雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓穿越工況下的電磁場分析

趙　昂，張新燕，張　謙，徐其丹，宋振雨

(1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 新疆 烏魯木齊　830047；2.國網(wǎng)山東慶云縣供電公司，山東 德州　253700)

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雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓穿越工況下的電磁場分析

趙昂1，張新燕1，張謙1，徐其丹1，宋振雨2

(1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 新疆 烏魯木齊830047；2.國網(wǎng)山東慶云縣供電公司，山東 德州253700)

隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)大量的應(yīng)用，風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越情形越來越頻繁，低壓穿越工況對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)早期故障的影響越來越引起人們的注意，人們迫切需要知道在低壓穿越過程中電機(jī)內(nèi)部的電磁場的變化情況。利用Matlab軟件建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓穿越模型，仿真得到整個(gè)低壓穿越過程中電機(jī)內(nèi)部的電流值，并將得到的電流值加載到由ANSYS軟件建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型中，利用ANSYS軟件對(duì)整個(gè)低電壓穿越過程中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁場進(jìn)行仿真。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；ANSYS；電磁場

隨著風(fēng)電規(guī)模的日漸增長，風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占份額越來越大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響也越來越大。因此，世界各國紛紛要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在電網(wǎng)有較大電壓波動(dòng)出現(xiàn)時(shí)保持并網(wǎng)運(yùn)行，并當(dāng)故障清除后能夠向電網(wǎng)提供無功支持；在電網(wǎng)需要時(shí)，能快速向電網(wǎng)提供無功功率，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，這就要求風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力。同時(shí)，隨著雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用越來越多，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障情況也日益引起人們的關(guān)注。為了了解低電壓穿越工況對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)早期故障的影響，避免重大經(jīng)濟(jì)損失，人們迫切需要知道在低電壓穿越工況下電機(jī)內(nèi)部電磁場的變化情況。

目前流行的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模方式大多數(shù)為使用Matlab和PSCAD等軟件，利用派克變換的數(shù)學(xué)方式建立發(fā)電機(jī)模型，其中文獻(xiàn)[1]是利用Matlab建立了能夠表征變速恒頻風(fēng)電機(jī)組特性的整體動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[2]利用PSCAD/EMTDC軟件

仿真模擬了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 但是它們都不能夠仿真出電機(jī)內(nèi)部的磁場變化情況。雖然文獻(xiàn)[3-4]利用ANSYS軟件建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型，并計(jì)算出在電機(jī)正常狀態(tài)、不對(duì)稱短路和匝間短路故障下的電機(jī)內(nèi)部的電磁場和溫度場情況。但是并沒有研究在低電壓穿越工況下的電機(jī)內(nèi)部電磁1場變化情況。下面利用ANSYS軟件仿真計(jì)算出了在低壓穿越工況下的發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場的變化情況。

1　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)二維模型的建立

1.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator,DFIG)是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型之一。由定子繞組與電網(wǎng)直接相連的繞線型異步發(fā)電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源供給三相低頻交流勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)子繞組的低頻勵(lì)磁電流在電機(jī)內(nèi)部中形成一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度ω1與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速ω2相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速ω3，從而使發(fā)電機(jī)定子感應(yīng)出工頻電壓。當(dāng)風(fēng)速變化引起轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速變化ω2時(shí)，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的頻率改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ω1，可使定子旋轉(zhuǎn)磁場ω3保持恒定，達(dá)到變速恒頻的目的。

1.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型建立

由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部龐雜，在利用ANSYS軟件建模的時(shí)候部分進(jìn)行了簡化。同時(shí)電機(jī)因?yàn)槠渚哂休S對(duì)稱特性，建立了電機(jī)的1/4模型。表1為電機(jī)參數(shù)，圖1為電機(jī)模型和定轉(zhuǎn)子鐵心磁滯回線。

表1　電機(jī)參數(shù)

(a)2.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

(b)鐵心B-H曲線圖圖1　電機(jī)模型和定轉(zhuǎn)子鐵心磁滯回線

1.3模型的計(jì)算求解

建立二維雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析和計(jì)算。模型采用自動(dòng)智能網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，劃分后的模型如圖2所示。

利用有限元軟件對(duì)電機(jī)模型計(jì)算，就是利用軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力和仿真功能求解模型電磁場的克斯韋方程。方程組為

圖2　劃分網(wǎng)格后的模型

(1)

式中：E為磁場強(qiáng)度，V/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；D為電位移矢量，C/m2；H為磁場強(qiáng)度，A/m；ρ為電荷密度，C/m2。

求解麥克斯韋方程必須確定初始條件和邊界條件。初始條件為低壓穿越時(shí)電機(jī)的電流值。邊界條件選取Az=0?；喓蟮姆匠探M為

(2)

