基于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究與轉(zhuǎn)子故障仿真

李和明 李 爽 李永剛 王成勇

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 河北 保定 071003

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 能源消耗的逐年增加，常規(guī)能源資源面臨日益枯竭的窘迫，迫切需要一些清潔、無污染、可再生的新能源。在目前眾多可再生能源與新能源技術(shù)開發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價(jià)值，因而受到世界各國的普遍重視。在過去的10 年中，全世界的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)以年均28%的速度快速增長， 成為發(fā)展最快的可再生能源［1-2］。

目前的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要有雙饋異步、永磁直驅(qū)、普通異步等三種技術(shù)。在這三種技術(shù)中，變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)以其調(diào)速范圍寬、有功和無功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)以及所需勵(lì)磁變頻器容量較小等優(yōu)點(diǎn)，迅速取代傳統(tǒng)的恒速恒頻籠型異步發(fā)電機(jī)組， 成為國際主流風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品，占據(jù)市場90%份額。

雙饋型異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步電機(jī)，具有定、轉(zhuǎn)子兩套繞組；在控制中，DFIG 轉(zhuǎn)子一般由接到電網(wǎng)上的變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁。通過轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制，不但可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，而且還能實(shí)現(xiàn)輸出有功、無功功率的解耦。

本文通過對(duì)雙饋機(jī)原理及控制的分析， 利用MATLAB 軟件，搭建了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)的模型，為分析其正常及故障特性提供了一個(gè)軟件平臺(tái)。

1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理

圖1 為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡單構(gòu)造。其定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子由頻率、幅值、相位可調(diào)的電源供給三相低頻電流［1、4］。 雙饋電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步電機(jī)，由于實(shí)際上發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子都參與了勵(lì)磁，“雙饋”的含義因此而得。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組構(gòu)造圖

設(shè)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度為nr，轉(zhuǎn)子外加勵(lì)磁電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度為n2，定子同步磁場的旋轉(zhuǎn)速度為n1，他們之間的關(guān)系為n1＝n2+nr。

由于f1＝n1p/60 及f2＝n2p/60，則有：

可知， 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要運(yùn)行在三種狀態(tài)：

（1）次同步運(yùn)行狀態(tài)。 在此種狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于定子磁場同步轉(zhuǎn)速，f2大于0，頻率為f2的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相同。

（2）超同步運(yùn)行狀態(tài)。 此種狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于定子磁場同步轉(zhuǎn)速，f2小于0，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n2的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反。

（3）同步運(yùn)行狀態(tài)。 此種狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恰好等于定子磁場同步轉(zhuǎn)速，f2等于0，轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流勵(lì)磁。這表明此時(shí)通入轉(zhuǎn)子繞組的電流的頻率為0，也即是直流電流，因此與普通同步發(fā)電機(jī)一樣。

2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

下面來談?wù)撏叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型［5-7］。 為了得到簡化模型，做以下假定：

（1）設(shè)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子都為三相對(duì)稱繞組，均勻分布在電機(jī)圓周內(nèi)，氣隙均勻，電路、磁路呈對(duì)稱分布，忽略磁滯、渦流損耗和鐵耗。

（2）只考慮定、轉(zhuǎn)子電流的基波分量，忽略諧波分量。

（3）定轉(zhuǎn)子繞組均采用電動(dòng)機(jī)慣例，即定、轉(zhuǎn)子繞組電流以流入為正。

對(duì)于分析三相靜止坐標(biāo)系的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，可以參照同步發(fā)電機(jī)的分析方法，采用坐標(biāo)變換的思路進(jìn)行分析。

坐標(biāo)變換的思想是：將一個(gè)三相靜止坐標(biāo)系里的矢量，通過變換用一個(gè)兩相靜止坐標(biāo)下或兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系里的矢量表示，在變換時(shí)刻采取功率不變或幅值不變的原則。 變換前后的坐標(biāo)系如圖2所示。

由圖2 的變換，就把三相靜止坐標(biāo)系變換為兩相(d，q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 根據(jù)上述假定寫出雙饋發(fā)電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

