双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法及监测方法技术领域
本发明涉及同步风力发电机故障检测技术领域，尤其涉及一种双绕组同步风力发
电机匝间短路故障诊断方法及监测方法。
背景技术
基于同步风力发电机(包括永磁和电励磁两种类型的同步风力发电机)的风力发
电机组是目前的主流风电机组产品，其具有有功功率、无功功率均可独立调节、调速范围宽
等优点。由于风电机组运行一段时间后，机械与电气部件将会逐渐暴露一些故障，因此为确
保风电机组稳定高效运行，对风电机组关键部件的故障及时诊断预警和维护具有非常重要
的意义。
大型同步风力发电机通常为双绕组结构，其安装在风电机组的机舱内，而配套的
风电变流器通常安装在塔底。绕组短路故障是发电机中较易出现的一类故障，主要是由绝
缘老化失效造成。发电机主要有三种短路故障：即匝间短路，相间短路和接地故障，在同步
风力发电机的绕组故障中，定子绕组匝间短路故障较为常见。定子绕组发生匝间短路时会
在短路回路中产生大量涡流，所产生的局部发热会大大缩短故障线圈周围绝缘寿命，如果
未及时检测到该故障的发生，则故障会继续扩展，导致接地短路或相与相之间的短路，电机
的温度不断增加，最后直至电机完全损坏，因此对同步风力发电机早期的定子单绕组匝间
短路故障进行诊断预警，以在故障初期及时发现并切除故障点是十分必要的。
目前针对同步风力发电机的匝间短路故障诊断，通常是基于对定子电流采用傅里
叶变换、小波变换、经验模态分解等分析实现，但这类故障诊断方法一方面电流信号的灵敏
度比较差，实现复杂且检测精度不高；另一方面通过信号分析技术所需的计算量较大，不易
实现及时故障诊断。若通过测试仪器实现风力发电机故障诊断，由于风电机组一般都是安
装在荒无人烟的地方，现场环境恶劣，且每台风电机组并无人值守，只是通过风电场管理中
心实现集中远程监控，而且风力发电机都安装在离地近百米高的机舱内，因而需要测试人
员携带专用测试仪器，并从塔底攀爬近百米进入机舱才能对发电机进行测试，实现非常不
便利，不适用于风场的应用环境，且也难以实现及时检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一
种能够及时诊断、监测出双绕组风力发电机中早期定子单绕组匝间短路故障的双绕组同步
风力发电机匝间短路故障诊断方法及监测方法，实现方法简单、无需辅助设备及复杂运算
且诊断结果准确。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法，步骤包括：
1)在目标发电机为静止状态时，控制接入目标发电机中一套定子绕组作为测试绕
组，并通过与目标发电机配套安装的风电变流器向所述测试绕组施加测试电压，由目标发
电机中另一套定子绕组作为感应绕组；
2)根据所述感应绕组上的三相感应电压与所述测试绕组的线电压之间的大小关
系，以及所述测试绕组上的三相电流值的状态，诊断目标发电机中两套定子绕组发生单绕
组匝间短路故障的状态。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述步骤2)的具体步骤为：
2.1)检测目标发电机中所述感应绕组上的三相感应电压值，并获取所述测试绕组
上的线电压值；
2.2)分别将所述三相感应电压值与所述线电压值进行比较，如果不是均相等，则
诊断存在定子绕组发生匝间短路故障，且由比较结果诊断是感应绕组或测试绕组发生故
障，其中当诊断为感应绕组发生故障时，根据所述三相感应电压值的状态定位故障相；当诊
断为测试绕组发生故障时，转入执行步骤2.3)；
2.3)检测所述测试绕组上的三相电流值，根据检测到的三相电流值的状态定位故
障相。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述步骤2.2)的具体步骤为：分别判断所述
三相感应电压与所述线电压之间的电压比值中，如果存在两相电压比值均小于1且满足第
一判断条件，则诊断感应绕组发生故障，且定位感应绕组中两相电压比值均小于1所对应的
公共接线端连接的绕组为故障相；如果存在电压比值大于1且满足第二判断条件，则诊断测
试绕组发生故障，转入执行步骤2.3)。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述第一判断条件为小于(1-η)，其中η为第
一校正偏差；所述第二判断条件为大于(1+δ)，其中δ为第二校正偏差。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述步骤2.3)中根据检测到的三相电流值的
