一种永磁同步发电机匝间短路故障鲁棒检测方法

1.本发明涉及永磁同步发电机定子绕组匝间短路故障检测技术领域，特别是一种永磁同步发电机匝间短路故障鲁棒检测方法。


背景技术：

2.永磁同步发电机(pmsg)广泛应用于航空航天、轨道交通、可再生能源等领域，是装备制造业的重要组成部分。pmsg遍及各个领域的同时，也产生了关键系统的可靠性问题。匝间短路故障是pmsg最常见的故障之一，严重威胁电机的安全运行。因此，pmsg匝间短路故障的可靠检测尤其重要，及时采取有效措施避免灾难性故障。
3.国内外学者已经提出了许多电机定子匝间短路故障检测方法，这些方法大多基于信号分析。基于电机电流特征分析(mcsa)和机器电压特征分析(mvsa)的故障检测方法具有非侵入性、适应性广、故障信号源易获得等优点而被广泛使用。定子电流中边频分量的幅值可以检测匝间短路故障和评估故障严重度，基于对称分量分析方法的零序和负序分量可作为故障检测指标。此外，利用高频信号注入、park电流和电压矢量、轴向漏磁通、电磁转矩和序阻抗等分析方法也能实现故障检测。
4.基于闭环控制策略的pmsg广泛用于机电系统中。在闭环控制系统中，几乎所有的电气变量对调节器带宽都很敏感，因此当使用不同的调节器或改变调节器带宽时，会抑制这些信号中故障信息的表达，基于电机信号分析的匝间短路故障检测可能会失效。然而，目前的检测方法没有考虑闭环调节器带宽对故障信息的影响，这些方法对调节器带宽的鲁棒性有待验证。一般来说，在永磁同步电机(pmsm)的闭环驱动系统中，故障信息分布在电流、电压和电磁转矩之间，而且故障信息在这些电气变量中的幅值和分布程度随着速度和电流调节器带宽的变化而变化。因为闭环控制极大地改变了电气信号的行为，使分析变得复杂，因此闭环调节器带宽在故障检测方面的研究不多。目前在变频电机上验证了电流调节器带宽对匝间短路故障检测的影响，然而，发电机和电动机的工作状态不同，这些方法应用于发电机的有效性还有待验证。如上所述，分析调节器带宽对pmsg电气变量的影响，然后提出一种可靠的匝间短路故障检测方法，是非常必要和有意义的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种永磁同步发电机匝间短路故障鲁棒检测方法。
6.实现上述目的本发明的技术方案为，一种永磁同步发电机匝间短路故障鲁棒检测方法，该方法包括两个部分：第一部分是对电流调节器带宽具有鲁棒性的匝间短路故障检测；第二部分是对电流调节器和电压调节器带宽具有鲁棒的匝间短路故障检测。
7.所述对电流调节器带宽具有鲁棒性的匝间短路故障检测是利用故障状态下二次谐波与健康状态下二次谐波的幅值之比来实现的，将故障后直流侧电压二次谐波记为：v
fdc2
，将故障前直流侧电压二次谐波记为：v
dc2
，二者的比值记为：a
vdc
，a
vdc
能够作为故障检
测指标，其如下式所示：
[0008][0009]
所述a
vdc
在健康状态下的值是1，在故障状态下大于1，由于直流侧电压中故障特征量不受电流调节器带宽的影响，所以利用故障前后二次谐波的比值能够可靠检测匝间短路故障，对电流调节器带宽具有鲁棒性，所述幅值之比是指电流比和电压比。
[0010]
所述对电流调节器和电压调节器带宽具有鲁棒的匝间短路故障检测是将匝间短路故障后q轴电流、q轴电压和直流侧电压中的二次谐波与故障前q轴电流、q轴电压和直流侧电压中的二次谐波的比值进行加权，以此作为故障检测指标；q轴电流记为：iq，q轴电压记为：vq，直流侧电压记为v
dc
，所述iq、vq和v
dc
在匝间短路之后的二次谐波幅值与匝间短路之前的二次谐波幅值的比值分别记为：a
iq
、a
vq
和a
vdc
；选择 a
iq
和a
vq
中较大者与a
vdc
进行加权，表达式为：
[0011][0012]
由式(29)可以得出，该故障检测指标是iq(或vq)和v
dc
中二次谐波比值的加权和，权重w
iq
(或w
vq
)和w
vdc
应随着电流调节器和电压调节器带宽的变化而变化，权重的分配规则如下：
[0013][0014]
