曲忠傑 張志艷 李麗
摘要：針對永磁同步發電機定子繞組匝間短路故障問題，在分析PMSG通用數學模型的基礎上，引入匝間短路故障因子，推導出三相靜止坐標系下的定子繞組匝間短路故障數學模型;然後基於Matlab/Simulink建立了仿真模型，採用時域仿真分析法和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重程度下的運行工況.結果表明：PMSG定子電流的值會隨故障嚴重程度的加劇而增大，只有當定子繞組的短路匝數達到一定數目時，對應的定子電流的幅值變化才會比較明顯.
關鍵詞：永磁同步發電機; 匝間短路; 數學模型仿真
中圖分類號：TM712文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.014
文章編號：2096-1553（2019）01-0101-08
0 引言
在新能源發電形式中， 風能以其環保、可再生、蘊藏量豐富等特點成為最具開發潛力的清潔能源之一.目前雙饋風電機組是使用最為普遍的一種風電機型[1]，然而近年來，隨著新型電機控制理論和稀土永磁材料技術的快速發展，永磁同步發電機PMSG （permanent magnet synchronous generator）已成為一種發展較快的新型發電機[2].PMSG具有氣隙磁密度高、轉矩脈動小、轉矩/慣量比大的優點，與傳統的異步發電機相比，節能效果明顯、效率高、結構簡單、維護容易、運行穩定、可靠性高、輸出轉矩大[3]，因此得到了越來越廣泛的應用和重視.永磁同步風力發電機定子繞組匝間短路故障是一種常見故障，破壞性很強，常帶來經濟損失和人員傷亡，因而及早發現該電機故障具有非常重要的意義[4].目前，國內外針對電機短路故障的識別與診斷提出了很多有效的辦法[5-11].文獻[5]基於小波熵分析提取故障信號，對電機故障進行診斷.文獻[6]基於轉子電流和線圈電壓，通過分析諧波分量診斷雙饋發電機定子匝間故障，並進行了仿真分析.文獻[7]基於參數模型，在Matlab /Simulink環境下建立電機矢量控制仿真模型，針對不同故障程度對永磁同步電機定子繞組匝間短路故障進行了研究.文獻[8]提出通過分析轉子電流調製信號來檢測雙饋電機定子繞組故障，並給出了該方式適用的系統.文獻[9]基於Lissajous方法將交流電機定子三相電流和電壓提供的信息融合成動態圖形，並應用Lissajous傾角對電機定子匝間短路故障進行診斷.文獻[10-11]均研究了雙饋感應發電機定子匝間短路故障的特性：其中，文獻[10]是基於匝間短路故障時的電磁特性，對正常情況和不同程度匝間短路故障情況進行了仿真計算，並分別對定子側電流和轉子側電流進行頻譜分析，得到了諧波變化規律;而文獻[11]是以負序電流作為故障特徵量進行診斷，建立雙饋異步發電機仿真模型，通過改變模型中短路匝數和短路電阻的大小實現了匝間短路故障模擬.以上文獻主要是對常規電機，或是作為市場主流機型的雙饋電機的故障診斷，而針對永磁電機尤其是永磁風力發電機的匝間短路故障診斷研究較少.鑒於此，本文在分析電機傳統數學模型的基礎上，擬建立abc坐標下的PMSG定子匝間短路故障的數學模型，並基於Matlab/Simulink建立仿真模型，研究PMSG出現定子繞組匝間短路故障時定子相電流的特徵，以期為PMSG定子繞組故障診斷提供理論依據.
參考文獻：
[1]丁明，李賓賓，韓平平.雙饋風電機組運行方式對系統電壓穩定性的影響[J].電網技術， 2010，34（10）：26.
[2]蘇曉丹，紀志成.PMSM定子匝間短路故障建模與仿真研究[C]∥2007中國控制與決策學術年會論文集.瀋陽：東北大學出版社，2007：615-618.
[3]銀英君，林榮文.基於Simulink永磁同步電機矢量控制系統仿真[J].東方電氣評論， 2010，6（24）：55.
[4]崔勝民，柏睿，崔淑梅.PMSM在abc坐標下的建模及故障仿真[J].機械設計與製造， 2011（7）： 178.
[5]郭清，夏虹，韓文偉.基於小波熵與BP神經網絡的電機故障信號研究[J].儀表技術與傳感器，2014 （1）： 96.
[6]SHAH D，NANDI S，NETI P.Stator＼|interturn＼|fault detection of doubly fed induction generators using rotor＼|current and search＼|coil＼|voltage signature analysis [J].IEEE Transactions on Industry Applications，2008，45（5）：1831.
[7]劉毅，鄭志國.基於參數模型永磁同步電機定子繞組匝間短路故障研究[J].電機與控制應用，2015，42（10）：48.
[8]STEFANI A， YAZIDI A， ROSSI C， et al. Doubly fed induction machines diagnosis based on signature analysis of rotor modulating signals[J].IEEE Trasactions on Industry Applications，2008，44（6）：1711.
[9]劉沛津，谷立臣.異步電機負序分量融合方法及其在定子匝間短路故障診斷中的應用[J].中國電機工程學報，2013，33（15）：119.
[10]李俊卿，王棟，何龍.雙饋式感應發電機定子匝間短路故障穩態分析[J].電力系統自動化，2013，37（18）：103.
[11]馬宏忠，張志艷，張志新，等.雙饋異步發電機定子匝間短路故障診斷研究[J].電機與控制學報，2011，15（11）： 50.
