本发明涉及一种诊断双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的方法，属于驱动电机状态检测与故障诊断技术领域。
背景技术：
双馈异步发电机定子绕组内邻接匝或几匝线圈绝缘层的损坏会造成定子匝间短路故障，这种故障的发生几率占电机所有故障类型的15％以上，是电机故障的主要类型之一。微小的匝间故障会在短路环内形成短路电流，从而导致电机短路处越来越热，损坏邻近的绝缘层而引发更大的线圈短路危害。因此必须进行及时处理，避免后期出现更严重的电机故障。
截至目前，国内外对双馈异步发电机定子绕组故障诊断的研究仍未构成体系。Mirzoian学者和Williamson学者在1985年首次提出感应电机定子绕组故障的在线监测方法；罗马尼亚Timisoara工业大学学者Jensen B.B.和Popa L.M.运用实验的方法在定子绕组上并联电抗模拟定子绕组匝间短路故障，实时监测定转子电流并进行相应分析；意大利Bologna大学学者Rossi C、Stefani A和法国Picardie大学学者Yazidi A通过分析转子电流调制信号的方法检测定子绕组故障；加拿大Victoria大学学者Nandi S和Shah D提出一种基于探测线圈电压及转子电流谐波量诊断定子匝间短路故障的方法，效果较为理想；Dinkhauser V等学者针对电机故障的判别，构建状态观测器重构DFIG的内部状态加以诊断，方法新颖但搭建困难。
本发明涉及的一种基于HHT和FFT方法对比的双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究的新方法，诊断可靠性高，可操作性强。
技术实现要素：
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种诊断双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
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；
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：使用傅里叶FFT变换对不同μ值的定子电流时域波形图进行频域转换，分析Fourier频谱图，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。
作为优选方案，所述步骤3：使用希尔伯特-黄HHT变换对不同μ值的定子电流时域波形图进行频域转换，分析Hilbert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，从而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。
作为优选方案，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μLls表示短路线匝的漏感，Lls为每相漏感；设置短路故障阻抗为电阻阻抗Zf；
abc坐标下的数学模型表示为：
vs＝Rsis+dλs/dt
0＝Rrir+dλr/dt (1)
其中，Vs：定子电压，Rs：定子电阻矩阵、is：定子电流、λs:定子磁链、Rr：转子电阻矩阵、ir：转子电流、λr:转子磁链、t：时间变量；
其中各量的求解公式如下：
vs＝[vas1 vas2 vbs vcs]T
is＝[ias(ias-if)ibs ics]T
ir＝[iar ibr icr]T
λs＝[λas1 λas2 λbs λcs]T＝Lssis+Lsrir
λr＝[λar λbr λcr]T＝Lsris+Lrrir (2)
其中，Vas1：A相线匝除去短路线匝的电压；
Vas2：短路线匝的电压；
Vbs：定子B相电压；
Vcs：定子C相电压；
ias、ibs、ics：A、B、C三相定子电流；iar、ibr、icr：A、B、C三相转子电流；
if：励磁电流；
λas1：A相线匝除去短路线匝的磁链；
λas2：短路线匝的磁链；
λbs：B相定子磁链；
λcs：C相定子磁链；
λar、λbr、λcr：A、B、C三相转子磁链；
Lss：定子互感；
Lsr：定转子互感；
Lrr：转子互感；
式(1)中的定子、转子电阻矩阵如下所示：
Rs＝Rsdiag[1 -μ μ 0 0]
Rr＝RrI3×3 (3)
I3×3：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：
Lls：定子每相漏感；Lms：定子每相励磁电感；
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＝[vas vbs vcs]T
i's＝[ias ibs ics]T