由于健康状态下故障检测指标结果为1，因此通过在线计算得到故障状态下检测指标的数值就等于健康状态下的倍数。
[0015]
在不同的调节器带宽下，匝间短路故障后q轴电流、q轴电压和直流侧电压中的二次谐波与故障前q轴电流、q轴电压和直流侧电压中的二次谐波的比值进行加权的权重是不同的，比值越小权重越低，比值越大权重越高，这样才能让检测指标对调节器带宽有较高的鲁棒性，从而实现可靠检测。
[0016]
有益效果
[0017]
利用本发明的技术方案制作的一种永磁同步发电机匝间短路故障鲁棒检测方法，其具有如下优势：
[0018]
1、本方法能够始终适应电流和电压调节器带宽的变化，其中一个故障检测指标是简单实用的故障检测指标，另一个故障检测指标对q 轴电流、q轴电压和直流测电压的二次谐波进行加权，以提高检测精度；
[0019]
2、本方法中一个故障检测指标具有简单实用的效果，只需要在线计算故障前后二次谐波幅值之比就能够实现匝间短路故障的检测，具有计算量小、存储要求低的显著优点。
附图说明
[0020]
图1是本发明所述pmsg双环稳压控制结构框图；
[0021]
图2是本发明所述永磁同步发电机定子匝间短路故障等效电路图；
[0022]
图3是本发明所述同步旋转坐标系电流闭环控制框图；
[0023]
图4是本发明所述匝间短路故障时不同电流调节器带宽下的dq电流和电压中二次谐波幅值图；
[0024]
图5是本发明同步旋转坐标系电压闭环控制框图；
[0025]
图6是本发明所述匝间短路故障时不同电压调节器带宽下的q轴电流、q轴电压和直流侧电压中二次谐波幅值图；
[0026]
图7是本发明实施例1所述pmsg匝间短路故障检测试验平台的实物图；
[0027]
图8是本发明实施例1所述故障相绕组构成示意图；
[0028]
图9是本发明实施例1所述名匝间短路故障前后不同电流调节器带宽下dq电流、dq电压和直流侧电压中二次谐波幅值图；
[0029]
图10是本发明实施例1所述匝间短路故障前后不同电压调节器带宽下q轴电流、q轴电压和直流侧电压中二次谐波幅值图；
[0030]
图11是本发明实施例1所述匝间短路故障前后不同电流和电压调节器带宽下q轴电流、q轴电压和直流侧电压中二次谐波幅值图；
[0031]
图12是本发明实施例1所述不同电流和电压调节器带宽下电流比、电压比图；
[0032]
图13是本发明实施例1所述不同电流和电压调节器带宽下故障检测指标图；
[0033]
图14是本发明实施例1所述实验电机参数表。
具体实施方式
[0034]
本技术技术方案在实施过程中，永磁同步发电机匝间短路故障数学模型的构建过程如下：
[0035]
首先，建立三相pmsg定子匝间短路等效电路图，如图1所示，图中每相均由电阻(rs)、自感和互感(l和m)以及反电动势(e
abc
)构成，通过一个代表匝间绝缘退化程度的短路电阻(rf)将a相部分绕组短路，在a相引入匝间短路故障，同时在故障环路产生短路环流(if)， a相被分为无故障绕组(ah)和故障绕组(af)，匝间短路故障严重程度由rf和短路匝比δ决定，δ定义为被短路匝数(nf)与故障相总匝数 (ns)之比，即δ＝nf/ns；
[0036]
其次，将静止坐标系中的电机方程通过坐标变化转换到同步旋转坐标系中进行控制，采用转子零位置时q轴与a相坐标轴重合的同步旋转坐标系，abc坐标系到dq坐标系的park变换矩阵如式(1)所示：
[0037][0038]
再次，由于表贴式永磁同步发电机，其d轴电感和q轴电感相等，匝间短路故障时pmsg在dq坐标系中的电压方程为：
[0039][0040][0041]
其中r
af
＝δ
·
rf，λ
pm
为永磁体磁通量，与无故障时dq坐标系电压方程相比可知，匝间短路在电压中引入包含短路环流(if)的故障分量，通常，abc各相反电动势均含有明显的三次谐波电压，因此在发生匝间短路后，短路环流中也会含有明显的三次谐波，为了进一步描述电压方程和中故障分量的特征，可将短路环流假设为式(忽略了if中更高次的谐波)：
[0042]
if＝i
f1
sin(θe+φ
f1
)+i
f3
sin(3θe+φ
f3