[12]黃守道，鄧建國，羅德榮.電機瞬態過程分析的MATLAB建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2013.
摘要：針對永磁同步發電機定子繞組匝間短路故障問題，在分析PMSG通用數學模型的基礎上，引入匝間短路故障因子，推導出三相靜止坐標系下的定子繞組匝間短路故障數學模型;然後基於Matlab/Simulink建立了仿真模型，採用時域仿真分析法和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重程度下的運行工況.結果表明：PMSG定子電流的值會隨故障嚴重程度的加劇而增大，只有當定子繞組的短路匝數達到一定數目時，對應的定子電流的幅值變化才會比較明顯.
關鍵詞：永磁同步發電機; 匝間短路; 數學模型仿真
中圖分類號：TM712文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.014
文章編號：2096-1553（2019）01-0101-08
0 引言
在新能源發電形式中， 風能以其環保、可再生、蘊藏量豐富等特點成為最具開發潛力的清潔能源之一.目前雙饋風電機組是使用最為普遍的一種風電機型[1]，然而近年來，隨著新型電機控制理論和稀土永磁材料技術的快速發展，永磁同步發電機PMSG （permanent magnet synchronous generator）已成為一種發展較快的新型發電機[2].PMSG具有氣隙磁密度高、轉矩脈動小、轉矩/慣量比大的優點，與傳統的異步發電機相比，節能效果明顯、效率高、結構簡單、維護容易、運行穩定、可靠性高、輸出轉矩大[3]，因此得到了越來越廣泛的應用和重視.永磁同步風力發電機定子繞組匝間短路故障是一種常見故障，破壞性很強，常帶來經濟損失和人員傷亡，因而及早發現該電機故障具有非常重要的意義[4].目前，國內外針對電機短路故障的識別與診斷提出了很多有效的辦法[5-11].文獻[5]基於小波熵分析提取故障信號，對電機故障進行診斷.文獻[6]基於轉子電流和線圈電壓，通過分析諧波分量診斷雙饋發電機定子匝間故障，並進行了仿真分析.文獻[7]基於參數模型，在Matlab /Simulink環境下建立電機矢量控制仿真模型，針對不同故障程度對永磁同步電機定子繞組匝間短路故障進行了研究.文獻[8]提出通過分析轉子電流調製信號來檢測雙饋電機定子繞組故障，並給出了該方式適用的系統.文獻[9]基於Lissajous方法將交流電機定子三相電流和電壓提供的信息融合成動態圖形，並應用Lissajous傾角對電機定子匝間短路故障進行診斷.文獻[10-11]均研究了雙饋感應發電機定子匝間短路故障的特性：其中，文獻[10]是基於匝間短路故障時的電磁特性，對正常情況和不同程度匝間短路故障情況進行了仿真計算，並分別對定子側電流和轉子側電流進行頻譜分析，得到了諧波變化規律;而文獻[11]是以負序電流作為故障特徵量進行診斷，建立雙饋異步發電機仿真模型，通過改變模型中短路匝數和短路電阻的大小實現了匝間短路故障模擬.以上文獻主要是對常規電機，或是作為市場主流機型的雙饋電機的故障診斷，而針對永磁電機尤其是永磁風力發電機的匝間短路故障診斷研究較少.鑒於此，本文在分析電機傳統數學模型的基礎上，擬建立abc坐標下的PMSG定子匝間短路故障的數學模型，並基於Matlab/Simulink建立仿真模型，研究PMSG出現定子繞組匝間短路故障時定子相電流的特徵，以期為PMSG定子繞組故障診斷提供理論依據.
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[2]蘇曉丹，紀志成.PMSM定子匝間短路故障建模與仿真研究[C]∥2007中國控制與決策學術年會論文集.瀋陽：東北大學出版社，2007：615-618.
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[4]崔勝民，柏睿，崔淑梅.PMSM在abc坐標下的建模及故障仿真[J].機械設計與製造， 2011（7）： 178.
[5]郭清，夏虹，韓文偉.基於小波熵與BP神經網絡的電機故障信號研究[J].儀表技術與傳感器，2014 （1）： 96.
[6]SHAH D，NANDI S，NETI P.Stator＼|interturn＼|fault detection of doubly fed induction generators using rotor＼|current and search＼|coil＼|voltage signature analysis [J].IEEE Transactions on Industry Applications，2008，45（5）：1831.
[7]劉毅，鄭志國.基於參數模型永磁同步電機定子繞組匝間短路故障研究[J].電機與控制應用，2015，42（10）：48.
[8]STEFANI A， YAZIDI A， ROSSI C， et al. Doubly fed induction machines diagnosis based on signature analysis of rotor modulating signals[J].IEEE Trasactions on Industry Applications，2008，44（6）：1711.
[9]劉沛津，谷立臣.異步電機負序分量融合方法及其在定子匝間短路故障診斷中的應用[J].中國電機工程學報，2013，33（15）：119.
[10]李俊卿，王棟，何龍.雙饋式感應發電機定子匝間短路故障穩態分析[J].電力系統自動化，2013，37（18）：103.
[11]馬宏忠，張志艷，張志新，等.雙饋異步發電機定子匝間短路故障診斷研究[J].電機與控制學報，2011，15（11）： 50.
[12]黃守道，鄧建國，羅德榮.電機瞬態過程分析的MATLAB建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2013.
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