦的海上風(fēng)電項(xiàng)目開始建設(shè)，由于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有投資損耗小、發(fā)電效率高、諧波吸收方便等多方面的優(yōu)勢，已成為深遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型之一。深水、遠(yuǎn)海、大規(guī)模海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有三大特點(diǎn)：故障率高，故障維修困難，故障停運(yùn)損失巨大。匝間短路故障時電機(jī)故障的主要形式，可以在極端時間內(nèi)演變成相間故障，甚至引起接地故障等不可逆故障。因此亟需精確定位雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障，為故障維修贏取寶貴的時間，以避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)匝間短路故障時，首先會在定子電流上有所體現(xiàn)，因此有很多通過定子電流直接或者間接來診斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的故障特征量得到了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。如馬宏忠、方芳、王攀攀等學(xué)者采用負(fù)序電流作為故障特征量；魏書榮采用了擬序阻抗；電流頻譜作為故障特征則得到了李俊卿、李明和、jungjh等學(xué)者的青睞。cristianh.de等人在ieeetransactionsoninductionmotors發(fā)表了題名為：onlinemodel-basedstator-faultdetectionandidentificationininductionmotors的文章，該文章提出通過故障電機(jī)定子電流與觀測器電流之差來診斷感應(yīng)電機(jī)定子匝間短路，但因?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)需要變頻器勵磁，使其通過轉(zhuǎn)差頻率能量，不同于感應(yīng)電機(jī)的工作模式；且受轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁變頻器的影響，故障特征量推導(dǎo)更為復(fù)雜，故其提出的診斷方法不能直接應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。魏書榮等人在中國電機(jī)工程學(xué)報發(fā)表了題名為：基于擬序阻抗的海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路早期故障辨識的文章，該文章通過求取定子電壓序分量和定子電流序分量之間的關(guān)系，得到雙饋電機(jī)固有參數(shù)(擬序阻抗)，該方法可以應(yīng)用于雙饋電機(jī)對電機(jī)固有不對稱、信號檢測誤差和定子電壓不對稱具有很好的魯棒性，能可靠的檢測出早期輕微的定子匝間短路故障，但該方法不能定位故障相。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路早期故障辨識方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路早期故障辨識方法，用以判斷雙饋電機(jī)定子繞組匝間是否發(fā)生短路并確定發(fā)生匝間短路的相，包括以下步驟：

1)獲取待故障識別的海上雙饋電機(jī)的三相信號，包括定子三相電壓、轉(zhuǎn)子三相電壓、定子三相電流、轉(zhuǎn)子三相電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

2)將三相信號轉(zhuǎn)換到dq軸坐標(biāo)系，對于每一個采樣周期ts，獲取輸出一組電機(jī)參數(shù)，再將三相信號轉(zhuǎn)換到αβ軸坐標(biāo)系，通過觀測器獲取估計(jì)定子電流，計(jì)算出估計(jì)電流差并分解，得到故障嚴(yán)重程度因子ξ；

3)當(dāng)匝間短路故障引起的故障嚴(yán)重程度ξ幅值到達(dá)故障預(yù)警值時，則該待故障識別的海上雙饋電機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路早期故障辨識方法，其特征在于，所述的步驟2)具體包括以下步驟：

21)將采集的三相信號變換到dq軸坐標(biāo)系，獲取電機(jī)參數(shù)，包括定子等效兩相繞組的自感l(wèi)s、轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感l(wèi)r、定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感l(wèi)m、定子阻抗rs和轉(zhuǎn)子阻抗rr；

22)將采集的三相信號變換到αβ軸坐標(biāo)系，通過觀測器計(jì)算估計(jì)定子電流計(jì)算式為：

▽＝lrls-l²m

其中，為αβ0坐標(biāo)系中定子繞組磁通觀測值，uαβs為αβ0坐標(biāo)系中定子電壓，為通過觀測器計(jì)算出的估計(jì)定子電流，uαβr為αβ0坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子電壓，rr為轉(zhuǎn)子阻抗，為通過觀測器計(jì)算出的估計(jì)轉(zhuǎn)子電流，q為常數(shù)矩陣，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