)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0043]
其中，i
f1
和i
f3
分别是基波和三次谐波的幅值；φ
f1
和φ
f3
分别是基波和三次谐波的相位角，将(4)带入(2)、(3)中可得：
[0044][0045][0046]
由故障后dq电压公式表明，匝间短路使dq电压发生直流量偏移、同时引入二次和
四次等偶次谐波。额外的成分不仅受电机运行条件和参数的影响，而且还与匝间短路故障严重程度有关。短路环流中基波分量决定了直流量偏移的程度，同时也与其三次谐波分量共同决定了 dq电压中的二次谐波和四次谐波。
[0047]
从电流的角度，当电机发生匝间短路故障时，在不平衡的三相绕组中产生三次谐波电流，dq轴电流中存在二、四次谐波，导致发电机直流侧电压输出中出现二、四次谐波。由于二次谐波对匝间短路故障更敏感，所以更有利于故障检测。为了提高检测精度，通过结合dq轴电流、dq轴电压和直流侧电压的二次谐波来检测故障，而不是单独使用这些信号中的二次谐波。
[0048]
电流调节器带宽影响
[0049]
电机定子侧交流量通过park变换可转换为直流量，所以在同步旋转坐标系中，直流电机pi调节器的设计方法可以应用到交流电机的闭环控制中。根据电机参数和pi调节器预设带宽ωc进行调节器的比例增益和积分增益设置：
[0050][0051]
在此基础上，通过对消r-l系统的一个极点和pi调节器的一个零点，电流闭环控制系统的传递函数可以被设置为一阶低通滤波器函数，闭环系统传递函数为：
[0052][0053]
在电机转动惯量或者负载足够大时，交流电机可以用带有恒定扰动电压(反电动势ed和eq)的r-l模型表示，如图3所示。其中，反电势的扰动可以通过在调节器输出端进行前馈补偿来消除，前馈补偿电压可以由dq电流进行估计：
[0054][0055]
pi电流调节器及前馈补偿之后的d轴和q轴电压可以表示为：
[0056][0057][0058]
分别联立d轴电压方程(5)和(10)、q轴电压方程(6)和(11)，忽略其中的四次谐波，可以导出分别以d轴和q轴电流为变量的二阶微分方程，如下所示：
[0059][0060][0061]
在特定的操作条件下稳定运行时，电机的参数可以由其平均值表示，因此式(12)和式(13)可以认为是id和iq的二阶常系数线性微分方程。通过求解式(12)和式(13)，id和iq中的二次谐波，分别记为i
d2
和i
q2
，可以导出为：
[0062][0063][0064]
其中，
[0065][0066][0067][0068][0069]
δd＝2θe+φo+φ
d δq＝2θe+φ
′o+φq[0070]
[0071][0072][0073]
其中，φo和φ’o
定义为短路环路阻抗角；相角φd和φq与电机参数和调节器带宽相关；从式(14)和式(15)可知，在电流闭环驱动系统中，匝间短路故障在dq电流中引入二次谐波，且二次谐波幅值与被短路部分阻抗(zf)、短路环流(i
f1
和i
f3
、φ
f1
和φ
f3
)、转速(ωe)、电机参数(rs、ls)和电流pi调节器带宽(ωc)相关。将式(14)和式(15) 分别带入式(10)和式(11)，则可以导出dq电压(vd和vq)中二次谐波(分别记为v
d2
和v
q2
)的表达式：
[0074][0075][0076]
其中，|i
d2
|和|i
q2
|分别表示i
d2
和i
q2
的幅值，且
[0077]
ξd＝δd+ψ
d ξq＝δq+ψq[0078][0079][0080]
电流调节器的目的是将系统中的电流调节至电流给定值(或参考值，通常为直流恒定量)，但在实际应用中，调节器带宽不可能无限高，所以电流通常不能被调节为与给定值完全相同，而是含有一定的谐波。随着电流调节器带宽的增加，调节器的增益变大、调节速度变快，实际电流谐波含量被抑制，电压谐波含量增加，使电流更接近指令值。
[0081]
根据式(14)-式(17)，可以得到如图4所示的dq电流和电压中二次谐波幅值与电流调节器带宽之间的关系。其中，|v
d2
|和|v