λ's＝[(λas1+λas2)λbs λcs]T＝L'ssi's+L'srir+μA2if
A1＝-[Rs 0 0]T
A2＝[-(Lls+Lms)Lms/2Lms/2]T
A3＝-Lms[cosθr cos(θr+2π/3)cos(θr-2π/3)]T (6)
其中，Lls：定子每相漏感；Lms：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：
Lss′：定子间自感，Lsr′：定转子间互感；
进一步得到短路匝as2的电压和磁链方程如下所示：
vas2＝μRs(ias-if)+dλas2/dt＝Rfif
Rf：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；Lm：励磁电感，dq坐标系下定子磁链，dq坐标系下转子磁链，Ls：定子电感，Lr：转子电感；
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；ωr：转子角速度；θr：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。
作为优选方案，所述步骤2包括：
步骤2.1：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，在双馈异步发电机正常运行情况下，仿真电机空载时的定子电流仿真图；
步骤2.2：模拟双馈异步发电机发生不同程度的定子单相匝间短路故障，设置A相为故障相，通过在0到1之间变换μ值，设置不同短路故障程度，得到发生不同程度匝间短路故障时的定子电流仿真图。
作为优选方案，所述步骤3包括：
步骤3.1：将双馈异步发电机正常运行和短路故障情况下的定子电流仿真图利用FFT变换，求取该信号的Fourier频谱图，对正常运行和短路故障情况下的Fourier频谱图进行幅值对比，得到故障前后定子电流基频幅值减小，其他频率幅值增大的故障特征，用于双馈异步发电机的短路诊断；
步骤3.2：将两个频率分别为10Hz和50Hz的余弦信号叠加成一个表达式为z＝4cos(20πt)+10cos(100πt)的复合信号用于模拟定子电流信号，设定采样频率为1000Hz，分别选用FFT变换和HHT变换，求取该信号的Fourier频谱图和Hilbert边际谱图，比较Fourier频谱图和Hilbert边际谱图所有幅值峰值所对应的频率值，得到Fourier频谱图和Hilbert边际谱图所对应的频率值是一致的，用于验证FFT变换和HHT变换都能用于对定子电流进行故障诊断；
步骤3.3：对比HHT边际谱图和FFT频谱图，得到Hilbert边际谱中的电流信号能量集中在基频处，且没有多余的旁瓣，在处理同一程度的定子匝间短路故障时，HHT边际谱图比FFT频谱图更能反映频率分布的真实情况，HHT变换的诊断效果优于FFT变换。
作为优选方案，所述步骤3包括：
步骤3.1：将双馈异步发电机正常运行和短路故障情况下的定子电流仿真图利用HHT变换，求取该信号的Hilbert边际谱图，对正常运行和短路故障情况下的Hilbert边际谱图进行幅值对比，得到故障前后定子电流基频幅值减小，其他频率幅值增大的故障特征，用于双馈异步发电机的短路诊断；
步骤3.2：将两个频率分别为10Hz和50Hz的余弦信号叠加成一个表达式为z＝4cos(20πt)+10cos(100πt)的复合信号用于模拟定子电流信号，设定采样频率为1000Hz，分别选用FFT变换和HHT变换，求取该信号的Fourier频谱图和Hilbert边际谱图，比较Fourier频谱图和Hilbert边际谱图所有幅值峰值所对应的频率值，得到Fourier频谱图和Hilbert边际谱图所对应的频率值是一致的，用于验证FFT变换和HHT变换都能用于对定子电流进行故障诊断；
步骤3.3：对比HHT边际谱图和FFT频谱图，得到Hilbert边际谱中的电流信号能量集中在基频处，且没有多余的旁瓣，在处理同一程度的定子匝间短路故障时，HHT边际谱图比FFT频谱图更能反映频率分布的真实情况，HHT变换的诊断效果优于FFT变换。
有益效果：本发明提供的一种诊断双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的方法，是在双馈异步发电机运行状态下，根据定子电流HHT边际谱图和FFT频谱图的对比进行双馈异步发电机定子绕组是否发生匝间短路故障的判定和诊断。本发明的优点：
1、不需要分离双馈异步发电机定转子作分别研究，保证了电机整体结构运行的完整性，诊断结果可靠性强；
2、在定子绕组匝间短路故障的诊断初期提供了一定的理论指导，有利于进行故障的诊断和进一步准确地分析并提取故障特征量。
附图说明
图1是本发明涉及的双馈异步发电机定子A相绕组匝间短路原理图；