23)根據(jù)估計(jì)定子電流計(jì)算電流估計(jì)差eαβs，電流估計(jì)差eαβs計(jì)算式為：

其中，iαβs為實(shí)際電機(jī)的定子電流，為通過觀測器計(jì)算估計(jì)定子電流，為固有誤差；

24)根據(jù)電流估計(jì)差eαβs進(jìn)行重構(gòu)得到故障信號

25)計(jì)算故障嚴(yán)重程度因子ξ：

其中，in為電機(jī)額定電流，為故障矢量，if為故障電流，為故障信號的模值。

所述的步驟24)具體包括以下步驟：

241)將電流估計(jì)差eαβs投影到反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，通過低通濾波器獲取電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn的直流信號，再將電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn的直流信號投影到正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，得到電流估計(jì)差的負(fù)序分量eisn；

242)將電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn的直流信號投影到以角度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中得到不含固有誤差信息的信號，并且將信號與電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn作和重構(gòu)得到故障信號

所述的步驟2)還包括以下步驟：

26)計(jì)算出故障相的故障系數(shù)角并且根據(jù)故障系數(shù)角的數(shù)值確定發(fā)生故障的具體相號。

當(dāng)故障相的故障系數(shù)角分別為0、2π/3或4π/3時，對應(yīng)的故障分別發(fā)生在a、b、c相。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、本發(fā)明通過改進(jìn)雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型，將其故障系數(shù)由常數(shù)變?yōu)槭噶?，使本文提出的診斷方法能可靠地提取故障發(fā)生相。

二、本發(fā)明通過分解定子繞組匝間短路故障引起的電流估計(jì)差，得到故障嚴(yán)重程度作為故障判斷的故障特征量，該故障特征量中獲取時濾除了電流固有誤差的影響，進(jìn)而該故障辨識方法能夠及時發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障，同時對電機(jī)定子電壓不平衡、電機(jī)不對稱、信號檢測誤差具有魯棒性，以便及時做出處理，提高雙饋電機(jī)的使用壽命，避免災(zāi)難性故障的發(fā)生減少因故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。

附圖說明

圖1為本發(fā)明海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路故障辨識方法的流程圖。

圖2為雙饋電機(jī)定子繞組a相匝間短路示意圖。

圖3為故障檢測識別策略圖。

圖4為估計(jì)差分解圖。

圖5為a相短路(故障矢量為[10]^t*0.045)的仿真和實(shí)驗(yàn)波形圖，其中，圖(5a)為仿真定子電流波形圖，圖(5b)為實(shí)驗(yàn)定子電流波形圖，(5c)為仿真轉(zhuǎn)子電流波形圖，(5d)為實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子電流波形圖。

圖6為a相短路(故障矢量為[10]^t*0.01)故障嚴(yán)重程度。

圖7為a相短路故障特征量圖，其中，圖(7a)為電流估計(jì)差的波形圖，圖(7b)為固有誤差的波形圖。

圖8為短路分別發(fā)生在a、b、c相時故障相角及故障嚴(yán)重程度，其中，圖(81a)為a相短路時故障相角，圖(82a)為a相短路時故障嚴(yán)重程度，圖(81b)為b相短路時故障相角，圖(82b)為b相短路時故障嚴(yán)重程度，圖(81c)為c相短路時故障相角，圖(82c)為c相短路時故障嚴(yán)重程度，。

圖9為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖10為電網(wǎng)電壓不平衡時仿真結(jié)果圖。

圖11為電機(jī)不對稱時仿真結(jié)果圖。

圖12為定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電壓信號同時存在檢測誤差時的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