q2
|分别表示v
d2
和v
q2
的幅值，电流调节器带宽ωc以100为步长从100rad/s 增至1500rad/s。对应的电机运行条件及故障严重度为：直流侧输出
电压幅值为100v、负载电阻为75ω、电机转速为300r/min，20％短路匝比、rf＝35mω。由图可知，dq电压中故障特征量随电流调节器带宽增加而增加，而dq电流中故障特征量随带宽增加而减小。
[0082]
根据内环控制系统分析，建立外环直流侧电压控制系统模型，如图5所示。根据能量平衡公式，匝间短路故障时pmsg在dq坐标系中的电磁转矩方程可表示为：
[0083][0084]
将式(6)代入式(20)，匝间短路故障时电磁转矩方程可以表达为式(19)。可以看出，由于存在故障，将额外的直流分量、二次和四次谐波引入健康方程中。
[0085][0086]
根据式(20)所示的功率平衡关系，通过调节iq可以改变发电机的直流侧输出电压(v
dc
)，将电流中的谐波含量引入直流侧电压中。其中ωr为转子旋转速度，r
l
为负载电阻，c
dc
为直流侧电容。
[0087][0088]
如图5所示，电流调节器输出电流iq可表示为：
[0089][0090]
联立式(19)-式(21)，忽略四次谐波和衰减项因子，得出直流侧电压的二阶微分方程：
[0091][0092]
上式不包含ωc，可以认为直流侧电压中的故障检测特征量不受电流调节器带宽的影响。
[0093]
电压调节器带宽影响
[0094]
通常情况下，电流环响应速度比电压环响应速度快得多，可以近似认为iq与其参考值i*q相等。因此，由图5可知，双闭环控制系统中iq的传递函数可以表示为：
[0095][0096]
电压调节器pi参数k
pv
、k
iv
通常根据预期带宽ωv和系统阻尼ξ来设计，表示为：
[0097][0098]
电压外环的动态响应性能和调节器带宽成正比，且受限于电流内环的控制性能，为了保持稳定运行性能，电压环需要有足够的带宽。
[0099]
将式(24)代入式(19)和式(20)，同样可以得到如式(22) 所示的直流侧输出电压二阶微分方程。对方称进行求解，可以导出直流侧电压中二次谐波(记为v
dc2
)的表达式：
[0100][0101]
其中，
[0102][0103]
c＝c
dcrl
+2
[0104]
r＝λ
pmrl
[0105]
w＝ωeωvξ
[0106][0107]
将式(25)代入传递函数，iq和vq中二次谐波表达式可以表示为：
[0108][0109]
[0110]
其中，|v
dc2
|表示v
dc2
的幅值。可以看出，发生匝间短路故障后，也被直流侧输出电压中也含有二次谐波，此外，电流和电压中二次谐波含量不仅与故障严重程度和电机参数有关，而且受到电压调节器带宽的影响。
[0111]
当电压调节器带宽很低时，电压调节器输出的直流电压中谐波含量变化几乎为零，对电流指令值不会产生影响。随着电压调节器带宽的增加，q轴电流中谐波含量增加，进而抑制直流侧电压中的谐波含量，使直流侧电压更接近指令值。此外，由于电流调节器的带宽非常高，q 轴电压中谐波含量随着q轴电流中谐波含量的增加而增加，并将q轴电流调节到参考值。
[0112]
根据式(25)-式(27)，可以得到如图6所示的q轴电流、q轴电压和直流侧电压中二次谐波幅值与电压调节器带宽之间的关系，电压调节器带宽ωv以5为步长从5rad/s增加到100rad/s。由图可知，直流侧输出电压中故障特征量随电压调节器带宽的增加而减少，而q 轴电流和q轴电压中故障特征量随带宽增加而增加。
[0113]
实施例1
[0114]
本实施例1用于验证双闭环调节器带宽对电流和电压中故障特征量的影响以及匝间短路故障检测算法。实验平台如图7所示，由一台 pmsm来模拟原动机，故障样机被原动机驱动工作在发电模式，并采用双闭环进行控制，各种控制命令基于dspace完成，其中原动机和故障样机的参数参考图14。
[0115]
本技术方案采用的电子器件均为现有产品，本技术的技术方案对于上述电子器件的结构没有特殊要求和改变，上述电子器件均属于常规电子设备；
[0116]