图2是本发明涉及的双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断流程图；
图3是本发明涉及的基于MATLAB/SIMULINK搭建的双馈异步发电机诊断电路模型；
图4是本发明涉及的双馈异步发电机正常情况下的空载仿真图；
图5是本发明涉及的双馈异步发电机空载时发生不同程度匝间短路故障时的定子电流仿真图；
图6是本发明涉及的复合信号的Fourier频谱图和Hilbert边际谱图；
图7是本发明涉及的双馈异步发电机正常及发生不同程度匝间短路故障时的HHT边际谱图和FFT频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
双馈异步发电机本质上是一个标准的绕线式异步电机，因此为了简化，其模型可以在转子侧外加电压源来建立；虽然使用绕线电机存在转子涡流损耗较大、调速工作范围有限的问题，但是二者结构和运行原理基本相同，故可以使用绕线电机替代双馈电机。如图1所示，其中as2表示短路线匝，μ表示短路线匝占本相线匝的比例，当μ＝0时绕组为正常状态；用μLls表示短路线匝的漏感(Lls为每相漏感)；设置短路故障阻抗为电阻阻抗Zf；
如图2所示，一种诊断双馈异步风力发电机定子匝间短路故障的方法，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；
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：使用希尔伯特-黄(HHT)变换或傅里叶(FFT)变换对不同μ值的定子电流时域波形图进行频域转换，分析Hilbert边际谱图或Fourier频谱图，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，从而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。
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μLls表示短路线匝的漏感(Lls为每相漏感)；设置短路故障阻抗为电阻阻抗Zf；
abc坐标下的数学模型表示为：
vs＝Rsis+dλs/dt
0＝Rrir+dλr/dt (1)
其中，Vs：定子电压，Rs：定子电阻矩阵、is：定子电流、λs:定子磁链、Rr：转子电阻矩阵、ir：转子电流、λr:转子磁链、t：时间变量；
其中各量的求解公式如下：
vs＝[vas1 vas2 vbs vcs]T
is＝[ias(ias-if)ibs ics]T
ir＝[iar ibr icr]T
λs＝[λas1 λas2 λbs λcs]T＝Lssis+Lsrir
λr＝[λar λbr λcr]T＝Lsris+Lrrir (2)
其中，Vas1：A相线匝除去短路线匝的电压；
Vas2：短路线匝的电压；
Vbs：定子B相电压；
Vcs：定子C相电压；
ias、ibs、ics：A、B、C三相定子电流；iar、ibr、icr：A、B、C三相转子电流；
if：励磁电流；
λas1：A相线匝除去短路线匝的磁链；
λas2：短路线匝的磁链；
λbs：B相定子磁链；
λcs：C相定子磁链；
λar、λbr、λcr：A、B、C三相转子磁链；
Lss：定子互感；
Lsr：定转子互感；
Lrr：转子互感；
式(1)中的定子、转子电阻矩阵如下所示：
Rs＝Rsdiag[1 -μ μ 0 0]
Rr＝RrI3×3 (3)
I3×3：定转子3X3电流正矩阵；
式(2)中的定转子电感矩阵如下所示：
Lls：定子每相漏感；Lms：定子每相励磁电感。
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＝[vas vbs vcs]T
i's＝[ias ibs ics]T
λ's＝[(λas1+λas2)λbs λcs]T＝L'ssi's+L'srir+μA2if
A1＝-[Rs 00]T
A2＝[-(Lls+Lms)Lms/2Lms/2]T
A3＝-Lms[cosθr cos(θr+2π/3)cos(θr-2π/3)]T (6)
其中，Lls：定子每相漏感；Lms：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：
Lss′：定子间自感，Lsr′：定转子间互感；
进一步得到短路匝as2的电压和磁链方程如下所示：
vas2＝μRs(ias-if)+dλas2/dt＝Rfif
Rf：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；Lm：励磁电感，dq坐标系下定子磁链，dq坐标系下转子磁链，Ls：定子电感，Lr：转子电感。