磁鏈方程：

圖2 變換前后的坐標(biāo)系

電壓方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

聯(lián)立求解式方程即為雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全部狀態(tài)。

3 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的MATLAB仿真模型

前面討論了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理以及數(shù)學(xué)模型，而這些都只是研究雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行特性的理論基礎(chǔ)。 由于電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，存在其安全性和穩(wěn)定性，我們無法讓每一臺(tái)發(fā)電機(jī)接入實(shí)際電網(wǎng)然后觀測其運(yùn)行數(shù)據(jù)，所以對(duì)風(fēng)電機(jī)組的仿真就變得非常重要，本節(jié)利用MATLAB 軟件， 搭建了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真主要應(yīng)用了MATLAB 里Simpowersystems 中的元件模塊來構(gòu)成系統(tǒng)的模型,主要包括風(fēng)力機(jī)模型、信號(hào)反饋系統(tǒng)模型、定子和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制模型、三相電源模型、雙PWM 變頻器模型以及雙饋電機(jī)模型。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由6 臺(tái)單臺(tái)額定功率為1.5MW 的發(fā)電機(jī)組成，工作頻率為60Hz，額定線電壓為575V，發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)為3，定子繞組的電阻為rs＝0.23Ω，定子繞組的自感為Ls＝1.8H，轉(zhuǎn)子繞組的電阻為rr＝0.16Ω，轉(zhuǎn)子繞組的自感為Lr＝1.6H，定轉(zhuǎn)子的互感為Lm＝2.9H， 電網(wǎng)線電壓為120kV，額定風(fēng)速為15m/s。

3.1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的仿真

對(duì)于仿真雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程，在之前模型的基礎(chǔ)上加設(shè)一個(gè)三相斷路器，令斷路器事先出于斷開狀態(tài)，當(dāng)0.05s 開始仿真時(shí)令三相斷路器閉合，就可以仿真雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)過程，如圖3 所示。

當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)的定子電壓電流都處在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)風(fēng)速恒定，系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行仿真情況如下圖4：

圖3 仿真并網(wǎng)過程中加裝的三相斷路器

圖4 并網(wǎng)前后機(jī)組仿真情況

當(dāng)t＝0.05s 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)， 定子三相電流從零有一個(gè)突變，在極短的一段時(shí)間里，產(chǎn)生了沖擊電流。這是因?yàn)椴⒕W(wǎng)前定子輸出電壓與電網(wǎng)電壓存在著相位誤差和幅值誤差。 可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電分為三個(gè)階段： 并網(wǎng)前的空載運(yùn)行狀態(tài)，并網(wǎng)時(shí)的過渡過程和并網(wǎng)后的最大風(fēng)能捕捉的發(fā)電運(yùn)行過程。 由波形圖中可以明顯地看出雙饋發(fā)電機(jī)成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后的電壓和電流過渡過程。在并網(wǎng)之前， 空載發(fā)電機(jī)模型的矢量控制系統(tǒng)被激活；成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后，將狀態(tài)切換到發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)行最大風(fēng)能追蹤控制［8］，完成整個(gè)并網(wǎng)切換過程。

3.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不同相匝間短路故障的仿真

設(shè)置故障如下： 當(dāng)t＝0.05s 時(shí)， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)AB 相發(fā)生匝間短路，當(dāng)t＝0.15s 時(shí)，發(fā)電機(jī)匝間短路故障消失。在雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)模型內(nèi)置模型中加裝故障元件，得到下圖5 所示波形：

圖5 轉(zhuǎn)子匝間短路故障后波形

分析波形知，當(dāng)t＝0.05s 時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)AB相發(fā)生匝間短路，持續(xù)0.1s，這對(duì)發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓影響不大，但對(duì)定子電流影響很大，定子電流出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，三相定子電流幅值忽大忽?。挥泄β室恢毕陆抵恋錇樨?fù)值，這也就是說當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)生不同相間匝間短路后，發(fā)電機(jī)會(huì)被迫一段時(shí)間向電網(wǎng)吸收有功功率；而發(fā)電機(jī)無功功率也出現(xiàn)搖擺，但更多是向電網(wǎng)吸收無功功率，而且故障后發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)側(cè)的吸收有功無功狀況大致是稱成正比的。 故障后發(fā)電機(jī)輸出有功降低，無功出現(xiàn)波動(dòng)；故障消失后，定子電壓電流，發(fā)電機(jī)有功功率都回到正常運(yùn)行狀態(tài)，無功功率升高后緩慢下降至正常運(yùn)行狀態(tài)。 由此可見，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)不同相間發(fā)生匝間短路故障會(huì)嚴(yán)重影響雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，但故障消失后，發(fā)電機(jī)有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力，能夠恢復(fù)到故障前的正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文對(duì)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，建立了包括風(fēng)力機(jī)模型、信號(hào)反饋系統(tǒng)模型、矢量控制模型、雙PWM 變頻器模型以及雙饋發(fā)電機(jī)模型的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了并網(wǎng)狀態(tài)下正常運(yùn)行狀態(tài)以及在并網(wǎng)情況下發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子不同相匝間短路故障的仿真，通過對(duì)波形的分析，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

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