在本技术方案实施的过程中，本领域人员需要将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。
[0117]
为了在试验中向电机引入匝间短路故障，故障样机的a相绕组进行了如图8所示特殊设计：整个绕组由包含不同匝数的4个独立线圈绕制而成，从c1-1到c4-2各独立线圈的两端从接线端子引出并连接到一个故障模拟箱中，通过引入短路电阻短接不同线圈，即可实现不同不同故障严重度的匝间短路故障。
[0118]
电流调节器带宽影响的验证
[0119]
由于外环控制参数较小，因此电压调节器带宽设置为30rad/s，电流调节器带宽以100为步长从100rad/s增至1500rad/s，电机运行条件及故障严重度与仿真时保持一致。通过快速傅里叶变换得到故障前后(分别用h和f来表示)dq轴电流和电压中二次谐波幅值，如图 9所示。由于电机受到固有不平衡的影响，在健康状态下也存在少量二次谐波，而在故障状态下则显著增加。
[0120]
由图9可知，dq电流中二次谐波幅值随ωc的增加而减少，而dq 电压中二次谐波幅值趋势则相反，直流侧电压中二次谐波几乎不受ωc的影响，基本保持稳定，这些实验结果与理论分析基本一致。
[0121]
电压调节器带宽影响的验证
[0122]
电流调节器带宽通常比电压调节器带宽大得多，因此ωc固定为1000rad/s，这意
味着电流可以快速调节到指令值，ωv以5为步长从5 rad/s增至100rad/s，匝间短路故障前后q轴电流、q轴电压和直流侧电压中二次谐波幅值随电压调节器带宽的变化规律如图10所示。与健康状态相比，故障后二次谐波均明显增加，其中q轴电流和q轴电压的二次谐波随着ωv的增加而增加，而直流侧电压中二次谐波的变化趋势则相反，这与理论分析是一致的。
[0123]
q轴电流和q轴电压不仅受电流调节器带宽的影响，也受电压调节器带宽的影响。从图9(a)、(b)和图10(a)、(b)中可以看出，电流调节器带宽对故障特征量的影响比电压调节器带宽的影响要强烈。健康及故障状态下，不同电流调节器和电压调节器带宽下q轴电流、q轴电压和直流侧电压中二次谐波幅值如图11所示。
[0124]
匝间短路故障检测方法的验证
[0125]
根据电机运行状态，在查询表中查询健康状态下电机电流和电压的二次谐波参考值，并分别计算此时电流和电压的二次谐波幅值与参考值之比，即电流比和电压比。在健康情况下比值均为1，而在匝间短路故障后比值均大于1，因此，通过比较在线实时计算的比值与故障阈值，可以实现故障检测。电流比、电压比a
iq
、a
vq
和a
vdc
随电流调节器带宽的变化如图12(a)所示，可以看出，a
vdc
对电流调节器带宽是鲁棒的，而a
iq
和a
vq
则受影响较大，在低带宽下时更为明显。当电压调节器带宽变化时，a
iq
、a
vq
和a
vdc
变化情况如图12(b)所示，也可以得到同样的结论。值得注意的是，尽管直流侧电压的二次谐波受电压调节器带宽影响，但故障后与故障前二次谐波的比值对带宽是鲁棒的，然而，a
iq
和a
vq
对电压调节器带宽非常敏感。
[0126]
基于以上分析，匝间短路故障检测指标a
vdc
能够简单可靠地检测出故障，并能够同时自适应电流调节器和电压调节器带宽变化。a
vq
幅值较大，检测准确度较高，但对调节器参数的鲁棒性较差，如果在低带宽下设置故障阈值，可能会导致高带宽下故障漏检。为了提高不同调节器带宽下故障检测的准确性和鲁棒性，采用加权模型，如式(29)所示，对同时受电流调节器和电压调节器带宽影响的a
iq
、a
vq
和a
vdc
进行加权。不同调节器带宽下加权计算后的故障检测指标i如图13所示，其中故障阈值设定为1.5，可以看出，i对双环调节器带宽是鲁棒的，并能够准确识别出故障，验证了i对匝间短路故障检测的可靠性。
[0127]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
[0128]
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。