一例雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)故障分析

袁 煒，胡文勝，趙 宇

(許昌許繼風(fēng)電科技公司，河南許昌 461000)

0 引言

雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過(guò)程復(fù)雜，分為空載勵(lì)磁、檢測(cè)定子電壓、斷路器合閘、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行等幾個(gè)階段。在運(yùn)行中，變流器的配置、發(fā)電機(jī)的配置兩者必須兼容。

如果變流器的軟件配置與發(fā)電機(jī)的配置不兼容，可能導(dǎo)致定子電壓不能滿足電網(wǎng)要求，發(fā)電機(jī)無(wú)法并網(wǎng)，或者并網(wǎng)后對(duì)發(fā)電機(jī)造成損害。

1 故障現(xiàn)象

2011年7月，采用A廠家的變流器、B廠家的發(fā)電機(jī)，某工廠進(jìn)行2.0 MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全功率實(shí)驗(yàn)。

全功率實(shí)驗(yàn)，分為空載運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行兩個(gè)階段?？蛰d時(shí)，變流器為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁，使得發(fā)電機(jī)的定子感應(yīng)出滿足電網(wǎng)要求的電壓。當(dāng)檢測(cè)到定子電壓、電網(wǎng)電壓同步后，進(jìn)行發(fā)電機(jī)并網(wǎng)操作，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、功率的調(diào)節(jié)，進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行控制。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先后出現(xiàn)了定子電壓與電網(wǎng)電壓頻率、相位不同步的現(xiàn)象。

1.1 頻率不同步

采用A廠家的變流器、B廠家的發(fā)電機(jī)，通過(guò)設(shè)置變流器的參數(shù)，進(jìn)行機(jī)組的空載勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)示波器檢測(cè)定子電壓，發(fā)現(xiàn)定子電壓的頻率約為36.7 Hz，也就是頻率不同步。

1.2 相位不同步

發(fā)現(xiàn)頻率不同步后，工作人員改變了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子接線相序，將a-b-c換為b-a-c，頻率不同步的問(wèn)題解決了，但隨后又出現(xiàn)了相位不同步的現(xiàn)象。

利用示波器測(cè)定子電壓，頻率同步，幅值也正常。但是，定子電壓的相位與電網(wǎng)電壓始終存在偏差。

2 故障原因查找

2.1 變流器的空載勵(lì)磁原理

A廠家的變流器，其空載勵(lì)磁控制原理如下:采用矢量控制方案，外環(huán)(電壓環(huán))采用開(kāi)環(huán)控制，內(nèi)環(huán)(電流環(huán))采用閉環(huán)控制的方式，如圖1所示。

這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)PI控制器;缺點(diǎn)是，一旦定子電壓出現(xiàn)故障，無(wú)法對(duì)外環(huán)的電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

圖1 變流器的空載勵(lì)磁控制原理圖

2.2 變流器算法對(duì)發(fā)電機(jī)配置的要求

A廠家變流器在設(shè)計(jì)時(shí)，是以這種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)軟件算法的。

(1)發(fā)電機(jī)的配置

從軸伸端看，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此種雙饋發(fā)電機(jī)(double-fed induction generator，DFIG)的物理模型如圖2所示。

圖2 DFIG的物理模型

圖2中，定子電壓、電流正方向按照發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子電壓、電流正方向按照電動(dòng)機(jī)慣例。定子三相繞組軸線a1、b1、c1在空間上是固定的，以a1軸為坐標(biāo)參考軸。轉(zhuǎn)子繞組軸線a2、b2、c2隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，a2與a1軸間的電角度θ為空間角位移變量。

圖3 DFIG的電磁轉(zhuǎn)換示意圖

DFIG的電磁轉(zhuǎn)換原理如圖3所示，空載運(yùn)行時(shí)，變流器為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電壓，定子感應(yīng)出電壓。

A廠家的變流器要求:從軸伸端看，定子繞組為逆時(shí)針排列，轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)F·r以50 Hz逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次切割定子的a-b-c繞組，定子感應(yīng)出正序的電壓、電流。