状态定位故障相的具体步骤为：
2.3.1)获取检测到的三相电流值中最大电流值；
2.3.2)判断所述步骤2.3.1)获取的最大电流值是否大于I且满足第三判断条件，
其中I为正常状态下定子绕组的电流值，如果是，则诊断所述最大电流值所对应的绕组相为
故障绕组。
作为本发明诊断方法的进一步改进，其特征在于：所述第三判断条件为大于(1+β)
I，其中β为第三校正偏差。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述步骤2.3.2)中正常状态下定子绕组的电
流值具体获取步骤为：预先在目标发电机正常状态且静止时，由风电变流器施加与所述测
试电压相同的电压至一套定子绕组上，获取风电变流器输出的电流值作为正常状态下定子
绕组的电流值。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述步骤2.1)中测试绕组的线电压具体通过
获取风电变流器输出的测试电压的电压值得到。
作为本发明诊断方法的进一步改进，所述步骤1)中具体通过正弦脉宽调制方法控
制风电变流器输出恒定的三相对称交流电压作为测试电压。
本发明进一步一种双绕组风力发电机匝间短路故障监测方法，所述监测方法包
括：每次当与目标发电机配套安装的风电变流器完成自检过程后、目标发电机启动前，按照
上述诊断方法执行匝间短路故障诊断，若诊断到出现匝间短路故障，向监测中心发出故障
警报。
作为本发明监测方法的进一步改进：所述监测方法还包括预先将具有实现所述匝
间短路故障诊断方法功能的故障诊断模块加载至风电变流器的自检程序中步骤，通过调用
所述故障诊断诊断模块执行匝间短路故障诊断。
与现有技术相比，本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法的优点在
于：
1)本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法，基于双绕组同步风力发
电机单个定子绕组发生匝间短路故障时的特性，通过控制接入一套定子绕组作为测试绕
组，另一套作为感应绕组，由风电变流器向测试绕组施加测试电压，根据感应绕组的感应电
压与测试绕组的线电压之间的大小关系以及测试绕组的电流状态，即可诊断出两套定子绕
组的匝间短路故障发生状态，实现方式简单，无需进行复杂的运算，且诊断结果准确度高；
2)本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法，通过与发电机配套安装
的风电变流器作为辅助诊断工具，整个诊断过程中无需增加其他辅助诊断设备，可有效降
低检测诊断所需成本，诊断过程通过远程操控即可实现，无需测试人员在现场执行，因而便
于应用于风场环境的实施；
3)本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法，通过对双绕组同步风力
发电机中单个定子绕组发生匝间短路故障的状况进行诊断，可以及时检测出早期定子的单
个绕组轻微匝间短路现象，以在故障早期及时做出处理，避免故障扩大；
4)本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法，通过比较感应绕组的感
应电压与测试绕组的线电压是否相等，诊断出定子绕组是否发生匝间短路故障，结合比较
结果利用匝间短路故障发生时电压变化特性即可诊断是感应绕组发生故障还是测试绕组
发生故障；若诊断为感应绕组发生故障，由感应电压值的状态即可定位具体的故障相，若诊
断为测试绕组发生故障，结合测试绕组的电流值状态即可定位具体的故障相，实现故障类
型的准确诊断以及具体故障点的定位。
与现有技术相比，本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障监测方法的优点在
于：
1)本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障监测方法，结合风电变流器的自检
过程，在每次风电变流器执行自检后即启动匝间短路故障诊断，因而当出现定子单绕组故
障时即可及时诊断出，诊断发生故障时通过远程风场集中监控中心预警提示，可以指导人
工及时处理，避免事态扩大，从而实现双绕组同步风力发电机匝间短路故障的及时监控；
2)本发明双绕组同步风力发电机匝间短路故障监测方法，进一步通过预先将具有
匝间短路故障诊断方法功能的故障诊断模块加载至风电变流器的自检程序中，通过调用故