本文故障診斷方法屬于基于故障模型的診斷方法，因此建立精確的故障電機(jī)模型至關(guān)重要。建立雙饋電機(jī)的故障模型有很多方法，比如多回路法，有限元法等。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于在線診斷，故工程上很少應(yīng)用于在線診斷?，F(xiàn)有的雙饋異步電機(jī)定子a相匝間短路故障在三相靜止坐標(biāo)系(abc坐標(biāo)系)下的數(shù)學(xué)模型，該模型可精確識別早期匝間短路故障，但無法識別故障相。

因此，本文將現(xiàn)有的故障模型中短路故障系數(shù)μ改進(jìn)為故障矢量并假設(shè)電機(jī)處于磁路、電路對稱，氣隙分布均勻的理想狀態(tài)，建立了一個包含故障短路回路的數(shù)學(xué)模型，雙饋異步電機(jī)定子a相匝間短路示意圖如圖2所示。

設(shè)故障矢量矢量方向表示故障發(fā)生相，矢量模值為電機(jī)繞組故障短路系數(shù)，即繞組短路匝數(shù)占本條支路總數(shù)的比值，其值越大，故障越嚴(yán)重。若μa、μb、μc分別表示a、b、c相的故障短路系數(shù)，則故障矢量可表示為

按圖2運(yùn)行工況，在兩相靜止坐標(biāo)系(αβ0)中，故障雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型為：

式中：λαβs，λαβr和λcc分別是αβ0坐標(biāo)系中定子，轉(zhuǎn)子和短路繞組中的磁通。uαβs，uαβr，iαβs，iαβr和if分別是αβ0坐標(biāo)系中定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和故障電流。rs，rr和rf分別為定子、轉(zhuǎn)子和故障阻抗。lls、llr和lms分別為定子、轉(zhuǎn)子漏感和定轉(zhuǎn)子互感。lm為αβ0坐標(biāo)系同軸等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感，ls為αβ0坐標(biāo)系同軸等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的自感、lr為αβ0坐標(biāo)系同軸等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的自感。ωr是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。并且：

ls＝lls+lm，lr＝llr+lm，▽＝lrls-l²m。

兩相靜止坐標(biāo)系下電機(jī)的運(yùn)動方程為：

式中：j為轉(zhuǎn)動慣量，b為粘性系數(shù)，tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，te為電磁轉(zhuǎn)矩。

兩相靜止坐標(biāo)系下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩te方程為：

式中：p為極對數(shù)，可以看出，當(dāng)電機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障時，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，一部分為電機(jī)正常工況下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，另一部分為電機(jī)定子繞組匝間短路故障引起的附加電磁轉(zhuǎn)矩。

為了快速檢測和識別匝間短路故障，提出電流估計(jì)差的方法。建立正常狀態(tài)下電機(jī)的動態(tài)模型的觀測器，與實(shí)際電機(jī)dfig進(jìn)行比較，產(chǎn)生電流估計(jì)差。對電流估計(jì)差分解之后進(jìn)行分析，進(jìn)而識別故障。提出的檢測識別策略如圖3所示。

檢測定子、轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之后，通過觀測器計(jì)算出估計(jì)定子電流與實(shí)際電機(jī)的定子電流iαβs進(jìn)行比較產(chǎn)生電流估計(jì)差。定義正常運(yùn)行電流為i′αβs，則

那么觀測器數(shù)學(xué)模型可表示為：

則當(dāng)定子匝間短路故障發(fā)生時，電流估計(jì)差eαβs可以表示為：

式中：e^*αβs為由于電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不對稱引起的固有誤差。如果此項(xiàng)為零，則電流估計(jì)差eαβs可以直接反應(yīng)定子匝間短路故障。然而電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不對稱或其他擾動可能會影響診斷的精確性，從而產(chǎn)生故障誤判，因此需要考慮由于電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不對稱引起的固有誤差。