式中：Ω為求解域；Γ1為第一類邊界條件；Γ2為第二類邊界條件；Az為磁密矢量，Wb/m；Jz為電流密度，A/m2；μ為磁導(dǎo)率，H/m。

2　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓穿越電流的獲得

2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓同時(shí)跌落。由于風(fēng)速并未突變，在發(fā)生電壓跌落的瞬間風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率沒有突變，將導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子電流迅速上升，導(dǎo)致電容充電、直流電壓快速升高、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速、電磁轉(zhuǎn)矩突變等一系列問題，極易導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生故障。為保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般會(huì)從電網(wǎng)解列；但是隨著風(fēng)電的規(guī)模日益龐大，大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列，使電網(wǎng)電壓失去支撐，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響，因此國內(nèi)外都對(duì)風(fēng)電場提出了強(qiáng)制要求：在電網(wǎng)電壓跌落時(shí), 風(fēng)電場必須有維持與電網(wǎng)連接而不解列，甚至能夠在此過程中提供無功以支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)的能力，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要有低電壓穿越能力。

針對(duì)電網(wǎng)故障導(dǎo)致的電壓驟降，根據(jù)其嚴(yán)重程度分為3種情況。

1)較小的定子電壓對(duì)稱驟降：這種狀態(tài)下可通過控制系統(tǒng)的適當(dāng)設(shè)計(jì)使DFIG、變換器電流和電壓保持在其限額內(nèi)，無需保護(hù)動(dòng)作。

2)較大的定子電壓對(duì)稱驟降：此時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子過電流不可避免并將出現(xiàn)直流環(huán)節(jié)過電壓。這種情況下轉(zhuǎn)子快速短接保護(hù)Crowbar被激活，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被阻斷而網(wǎng)側(cè)變換器仍保持對(duì)直流母線電壓的控制。隨后可在交流電網(wǎng)恢復(fù)供電之前、后停止轉(zhuǎn)子Crowbar工作，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器解除阻斷而重新投入工作。

3)較大的極端電壓驟降和直流側(cè)出現(xiàn)超高過電壓，可設(shè)定將直流Crowbar電路投/切邏輯關(guān)系來激活、解除直流Crowbar電路，以期將直流環(huán)節(jié)電壓控制在安全范圍內(nèi)，確保網(wǎng)側(cè)變換器繼續(xù)安全工作。

選取第3種情況進(jìn)行分析，建立仿真模型。圖3為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越結(jié)構(gòu)圖。

圖3　低壓穿越結(jié)構(gòu)圖

2.2電網(wǎng)對(duì)稱故障情況下故障電流分析

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致機(jī)端電壓跌落，而定子磁鏈不能跟隨機(jī)端電壓突變。為維持定子磁鏈不變，定子側(cè)產(chǎn)生的電流直流分量切割旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組，會(huì)在轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和過電壓。

由于,2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的電阻很小，為了簡化分析，假定故障前阻值忽略不計(jì)。由于暫態(tài)過程很短，可以假設(shè)暫態(tài)過程中風(fēng)速未發(fā)生變化。

電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)其磁鏈表達(dá)式為

(3)

由公式(3)可以得出定轉(zhuǎn)子電流的表達(dá)式為

(4)

由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁鏈?zhǔn)沁B續(xù)變化的，可以通過研究定轉(zhuǎn)子磁鏈的暫態(tài)過程得到故障時(shí)定轉(zhuǎn)子電流變化。

由于電機(jī)繞組的電阻、定轉(zhuǎn)子磁鏈的直流分量會(huì)緩慢衰減，其衰減時(shí)間可以由定轉(zhuǎn)子電阻及短路時(shí)的定轉(zhuǎn)子等效電感決定,即

(5)

式中:Lsσ為定子漏感；Lrσ為轉(zhuǎn)子漏感?？梢郧蟪龆ㄞD(zhuǎn)子磁鏈在短路后的衰減時(shí)間常數(shù)為

(6)

由以上公式可得

(7)

為簡化分析,忽略了Crowbar電路中的放電電阻。當(dāng)Crowbar電路啟動(dòng)時(shí),相當(dāng)于增大轉(zhuǎn)子電阻,

圖4　定子電流

根據(jù)公式(6)可知轉(zhuǎn)子磁鏈的衰減常數(shù)會(huì)變小,加快了轉(zhuǎn)子磁鏈中暫態(tài)分量的衰減。當(dāng)Crowbar放電電阻很大時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)電阻同時(shí)也會(huì)在一定程度上影響定子側(cè)的衰減時(shí)間常數(shù),即加快定子側(cè)暫態(tài)磁鏈衰減過程。

系統(tǒng)設(shè)定Crowbar電路在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器峰值電流超過1.4 p.u.時(shí)投入工作。設(shè)置電網(wǎng)在0.2 s時(shí)發(fā)生三相對(duì)稱短路故障，電網(wǎng)電壓跌落至額定電壓的20%，電機(jī)定子電流瞬間上升到1.48 p.u.,Crowbar電路投入工作，定子電流逐漸降低，電流峰值穩(wěn)定在0.2 p.u.，0.3 s電網(wǎng)恢復(fù)正常，為有效避免與電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)間和自動(dòng)重合閘時(shí)間重疊，在當(dāng)Crowbar電路投入時(shí)間為0.08 s后，Crowbar電路被切除，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生尖峰電流隨后迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，得到電壓驟降80%時(shí)的定子電流如圖4所示。