障诊断诊断模块执行匝间短路故障诊断，使得故障诊断在风电变流器的自检过程中即可自
动完成，实现匝间短路的有效监测。
附图说明
图1是本实施例双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法的实现流程示意
图。
图2是双绕组同步风力发电机与风电变流器配套构成的系统的结构示意图。
图3是本实施例实现匝间短路故障诊断的具体实现流程示意图。
图4是本实施例双绕组同步风力发电机匝间短路故障监测方法的实现流程示意
图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而
限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例双绕组同步风力发电机匝间短路故障诊断方法，步骤包括：
1)在目标发电机为静止状态时，控制接入目标发电机中一套定子绕组作为测试绕
组，并通过与目标发电机配套安装的风电变流器向测试绕组施加测试电压，由目标发电机
中另一套定子绕组作为感应绕组；
2)根据感应绕组上的三相感应电压与测试绕组的线电压之间的大小关系，以及所
述测试绕组的三相电流值的状态，诊断目标发电机中两套定子绕组发生单绕组匝间短路故
障的状态。
双绕组同步风力发电机与风电变流器配套构成的系统如图2所示，风电变流器内
部由电网侧变流器和发电机侧变流器构成，电网侧变流器连接三相交流电网，用于实现PWM
整流，并稳定直流侧电压；发电机侧变流器直接连接双绕组同步风力发电机的定子绕组，用
于将双绕组同步风力发电机发出的电能变送到直流侧，并经电网侧变流器送到电网。双绕
组同步风力发电机的两套绕组通常为星形接法，且两套绕组(A1；B1；C1，A2；B2；C2)之间电
气隔离，两套绕组的电流分别由两个机侧变流器控制。双绕组同步发电机中双绕组的参数
一致，两机侧变流器采取主从控制方法，由一个机侧变流器作为主控制，另一个机侧变流器
作为从控制，即该变流器的功率开关驱动由主控制的控制器控制操作。如图2所示，由连接
定子A1、B1与C1端子的机侧变流器作为主控制，连接定子A2、B2与C2端子的机侧变流器为从
控制。
由于对于双绕组同步风力发电机，定子绕组易发生匝间短路故障，且在匝间短路
故障发生早期，两个以上绕组同时出现匝间短路的情况较少，本实施例具体通过对双绕组
同步风力发电机中单个定子绕组发生匝间短路故障的状况进行诊断，可以及时检测出早期
定子的单个绕组轻微匝间短路现象，以在故障早期及时做出处理，避免故障扩大。
本实施例首先对双绕组同步风力发电机中定子发生单个绕组匝间短路故障时特
性进行分析：在发电机处于静止状态时，若接入其中一套定子绕组并通过风电变流器输出
测试电压时，则在另一套定子绕组上则会感应出电压，且由于两套定子绕组的参数相同，其
在发电机内的结构完全对称，因此，若未出现匝间短路故障，则未施加电压的定子绕组感应
出的电压应当与施加电压的定子绕组线电压一致，而若未施加电压的定子绕组出现匝间短
路时，因其会导致等效匝数减少，因而该套定子相绕组感应出的电压会比施加测试电压的
定子绕组的对应相电压小，利用该电压变化特性即可诊断未施加电压的定子绕组是否出现
匝间短路以及定位哪个绕组出现匝间短路；相应的，若施加测试电压的定子绕组某些出现
匝间短路，由于会其导致等效匝数减少，因而未施加测试电压的定子绕组的感应电压会增
大；同时，施加测试电压的定子绕组某相出现匝间短路时，会导致该故障相的电抗减少，则
施加三相相同幅值和频率的交流电压时，该故障相的电流会变大，利用该电压变化特性以
及电流变化特性可诊断施加电压的定子绕组是否出现匝间短路以及定位其中哪相绕组出
现匝间短路。
具体来说，如控制接入定子绕组A1、B1、C1施加测试电压时，定子绕组A2、B2、C2上
将感应出该电压，若定子绕组A2、B2及C2的某些出现匝间短路，则定子绕组A2、B2及C2感应
到的电压会比定子绕组A1、B1、C1对应相电压小，利用该特性即可诊断定子绕组A2、B2及C2
相是否出现匝间短路以及定位哪个绕组出现匝间短路；而若定子绕组A1、B1及C1某相出现
匝间短路时，定子绕组A2、B2及C2感应电压会比定子绕组A1、B1及C1对应相电压大。另外，若
定子绕组A1、B1及C1某相出现匝间短路，故障相的电抗会减小，当施加三相相同幅值和频率
的交流电压时，故障相的电流会变大，利用该特性可诊断定子绕组A1、B1及C1是否出现匝间
短路以及定位其中哪相绕组出现匝间短路。
本实施例基于双绕组同步风力发电机单个定子绕组发生匝间短路故障时的上述