對于任意的一個正弦量f和正弦復(fù)變量y^sαβ都可以用兩個復(fù)數(shù)指數(shù)的和來表示，即：

式中：為變量的幅值相量；和分別表示變量的正序和負(fù)序分量的相量形式。

通過式(12)的變換方法，式(4)和(5)進(jìn)行序分量變換可得電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型為：

式中：和分別表示定子電壓、電流的正負(fù)序分量。和分別表示轉(zhuǎn)子電壓、電流的正負(fù)序分量。為故障電流相量形式，ωe為電網(wǎng)頻率，s為轉(zhuǎn)差率。該穩(wěn)態(tài)模型與現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)模型很相似，只是本模型中的相量是復(fù)數(shù)，其方向與故障發(fā)生相有關(guān)，具體取值如下：

式中：a＝e^j2π/3。

短路匝電流為：

整理(20)，得故障電流表達(dá)式為：

定義式(21)中故障阻抗為：

則進(jìn)一步整理故障電流，可表示為：

根據(jù)電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型(13)～(16)和故障電流方程(23)，可計(jì)算出正、負(fù)序定子電流，用正、負(fù)序電壓及參數(shù)表示為：

式中：

電機(jī)無故障運(yùn)行時，計(jì)算正、負(fù)序電流為：

式中：為電機(jī)額定阻抗，而zp、zn、zrp、zrn為電機(jī)實(shí)際阻抗，其因溫度或者負(fù)載變化產(chǎn)生變化。根據(jù)由式(24)和(26)、(25)和(27)可計(jì)算得到電流誤差：

式中：(28)、(29)的第一項(xiàng)和第三項(xiàng)均為參數(shù)受環(huán)境、運(yùn)行工況產(chǎn)生非線性變化而引起的誤差，即為(11)中的固有誤差e^*αβs，第二項(xiàng)由定子匝間故障引起。根據(jù)作者發(fā)表的文獻(xiàn)中提供的在線測量方法，實(shí)時測量雙饋電機(jī)參數(shù)，這樣正序電流和電流估計(jì)差負(fù)序分量則可以用于定子匝間短路故障診斷。

式(28)中，電流估計(jì)差正序分量eisp中第一項(xiàng)固有誤差參數(shù)與第三項(xiàng)參數(shù)都要乘以正序電壓，而正序電壓為電機(jī)正常運(yùn)行電壓，數(shù)值為額定值時會很大。故而由于參數(shù)不平衡或其他干擾引起的誤差乘以正序電壓后，會導(dǎo)致eisp很大，即正序電壓對電流誤差影響較大。式(29)中，電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn中第一項(xiàng)與第三項(xiàng)固有誤差參數(shù)都要乘以負(fù)序電壓，在我國國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t15543-2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡度》中規(guī)定：電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，電網(wǎng)負(fù)序電壓必須低于正序電壓的2％，短時不超過4％(雙饋電機(jī)定子側(cè)接電網(wǎng)電壓)。常規(guī)并網(wǎng)條件下，雙饋轉(zhuǎn)子側(cè)變流器一般采用定子電壓或定子磁鏈定向的雙閉環(huán)雙pi結(jié)構(gòu)矢量控制，外環(huán)為定子輸出有功和無功功率控制環(huán)，跟蹤功率指令得到轉(zhuǎn)子電流給定，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子dq軸電流控制環(huán)，跟蹤外環(huán)輸出的轉(zhuǎn)子電流給定得到的轉(zhuǎn)子電壓指令。因此轉(zhuǎn)子電壓受功率環(huán)影響，負(fù)載變化會影響轉(zhuǎn)子電壓，轉(zhuǎn)子電壓會存在不可忽略的負(fù)序分量。故應(yīng)先在線辨識雙饋電機(jī)實(shí)際阻抗，以濾除非故障因素帶來影響。