(2)變流器d-q變換的配置

d-q坐標(biāo)變換即 park變換［3］，a-b-c到 d-q坐標(biāo)變換的變換矩陣有多種，影響變換矩陣的因素有以下幾方面:①a-b-c坐標(biāo)系的排列順序，a-b-c三相繞組可以按照順時(shí)針或逆時(shí)針排列;②d-q軸的相對(duì)位置，有些慣例選取d軸超前q軸，有些則選取q軸超前d軸90°;③d-q坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)方向，有些慣例選取順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有些則為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

只有在發(fā)電機(jī)繞組a-b-c的配置與變流器d-q變換的配置一致時(shí)，變流器才能正常工作。

2.3 發(fā)電機(jī)的實(shí)際配置

B廠家的發(fā)電機(jī)配置情況:從軸伸端看，定轉(zhuǎn)子繞組a-b-c均為順時(shí)針排列。

這樣，B廠家的發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組順序不符合A廠家變流器的設(shè)計(jì)要求。變流器的d-q變換不會(huì)得到直流分量，而會(huì)得到二倍頻的交流分量。

2.4 頻率不同步的原因

定子電壓頻率不同步的原因是:從軸伸端看，B廠家的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組a-b-c為順時(shí)針排列，轉(zhuǎn)子交流繞組流過(guò)的勵(lì)磁電流相序出錯(cuò)，造成轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì) F·r為 36.7 Hz左右，如圖 5 所示。

A廠家的變流器則要求，從軸伸端看，定子繞組為逆時(shí)針排列，轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)F·r以50 Hz逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

可以得到對(duì)轉(zhuǎn)子電流的要求如下:①三相基波合成磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)向取決于電流的相序，總是從超前的電流相轉(zhuǎn)向滯后的電流相。因此，轉(zhuǎn)子電流的相序應(yīng)為負(fù)序;②轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子電流的頻率應(yīng)為50 Hz與轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率之差;③轉(zhuǎn)子電流的幅值應(yīng)滿足電網(wǎng)電壓的要求。

試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，空載轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)F·r的頻率約為f=43.33+fir=50 Hz，fir=6.67 Hz。如圖 4 所示。

圖4 正常時(shí)轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)的原理

發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)故障如圖5所示，轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)F·r的頻率約為 f=43.33-6.67=36.66 Hz，感應(yīng)出的定子電壓頻率約為36.66 Hz。

圖5 非正常時(shí)轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)的原理

此時(shí)，只要調(diào)換任意兩根轉(zhuǎn)子接線，就可使轉(zhuǎn)子合成磁勢(shì)F·r頻率正常。

2.5 相位不同步的原因

定子電壓的相位控制是分兩步完成的。

變流器從第一步進(jìn)入第二步，是有條件的，那就是變流器先檢測(cè)定子電壓的d、q分量是否滿足要求。

從軸伸端看，B廠家的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組a-b-c為順時(shí)針排列，定子電壓為負(fù)序，經(jīng)d-q變換后的為二倍頻正弦，不能滿足變流器進(jìn)入第二步的條件。變流器始終停留在第一步，而不能進(jìn)入第二步進(jìn)行相位同步操作。任意調(diào)換定子的兩根接線后，相位不同步的問(wèn)題得以解決。

3 結(jié)語(yǔ)

分析了一例雙饋發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)故障，總結(jié)出變流器的軟件配置與雙饋發(fā)電機(jī)配置兩者的兼容非常重要。如果變流器的軟件配置與發(fā)電機(jī)的配置不兼容，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無(wú)法并網(wǎng)，或者并網(wǎng)后對(duì)發(fā)電機(jī)造成損害。

［1］苑國(guó)鋒，柴建云，李永東.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變頻器的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(8):90-94.

［2］郎永強(qiáng).交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］王永，沈頌華，關(guān)淼.新穎的基于電壓空間矢量三相雙向整流器的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(1):104-110.