3　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低壓穿越狀態(tài)下的電磁仿真

在發(fā)電機(jī)模型中定義氣隙磁密分析路徑和選取氣隙中的A點(diǎn)，將通過Matlab仿真得到的低電壓穿越過程中雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子電流做為載荷加在ANSYS模型中。選取在此過程中電機(jī)在正常、故障和故障恢復(fù)3種狀態(tài)進(jìn)行研究，得到雙饋風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)低電壓穿越過程中的各種電磁場數(shù)據(jù)。

1)正常狀態(tài)下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁場

當(dāng)電網(wǎng)未發(fā)生三相平衡故障，選取雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在0～0.02 s正常狀態(tài)下所得到的電機(jī)內(nèi)部的電磁場數(shù)據(jù)。圖5為A點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流變化的曲線，由圖5可知雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙中A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在正常狀態(tài)下是隨時(shí)間變化呈正弦響應(yīng)。

圖5　正常狀態(tài)A點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度

2)故障發(fā)生時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁場

選取當(dāng)電網(wǎng)剛發(fā)生三相平衡故障到電機(jī)Crowbar電路投入運(yùn)行的0.2～0.25 s時(shí)間段，進(jìn)行ANSYS瞬態(tài)計(jì)算得到電機(jī)內(nèi)部電磁場數(shù)據(jù)。圖6是A點(diǎn)磁場強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，由圖6可以看出轉(zhuǎn)子電流瞬間的變化會(huì)使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁場強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化，但是并未突變。

圖6　低電壓穿越工況下A點(diǎn)磁場強(qiáng)度

3)故障恢復(fù)正常狀態(tài)過程中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁場

選取從電網(wǎng)故障恢復(fù)到電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)的0.27～0.31 s這個(gè)時(shí)間段，計(jì)算電機(jī)內(nèi)部電磁場動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)。圖7是A點(diǎn)磁場強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，由圖7可知故障結(jié)束后雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化是正弦變化，已經(jīng)恢復(fù)正常。

圖7　正常狀態(tài)恢復(fù)過程A點(diǎn)磁場強(qiáng)度

狀態(tài)最小磁感應(yīng)強(qiáng)度最大磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值正常運(yùn)行狀態(tài)-0.0620.0650.127故障運(yùn)行狀態(tài)-0.0020.0030.005尖峰電流狀態(tài)-0.1000.0650.165

可以看出在電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱三相短路故障時(shí)電機(jī)內(nèi)部的磁場并未發(fā)生突變，而是平緩的變化。同時(shí)產(chǎn)生尖峰電流的時(shí)間段內(nèi)電網(wǎng)的磁場脈振是正常狀態(tài)的1.3倍，而故障狀態(tài)時(shí)的脈振則是正常狀態(tài)的0.003 9倍。電流的變化會(huì)最終作用在電機(jī)內(nèi)部，但是并不是瞬間發(fā)生，是一個(gè)漸進(jìn)的過程。電網(wǎng)在三相平衡故障時(shí)會(huì)使電機(jī)內(nèi)部磁隙畸變，但是當(dāng)電機(jī)在故障狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的磁場仍然是隨著電機(jī)電流的變化呈現(xiàn)正弦變化狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)從故障恢復(fù)后電機(jī)內(nèi)部電磁場會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4　結(jié)　論

通過ANSYS有限元分析軟件建立了2.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)二維有限元實(shí)體模型，并對(duì)其在低壓穿越整個(gè)工況下的電磁場進(jìn)行了計(jì)算和仿真。通過計(jì)算和仿真可以得到以下結(jié)論：

1)正常狀態(tài)下的電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度是按照正弦狀態(tài)分布的，同時(shí)氣隙內(nèi)任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)出正弦狀態(tài)。

2)在電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱三相短路的故障狀態(tài)下電機(jī)內(nèi)部氣隙上的磁感應(yīng)強(qiáng)度最終會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓的降低而降低。在故障發(fā)生的瞬間電機(jī)內(nèi)部的磁場強(qiáng)度并未發(fā)生突變，并且隨著時(shí)間的推移而降低，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3)在故障結(jié)束后，電機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)的情況下，電機(jī)內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本恢復(fù)到正常狀態(tài)。

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張新燕(1964)，博士、教授、碩士生導(dǎo)師，從事潔凈能源的科研工作。

With the widely application of doubly-fed wind power generators, the low voltage ride through of wind power generator system is becoming more and more frequent, and the influence of low voltage ride through condition on incipient fault of wind power generator has attracted much attention. It is urgent to know the changes of electromagnetic field inside the motor during low voltage ride through. The low voltage ride through model of doubly-fed wind power generator is established by Maltab software, and the current value inside the motor is obtained by the simulation during low voltage ride through. The obtained current value is loaded into the model of doubly-fed wind power generator established by ANSYS software, and the simulation of electromagnetic field inside doubly-fed induction generator in the whole process of low voltage ride is carried out with ANSYS software.

doubly-fed induction generator (DFIG); low voltage ride through; ANSYS; electromagnetic field

TM315

A

1003-6954(2016)03-0007-05

自然科學(xué)基金(201491112)

2016-01-18)