特性，通过控制接入一套定子绕组作为测试绕组，另一套作为感应绕组，由风电变流器向测
试绕组施加测试电压，根据感应绕组的感应电压与测试绕组的线电压之间的大小关系以及
测试绕组的电流状态，利用上述特性即可诊断出两套定子绕组的匝间短路故障发生状态，
实现方式简单，无需进行复杂的运算，且诊断结果准确度高。
本实施例目标发电机启动前，即转子保持静止状态时，通过与发电机配套安装的
风电变流器作为辅助诊断工具，整个诊断过程中无需增加其他辅助诊断设备，可有效降低
检测诊断所需成本，诊断过程通过远程操控即可实现，无需测试人员在现场执行，因而便于
应用于风场环境的实施。
本实施例中，步骤1)中具体通过正弦脉宽调制方法控制风电变流器输出恒定的三
相对称交流电压作为测试电压。发电机侧变流器的输出电压为正弦脉宽调制电压时，由于
其基波大小完全取决于直流母线电压和发电机侧变流器控制的调制比，即该基波电压的幅
值大小、相位和频率是受控的，使得可以根据需求控制输出测试电压，且测试电压的幅值、
频率等可以确定得到。
本实施例中，步骤2)的具体步骤为：
2.1)检测目标发电机中感应绕组上的三相感应电压值，并获取测试绕组上的线电
压值；
2.2)分别将三相感应电压值与线电压值进行比较，如果不是均相等，则诊断存在
定子绕组发生匝间短路故障，且由比较结果诊断是感应绕组或测试绕组发生故障，其中当
诊断为感应绕组发生故障时，根据三相感应电压值的状态定位故障相；当诊断为测试绕组
发生故障时，转入执行步骤2.3)；
2.3)检测测试绕组上的三相电流值，根据检测到的三相电流值的状态定位故障
相。
本实施例通过比较感应绕组的感应电压与测试绕组的线电压是否相等，诊断出定
子绕组是否发生匝间短路故障，结合比较结果利用匝间短路故障发生时上述电压变化特性
即可诊断是感应绕组发生故障还是测试绕组发生故障；若诊断为感应绕组发生故障，由感
应电压值的状态利用上述电压变化特性即可定位具体的故障相，若诊断为测试绕组发生故
障，结合测试绕组的电流值状态利用上述电流变化特性即可定位具体的故障相，实现故障
类型的准确诊断以及具体故障点的定位。
本实施例中，步骤2.1)中测试绕组的线电压具体通过获取风电变流器输出的测试
电压的电压值得到。由于机侧变流器输出电抗器及传输电缆的电抗值相比于定子绕组的电
抗值太小，则可认为发电机侧变流器的输出线电压就等于施加于定子端子上的线电压，本
实施例通过直接取可以直接确定得到的测试电压的电压值作为测试绕组的线电压，不需要
重新检测测试绕组端子上的电压，使得诊断实现更为简单，且不影响诊断精度。本实施例具
体将测试电压的幅值U作为测试绕组的线电压值储存在参数表中，以用于后续与感应绕组
的感应电压比较。
双绕组同步风力发电机通常为星形接法，目标发电机为星形接法时，步骤2.2)的
具体步骤为：分别判断三相感应电压与线电压之间的电压比值中，如果存在两相电压比值
均小于1且满足第一判断条件，则诊断感应绕组发生故障，且定位感应绕组中两相电压比值
均小于1所对应的公共接线端连接的绕组为故障相；如果存在电压比值大于1且满足第二判
断条件，则诊断测试绕组发生故障，转入执行步骤2.3)。当诊断为感应绕组发生匝间短路故
障时，由于检测的是线电压，本实施例通过结合相邻两感应电压与线电压的比较，定位出感
应绕组中具体故障相，实现故障点的精确定位。对于三角形接法的双绕组同步风力发电机，
其实现原理与上述一致。
本实施例中，考虑到采样值误差及滤波时间常数等的影响设置校正偏差，第一判
断条件为小于(1-η)，其中η为第一校正偏差，即如果存在两相电压比值均小于k(1-η)时，诊
断感应绕组发生故障；第二判断条件为(1+δ)，δ为第二校正偏差，即如果存在电压比值大于
k(1+δ)时，诊断发生定子绕组匝间短路故障。η、δ具体可根据实际需求进行设置。
本实施例中，步骤2.3)中根据检测到的三相电流值的状态定位故障相的具体步骤
为：
2.3.1)获取检测到的三相电流值中最大电流值；
2.3.2)判断步骤2.3.1)获取的最大电流值是否大于I且满足第三判断条件，其中I
为正常状态下定子绕组的电流值，如果是，则诊断最大电流值所对应的绕组相为故障绕组。
本实施例以正常状态下定子绕组的电流值I作为比较基准值判断测试绕组的电流
值状态，由电流值状态利用上述电流特性即可定位具体的故障点。考虑到采样值误差及滤
波时间常数等的影响，对比较基准值I设置校正偏差，则第三判断条件为大于(1+β)I，其中β
为第三校正偏差，即当最大的电流值大于时(1+β)I，定位电流最大的绕组相为故障绕组。
