直驱式永磁同步海流机叶轮不平衡的故障检测

上海海事大学电气自动化系、南特大学的研究人员张米露、王天真、汤天浩、Yide Wang，在2018年第1期《电工技术学报》上撰文，针对波浪、湍流等影响下直驱式永磁同步海流机叶轮不平衡的故障检测，提出一种基于定子电流频率的故障特征分析方法。

首先，该方法针对故障特征频率易被基波或噪声淹没的问题，采用总体最小二乘-旋转矢量不变技术（TLS-ESPRIT）估计电流瞬时频率。其次，采用广义似然比检测（GLRT）方法设计不平衡故障检测器，通过分析检测器中变量，获取合适的监测量。最后，提出一种基于伸缩变换的数据标准化方法提取故障特征，解决同一故障在不同流速下故障特征多样的问题。

理论分析、海流机仿真与海流样机实验结果验证了所提方法的有效性。该方法基于定子电流，易于实现，对于保证海流机安全高效运行以及减少维护费用等方面具有重要的实际意义。

面对能源危机、环境恶化的局面，海流能因具有高能量密度、可预测性、能量相对稳定等优点受到日益关注[1-3]，海流发电相关技术得以发展与应用[4]。然而，海底状况复杂，许多设备安装在海洋中就成了人工鱼礁吸引了各种海洋生物。海洋生物生长、污染物附着、运动部件腐蚀等极易引起海流机发生叶轮不平衡故障，影响系统正常运行[5,6]。

另外，不同于工作在干燥、清洁、方便维修的陆地发电设备，海流机安装在水下，受瞬时流速变化剧烈、海水磨损、附着生物、浪涌、湍流等多因素影响，其不平衡故障特征多样，且受海洋环境影响故障特征不明显[7,8]。为了提高海流机运行的安全性和可靠性，有效的检测技术必不可少[9]。

针对叶轮不平衡故障，文献[10,11]分别采集叶轮的振动和轴转矩信号，利用频谱分析实现故障检测。然而，如振动、转矩等信号需要额外的传感器，不仅增加维护成本，而且海水腐蚀易导致传感器发生故障。基于定子电流的检测方法因无需额外传感器且具有非浸入的优点得以应用。电流波形为正弦信号，当发生故障时，电流的幅值和频率出现调制。

为了实现电流信号的解调，基于希尔伯特变换[12]、同步解调器[13]、时频分析[14]等多种检测方法被提出。文献[15,16]分别利用发电机的电功率和定子电流模平方信号提取故障特征。文献[17]对电流信号进行dq坐标变换，采用希尔伯特解调法提取故障特征。上述方法能够实现转速恒定下不平衡故障的诊断。

然而，海水流速时时变化，轴转速受流体流速波动影响无法保持恒定，无法实现有效的诊断。文献[18,19]利用同步采样技术对电流信号进行频谱分析，实现轴转速变动下不平衡故障检测。然而，海水密度较大，受浪涌、湍流等影响，海流机获得的瞬时转矩变化频繁。频繁变动的转矩引起电流基频的频繁变动。海流机实际运行中故障导致的谐波成分幅值很小，易淹没在变动的电流基频及环境噪声中，上述方法不能有效用于电流频率频繁变动的海流机检测。

针对轴转矩频繁变动导致的故障特征易被电流基频及噪声所淹没的问题，本文提出一种直驱式永磁同步海流机叶轮不平衡故障的检测方法。

首先，描述了海流机叶轮不平衡故障问题，推导出海流机受海流流速频繁变动影响下定子电流表达式。其次，通过分析海流机叶轮不平衡故障的特性，提出一种基于总体最小二乘-旋转矢量不变技术（Total LeastSquares- Estimation of Signal Parameters via Rotation Invariant Technique,TLS-ESPRIT）和伸缩变换的海流机叶轮不平衡故障检测方法。最后，分别搭建海流机仿真平台和海流样机实验平台，验证所提方法的有效性。该方法基于定子电流，对于保证海流机安全高效运行以及减少维护费用等方面具有重要的实际意义。

图6  海流发电系统实验平台

结论

针对轴转矩频繁变动导致的海流机叶轮不平衡故障特征易被电流基频及噪声所淹没的问题，本文提出一种基于TLS-ESPRIT和伸缩变换的检测方法。仿真及实验结果表明：

1）TLS-ESPRIT算法能够精确估计短时电流信号的瞬时频率，保证足够高的频率分辨率。

2）所提出的基于伸缩变换的数据标准化方法与GLRT检测器相结合，能够获取与不平衡分量变化规律相吻合的监测量，计算出反映故障程度的不平衡分量幅值。理论分析、仿真与海流实验结果验证了本文所提方法的有效性。该方法基于定子电流，易于实现，对于保证海流机安全高效运行及减少维护费用等方面具有重要的实际意义。