在檢測出電機(jī)實(shí)時參數(shù)后，電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn可以用來檢測定子匝間短路。忽略(28)、(29)中的定子負(fù)序電壓，則電流誤差的正、負(fù)序分量可以表示為：

式中：電流估計(jì)差負(fù)序分量體現(xiàn)了故障相信息而電流誤差正序分量沒有體現(xiàn)。

忽略定子負(fù)序電壓，則式(23)可表示為：

將(32)帶入(30)、(31)中，得：

由(34)可以看出，通過實(shí)時測量電機(jī)參數(shù)，濾除電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn中固有誤差部分，使其僅與故障相量和故障電流相關(guān)，可以避免因參數(shù)不平衡、負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化引起的影響。

為了量化故障嚴(yán)重程度，選擇合理的報警閾值，當(dāng)故障發(fā)生時切斷與風(fēng)力機(jī)的聯(lián)系，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，引入故障嚴(yán)重程度因子ξ。用表示匝間短路故障對電機(jī)電流的影響，將其與電機(jī)額定電流的比值定義為故障嚴(yán)重程度因子ξ。

式中：in為電機(jī)額定電流，由估計(jì)誤差分解計(jì)算可得

要獲得電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn，必須對電流估計(jì)差eαβs進(jìn)行分解。將電流估計(jì)差eαβs投影到反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，則此坐標(biāo)系中，電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn為直流信號，電流估計(jì)差正序分量eisp為兩倍電網(wǎng)頻率的交流信號，經(jīng)低通濾波器可得電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn的直流信號。

獲得eisn直流信號后，可以重構(gòu)故障信號由式(30)、(31)可知，與之和為固有誤差e^*αβs，eisp第二項(xiàng)與eisn的第一項(xiàng)有相同的幅值，只是前者不含故障相信息，且eisp的第二項(xiàng)的相角為的相角減去的相角。因此一旦獲得eisn直流信號后，可重構(gòu)故障信號過程如圖4所示。

獲得eisn信號之后，由式(31)，便可獲得故障相信息。由式(31)可以看出，故障相的故障系數(shù)角由相角相角φzf和相角所決定。由于電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn已獲得，故障阻抗相角φzf可由(22)可以看出略小于φ(rs+jωells)(取決于rf的值)，正序電壓相角可以測量，所以可以估算得到故障相的故障系數(shù)角

式中：當(dāng)故障分別發(fā)生在a、b、c相時，故障相的故障系數(shù)角分別為0、2π/3或4π/3。

因此，如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于電流估計(jì)差的海上雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路早期故障辨識方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：獲取待故障識別的海上雙饋電機(jī)定子三相電壓、轉(zhuǎn)子三相電壓、定子三相電流、轉(zhuǎn)子三相電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

步驟2：將獲得的三相信號轉(zhuǎn)換到dq軸坐標(biāo)系，每一個采樣周期ts，計(jì)算輸出一組電機(jī)參數(shù)ls、lr、lm、rs、rr；將獲得的三相信號轉(zhuǎn)換到αβ軸坐標(biāo)系，通過觀測器計(jì)算出估計(jì)定子電流，計(jì)算出估計(jì)電流差并分解，得到故障嚴(yán)重程度因子ξ；

in為電機(jī)額定電流，由估計(jì)誤差分解計(jì)算可得

步驟3：判斷匝間短路故障引起的故障嚴(yán)重程度ξ幅值是否到達(dá)故障預(yù)警值，若是則該待故障識別的海上雙饋電機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障。

所述的步驟2具體為：

(201)將采集的三相信號變換到dq軸坐標(biāo)系，通過每一采樣周期ts計(jì)算輸出一組電機(jī)參數(shù)ls、lr、lm、rs、rr，其計(jì)算式為：

式中：usd、usq、isd、isq分別是定子電壓、電流的d、q軸分量；urd、urq、ird、irq分別是轉(zhuǎn)子電壓、電流。ω1為定子電流角頻率(50hz)，ω2為轉(zhuǎn)子電流角頻率。