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；ωr：转子角速度；θr：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；
所述步骤2包括：
步骤2.1：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，在双馈异步发电机正常运行情况下，仿真电机空载时的定子电流仿真图；
步骤2.2：模拟双馈异步发电机发生不同程度的定子单相匝间短路故障，设置A相为故障相，通过在0到1之间变换μ值，设置不同短路故障程度，若定子绕组单相线圈有200匝，设μ取0.005表示发生1匝短路，得到发生不同程度匝间短路故障时的定子电流仿真图；
所述步骤3包括：
步骤3.1：将双馈异步发电机正常运行和短路故障情况下的定子电流仿真图利用FFT变换或HHT变换，求取该信号的Fourier频谱图或Hilbert边际谱图，对正常运行和短路故障情况下的Fourier频谱图或Hilbert边际谱图进行幅值对比，得到故障前后定子电流基频幅值减小，其他频率幅值增大的故障特征，用于双馈异步发电机的短路诊断。
步骤3.2：将两个频率分别为10Hz和50Hz的余弦信号叠加成一个表达式为z＝4cos(20πt)+10cos(100πt)的复合信号用于模拟定子电流信号，设定采样频率为1000Hz，分别选用FFT变换和HHT变换，求取该信号的Fourier频谱图和Hilbert边际谱图，比较Fourier频谱图和Hilbert边际谱图所有幅值峰值所对应的频率值，得到Fourier频谱图和Hilbert边际谱图所对应的频率值是一致的，用于验证FFT变换和HHT变换都能用于对定子电流进行故障诊断。
步骤3.3：对比HHT边际谱图和FFT频谱图，得到Hilbert边际谱中的电流信号能量集中在基频处，且没有多余的旁瓣，在处理同一程度的定子匝间短路故障时，HHT边际谱图比FFT频谱图更能反映频率分布的真实情况，HHT变换的诊断效果优于FFT变换。
如图3所示，匝间短路情况下双馈异步发电机的细节图。其中，四个模块分别为磁链方程模块1、电磁转矩系统模块2、转子系统模块3、定子系统模块4。定子绕组匝间短路故障的严重程度由μ表示。μ的变化会影响磁链系统、电磁转矩系统和定子系统的稳定性。通过设置μ的大小可以模拟双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障的严重程度；
如图4所示，其中，图4(a)、(b)分别对应正常情况下电机空载时的转速、转矩以及定子、转子电流示意图。由图4可知，电机转速缓慢上升，转矩不断下降，定子、转子电流经过暂态过渡到稳态，因此所建的数学模型合理，能够正确反映电机的运行情况；如图5所示，通过变换μ值设置不同故障程度，若定子绕组单相线圈有200匝，则μ取0.005表示发生1匝短路，则图5(a)-(d)依次表示定子绕组A相发生1匝、2匝、4匝、6匝短路的情况。随着故障严重程度的增加，定子电流的不对称性增大且幅值不断减小。因此可以验证本文建立的匝间短路故障模型合理，可以反映电机的运行情况；
如图6所示，为复合信号的Fourier频谱图和Hilbert边际谱图。将两个频率分别为10Hz和50Hz的余弦信号叠加成一个表达式为z＝4cos(20πt)+10cos(100πt)的复合信号，设定采样频率为1000Hz，分别选用FFT变换和HHT变换求取该信号的Fourier频谱图和Hilbert边际谱图。原始信号中的10Hz对应幅值为4，50Hz对应幅值为10。由此可以验证Fourier频谱图和Hilbert边际谱图无论是幅值上还是频率上都一一对应，且可以同时基于某一频率的幅值诊断同一故障。基于这一点可以进一步判断哪种变换方式的诊断效果更好；
仍以定子电流为研究对象，如图7所示，其中左边为HHT边际谱图，右边为FFT频谱图，故障程度依次递增为1匝、2匝、4匝、6匝短路。当电机A相发生匝间短路故障时，两种变换方式分析电流信号的幅值均发生了明显变化。从幅值角度看，随着故障程度不断加剧，二者基频处幅值都不断下降。由于频谱幅值大小反映了在该频率处的能量大小，因此基频处能量随着故障程度的增加不断被削弱，表明电机运行出现异常，出现其他频率处能量不断上升的现象；从电流信号的频率分布情况看，Fourier频谱中的电流信号频率虽然大部分集中在基频附近，但其他频率幅值也很明显；而Hilbert边际谱中电流信号能量几乎都集中在基频处而没有多余的旁瓣，因此在处理同一程度定子匝间短路故障时，Hilbert边际谱比Fourier频谱更能反映频率分布的真实情况，诊断效果会更好，有利于进一步准确地分析提取故障特征量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。