永磁同步发电机定子绕组匝间短路故障数学模型及其仿真

    曲忠杰 张志艳 李丽

    

    

    

    摘要：针对永磁同步发电机定子绕组匝间短路故障问题，在分析PMSG通用数学模型的基础上，引入匝间短路故障因子，推导出三相静止坐标系下的定子绕组匝间短路故障数学模型;然后基于Matlab/Simulink建立了仿真模型，采用时域仿真分析法和FFT分析，研究了PMSG分别在正常和定子A相绕组匝间短路不同严重程度下的运行工况.结果表明：PMSG定子电流的值会随故障严重程度的加剧而增大，只有当定子绕组的短路匝数达到一定数目时，对应的定子电流的幅值变化才会比较明显.

    关键词：永磁同步发电机; 匝间短路; 数学模型仿真

    中图分类号：TM712文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.014

    文章编号：2096-1553（2019）01-0101-08

    0 引言

    在新能源发电形式中， 风能以其环保、可再生、蕴藏量丰富等特点成为最具开发潜力的清洁能源之一.目前双馈风电机组是使用最为普遍的一种风电机型[1]，然而近年来，随着新型电机控制理论和稀土永磁材料技术的快速发展，永磁同步发电机PMSG （permanent magnet synchronous generator）已成为一种发展较快的新型发电机[2].PMSG具有气隙磁密度高、转矩脉动小、转矩/惯量比大的优点，与传统的异步发电机相比，节能效果明显、效率高、结构简单、维护容易、运行稳定、可靠性高、输出转矩大[3]，因此得到了越来越广泛的应用和重视.永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障是一种常见故障，破坏性很强，常带来经济损失和人员伤亡，因而及早发现该电机故障具有非常重要的意义[4].目前，国内外针对电机短路故障的识别与诊断提出了很多有效的办法[5-11].文献[5]基于小波熵分析提取故障信号，对电机故障进行诊断.文献[6]基于转子电流和线圈电压，通过分析谐波分量诊断双馈发电机定子匝间故障，并进行了仿真分析.文献[7]基于参数模型，在Matlab /Simulink环境下建立电机矢量控制仿真模型，针对不同故障程度对永磁同步电机定子绕组匝间短路故障进行了研究.文献[8]提出通过分析转子电流调制信号来检测双馈电机定子绕组故障，并给出了该方式适用的系统.文献[9]基于Lissajous方法将交流电机定子三相电流和电压提供的信息融合成动态图形，并应用Lissajous倾角对电机定子匝间短路故障进行诊断.文献[10-11]均研究了双馈感应发电机定子匝间短路故障的特性：其中，文献[10]是基于匝间短路故障时的电磁特性，对正常情况和不同程度匝间短路故障情况进行了仿真计算，并分别对定子侧电流和转子侧电流进行频谱分析，得到了谐波变化规律;而文献[11]是以负序电流作为故障特征量进行诊断，建立双馈异步发电机仿真模型，通过改变模型中短路匝数和短路电阻的大小实现了匝间短路故障模拟.以上文献主要是对常规电机，或是作为市场主流机型的双馈电机的故障诊断，而针对永磁电机尤其是永磁风力发电机的匝间短路故障诊断研究较少.鉴于此，本文在分析电机传统数学模型的基础上，拟建立abc坐标下的PMSG定子匝间短路故障的数学模型，并基于Matlab/Simulink建立仿真模型，研究PMSG出现定子绕组匝间短路故障时定子相电流的特征，以期为PMSG定子绕组故障诊断提供理论依据.

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    [7]刘毅，郑志国.基于参数模型永磁同步电机定子绕组匝间短路故障研究[J].电机与控制应用，2015，42（10）：48.

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    [10]李俊卿，王栋，何龙.双馈式感应发电机定子匝间短路故障稳态分析[J].电力系统自动化，2013，37（18）：103.

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