以ts采樣周期，將上述兩式離散化，得到離散的雙饋電機(jī)dq坐標(biāo)系下最小二乘法標(biāo)準(zhǔn)形式的矩陣式：

由于電機(jī)的實(shí)際參數(shù)受運(yùn)行工況與狀態(tài)等因素影響而產(chǎn)生非線性變化，采用遞推最小二乘法，由k-1+n組數(shù)據(jù)獲得參數(shù)估計(jì)當(dāng)增加一組采樣數(shù)據(jù)時做一些修正，得到新的估計(jì)結(jié)果迭代公式為

式中初始值可設(shè)置為p(0)＝π0i，其中π0為常數(shù)，α0、β0、γ0為待測參數(shù)初始數(shù)值。

對于公式(38)，采樣數(shù)據(jù)

對于公式(39)，采樣數(shù)據(jù)

(202)將采集的三相信號變換到αβ軸坐標(biāo)系，根據(jù)式(9)、(10)計(jì)算出估計(jì)定子電流

(203)根據(jù)式(11)算出電流估計(jì)差eαβs可以表示為

(204)將電流估計(jì)差eαβs投影到反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，在此坐標(biāo)系中，電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn為直流信號，電流估計(jì)差正序分量eisp為兩倍電網(wǎng)頻率的交流信號，經(jīng)低通濾波器可得電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn的直流信號。(本文所說的正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系角速度為電網(wǎng)頻率ωe，反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系角速度為-ωe)；

(205)根據(jù)圖4，投影到正向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，得到電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn。電流估計(jì)差負(fù)序分量eisn的直流信號投影到以角度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系得到不含固有誤差信息的信號，將之與eisn作和便可重構(gòu)故障信號

(206)由式(35)可計(jì)算出故障嚴(yán)重程度因子ξ，

(207)由式(36)可計(jì)算出故障相的故障系數(shù)角

仿真和實(shí)驗(yàn)時電網(wǎng)電壓為對稱的三相電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差10％，信號測量時采樣周期ts為50μs，正常工作時定子有功給定為-3000w(以流入電機(jī)的功率為正方向)，無功給定為0var，為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，故障時使系統(tǒng)降額運(yùn)行，即發(fā)生匝間短路故障時，定子有功給定為-2700w，無功給定為0var。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

為了更清晰的展示定轉(zhuǎn)子電流正常狀態(tài)與故障狀態(tài)之間的區(qū)別，仿真中設(shè)定定子繞組在t＝1s時發(fā)生故障矢量為[10]^t*0.045的匝間短路故障，即故障發(fā)生在a相，2匝短路(短路系數(shù)為0.045)，實(shí)驗(yàn)波形如圖5(a)所示；在實(shí)驗(yàn)波形5(b)中，定子繞組在t＝0.4s時刻發(fā)生于仿真同類型的故障。圖5(c)和圖5(d)分別為仿真和實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)子電流波形。

由圖5可得，當(dāng)電機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障時，仿真電流波形與實(shí)驗(yàn)電流波形變化趨勢基本一致，仿真與實(shí)驗(yàn)相互印證，說明仿真的正確性。發(fā)生匝間短路故障后，故障相(a相)電流幅值減小，非故障相(b、c相)電流幅值增大，這是由于匝間短路后，a相的有效繞組變小，使得a相發(fā)出電流幅值減??；同時，定子端電壓保持不變，在功率恒定的情況下b、c相發(fā)出的電流幅值將會相應(yīng)增大。且定子繞組發(fā)生匝間短路時，轉(zhuǎn)子電流諧波含量增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流波形不平滑。

為了觀察故障特征量，驗(yàn)證故障診斷方法有效性，設(shè)定仿真中定子繞組在t＝1s時發(fā)生故障矢量為[10]^t*0.01的匝間短路故障，模擬故障發(fā)生在a相的2匝匝間短路(短路系數(shù)為0.01)，故障特征量如圖6所示。