本实施例中，步骤2.3.2)中正常状态下定子绕组的电流值具体获取步骤为：预先
在目标发电机正常状态且静止时，由风电变流器施加与测试电压相同的电压至一套定子绕
组上，获取风电变流器输出的电流值作为正常状态下定子绕组的电流值。本实施例具体在
风电机组现场安装正常调试完后，在发电机静止不转动时，由主控制机侧变流器输出与测
试电压相同的电压施加在一套定子绕组上，测出变流器输出的电流值I储存在参数表里以
作为正常状态下定子绕组的电流。
本实施例上述电压值、电流值具体取有效值，当然也可以根据实际需求取幅值等。
如图3，本实施例在发电机静止不转动时，具体通过控制开关K1合上、K2断开，接入
定子绕组A1、B1、C1为测试绕组，定子绕组A2、B2、C2为感应绕组；由机侧变流器按照一定幅
值(有效值为U)、频率f大小逆变出三相恒定对称电压施加在定子绕组A1、B1、C1上，电压传
感器检测到另一套定子绕组端子A2、B2、C2上的感应电压为UA2B2、UB2C2和UC2A2；计算A2、B2及
C2定子感应线电压与A1、B1及C1定子线电压的比值和依次分别判断相邻
电压比值和和和是否同时小于(1-η)，如果是，则诊断存
在定子绕组发生匝间短路故障，且定位小于(1-η)的两相邻定子线电压的共有接线端子为
故障相，如当判断出和与施加电压U比值都小于(1-η)时，定位共有接线端子B2所
连接的B2相绕组为故障相绕组。而当A2、B2及C2定子感应线电压与A1、B1及C1定子线电压的
比值和出现了大于(1+δ)，且如果三个定子电流中最大电流值大于电流基
准值(1+β)I，则定位最大电流对应的相定子绕组为故障相绕组，如电流Ia1最大时定位对应
A1相发生了匝间短路故障。
如图4所示，本实施例双绕组同步风力发电机匝间短路故障监测方法包括：每次当
与目标发电机配套按照的风电变流器完成自检过程后、目标发电机启动前，按照上述故障
诊断方法执行匝间短路故障诊断，若诊断到出现匝间短路故障，向监测中心发出故障警报。
为避免风电变流器中途出现了故障在启动后酿成不良严重后果，风电机组每次重
启时都会要求风电变流器先完成自检过程，即风电变流器每次启动运行前，在不外加任何
检测设备或仪器的情况下，由其内部的控制系统自动运行测试程序对变流器的重要电气组
成部件进行故障检测，如果发现错误，将给出信息提示或警告，禁止后续运行过程。风电变
流器执行自检时，双绕组同步发电机转子保持静止状态，本实施例结合风电变流器的自检
过程，在每次风电变流器执行自检后即启动上述匝间短路故障诊断，当出现单绕组故障时
即可及时诊断出，诊断发生故障时通过远程风场集中监控中心预警提示，指导人工及时处
理，避免事态扩大，从而实现双绕组同步风力发电机匝间短路故障的及时监控。
本实施例中，还包括预先将具有匝间短路故障诊断方法功能的故障诊断模块加载
至风电变流器的自检程序中，通过调用故障诊断诊断模块执行匝间短路故障诊断，从而使
得故障诊断在风电变流器的自检过程中完成，以自动在风电变流器自检时进行匝间短路故
障诊断，实现匝间短路的有效监测，同时由于上述匝间短路故障诊断方法无需复杂的计算
过程，通过风电变流器的控制器即可控制实现。
本实施例上述双绕组同步风力发电机匝间短路故障监测方法需要风电变流器自
身没有电气故障，因而风电变流器自检未通过时，需要先排除风电变流器自身故障。风电变
流器启动进入正常工作前，通过自检一般能检测出自身大部分电气故障，然而由于风电变
流器输出直接通过长传输电缆与双绕组同步风力发电机定子端子相连，，因此在其自检过
程中，如果发电机侧变流器出现异常输出的情况，如不能正常输出三相对称交流电压，此时
需要判断是发电机侧变流器部分出现了硬件故障，还是发电机出现了电气故障。由于风电
变流器安装在塔基，因而上述变流器自检未通过的情况下，可以通过停机断电通过人工检
测方式可以方便的辨别是否是变流器自身硬件出现了故障。
需要说明的是，本发明针对双绕组同步风力发电机进行诊断，可以适应于工作于
发电模式的发电机，也可以应用于工作于电动机模式的工况；另外，本发明还可以应用于多
绕组同步风力发电机以及其他类型的同步发电机以对单个绕组匝间短路故障进行诊断，其
工作原理与上述一致。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明
已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的
内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在
本发明技术方案保护的范围内。