由圖6中可以看出，當(dāng)發(fā)生2匝輕微短路故障時，正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的故障嚴(yán)重程度區(qū)別明顯，電流估計(jì)差可識別輕微匝間短路故障。

實(shí)驗(yàn)中a相定子繞組在t＝0.392s時發(fā)生2匝匝間短路故障(短路系數(shù)為0.01)，如圖7(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)故障前后的故障特征量變化較為明顯。圖7(b)中電機(jī)固有誤差變化不大，符合實(shí)際。

為了驗(yàn)證發(fā)生輕微故障時，故障特征量對故障嚴(yán)重程度及故障相識別的靈敏性、準(zhǔn)確性，三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中定子繞組的a、b、c相分別在t＝0.392s、t＝0.362s、t＝0.403s時發(fā)生2匝匝間短路故障(短路系數(shù)為0.01)，故障相角及故障嚴(yán)重程度如圖8所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)故障分別發(fā)生在a、b、c相時，本模型能識別不同故障相及故障嚴(yán)重程度。

圖9給出了不同故障系數(shù)下的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由于仿真時的故障電機(jī)模型為理想電機(jī)，忽略各種實(shí)際運(yùn)行中的客觀因素，如電機(jī)運(yùn)行中的溫度、軸間阻尼、摩擦系數(shù)等。而實(shí)驗(yàn)時這些因素客觀存在且不可忽略，并且由于實(shí)際電機(jī)各種參數(shù)的非線性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)得到的故障嚴(yán)重程度略大于理想工況下(電網(wǎng)電壓平衡、電機(jī)理想對稱、信號檢測無誤差)的仿真值。由圖9可看出，兩者故障嚴(yán)重程度變化規(guī)律一直，說明了本文所建立的故障模型的正確性，驗(yàn)證了電流估計(jì)差能實(shí)驗(yàn)對早期故障的診斷，且本文的公式推導(dǎo)時正確的。

前文已驗(yàn)證了本文建模方法的正確性，為了更深入的分析本文所提出的故障特征量隨故障的變化特性，在實(shí)驗(yàn)條件受限的情況下(例如：短路匝數(shù)不可隨意設(shè)置、實(shí)驗(yàn)時不能確定信號檢測是否存在誤差、不能確定電機(jī)固有不對稱程度)，結(jié)合仿真進(jìn)一步分析。

工程上的電網(wǎng)電壓存在一定程度的不平衡，實(shí)際電機(jī)不可能做到完全對稱，且信號檢測時不可避免的會存在誤差，故研究工程上可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行工況對電流估計(jì)差的影響是有必要的。仿真時雙饋電機(jī)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)一致，如圖10-12是在不同運(yùn)行工況下的仿真結(jié)果，仿真中短路系數(shù)從0(無故障)增加到0.1(20匝匝間短路)。

由圖10可知，電網(wǎng)電壓不平衡下的非理想工況仿真結(jié)果與理想工況下仿真結(jié)果存在微小差異，因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓不平衡為外部影響因子，對觀測器與實(shí)際電機(jī)的定子電流計(jì)算同時存在誤差，但兩者之差可將誤差抵消。

由圖11可知，電機(jī)不對稱下的非理想工況仿真結(jié)果與理想工況下仿真結(jié)果差異微小，因?yàn)樘崛」收咸卣髁繒r已濾除電機(jī)固有不對稱影響，仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)吻合。

由圖12可知，定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電壓信號同時存在檢測誤差下的非理想工況仿真結(jié)果與理想工況下仿真結(jié)果有一定差異，但變化趨勢一致。

綜上所述，通過剔除固有誤差的影響，本文提出診斷方法對電機(jī)固有不對稱、信號檢測誤差和定子電壓不對稱具有魯棒性。