雙饋風(fēng)電機(jī)組電機(jī)自診斷技術(shù)

文 | 佘岳，徐鳳星，張少云，黃禹文

風(fēng)力發(fā)電作為清潔、豐富、可再生的能源，受到全世界的廣泛關(guān)注和重視，特別是近十多年得到了快速發(fā)展。采用雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)的大功率變速恒頻風(fēng)電機(jī)組具有風(fēng)能利用系數(shù)高、功率變流器所需容量小、機(jī)組有功和無(wú)功功率可單獨(dú)控制等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外主流的風(fēng)電機(jī)組類型之一。

變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組主要由葉輪及變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、增速齒輪箱、雙饋異步電機(jī)、塔筒、轉(zhuǎn)子雙向變流器和控制單元等組成。雙饋電機(jī)定子繞組通過(guò)定子開(kāi)關(guān)與工頻電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)“交—直—交”變流器與工頻電網(wǎng)連接。變流器通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流頻率、幅值和相位的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子開(kāi)關(guān)閉合前定子電壓的調(diào)節(jié)和定子開(kāi)關(guān)閉合后輸出有功、無(wú)功功率的控制。

由于維護(hù)方便、電氣安全、技術(shù)成熟度和成本等原因，目前國(guó)內(nèi)主流大功率風(fēng)電機(jī)組多采用低壓方案，并且將并網(wǎng)變流器布置在塔筒底部，而發(fā)電機(jī)則布置在近百米高的機(jī)艙內(nèi)。因此，機(jī)組需要從機(jī)艙到塔基布置雙饋發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的數(shù)十根電纜。在實(shí)際工程施工時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電纜極易出現(xiàn)短路、錯(cuò)相等各種錯(cuò)線的情況，且很難通過(guò)一般調(diào)試方法識(shí)別錯(cuò)線種類。

表1列舉了某2.0MW雙饋電機(jī)與變流器之間的電氣接口以及可能的錯(cuò)線種類及數(shù)量。

由表1可見(jiàn)，雙饋電機(jī)錯(cuò)線具體情況種類多，通過(guò)試錯(cuò)的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且很難快速識(shí)別錯(cuò)線種類，因此，研究一種雙饋電機(jī)錯(cuò)線自診斷的方法具有較大的實(shí)用價(jià)值。

基于定子電壓定向的雙饋電機(jī)并網(wǎng)控制方法

基于定子電壓定向的雙饋電機(jī)矢量控制的電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩、無(wú)功功率方程如式（1）—（4）所示。

忽略定子電阻、電流控制的電壓源變流器控制原理如式（5）所示。

表1 雙饋電機(jī)錯(cuò)線種類

式中，us和ψs為基于定子電壓定向的電機(jī)定子電壓d軸分量和磁鏈q軸分量，定子電壓q軸分量和磁鏈d軸分量為0；isd和isq分別為定子電流d、q軸分量；urd、urq、ird、irq、ψrd和ψrq是電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈d、q軸分量；Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和np分別是電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電阻，電感，互感和極對(duì)數(shù)； ωs和ωsl是電機(jī)定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)差頻率；Te和Qs分別為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子無(wú)功功率。

在風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)變槳和傳動(dòng)鏈系統(tǒng)，將雙饋發(fā)電機(jī)加速至并網(wǎng)轉(zhuǎn)速并向雙饋?zhàn)兞髌靼l(fā)出并網(wǎng)指令。采用基于定子電壓定向的雙饋電機(jī)并網(wǎng)控制方法如圖1所示。

從圖1可知，在定子開(kāi)關(guān)閉合前，系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)電壓幅值和電機(jī)轉(zhuǎn)速；根據(jù)電機(jī)參數(shù)，按照式（3）、（4）、（5）計(jì)算并控制電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，確保電機(jī)定子電壓的幅值和頻率與電網(wǎng)電壓一致。同時(shí)，對(duì)于安裝增量式轉(zhuǎn)速編碼器的電機(jī)，系統(tǒng)還通過(guò)檢測(cè)定子電壓，將其轉(zhuǎn)化為d、q 軸分量，再采用P調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，最終實(shí)現(xiàn)定子并網(wǎng)開(kāi)關(guān)兩端電壓差在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。在電機(jī)定子開(kāi)關(guān)閉合后，可通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令按照式（3）計(jì)算轉(zhuǎn)子有功電流參考值，通過(guò)無(wú)功功率指令按照式（4）計(jì)算轉(zhuǎn)子無(wú)功電流參考值，最終通過(guò)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器和式（5）控制轉(zhuǎn)子電流從而控制機(jī)組向電網(wǎng)輸出的有功和無(wú)功功率。

雙饋電機(jī)錯(cuò)線自診斷方法

本文針對(duì)目前雙饋風(fēng)電機(jī)組表1所述的錯(cuò)線類型和基于上文所述定子電壓與電網(wǎng)電壓同步的工況和控制方法，提出了雙饋電機(jī)系統(tǒng)化的電機(jī)錯(cuò)線自診斷方法。

一、電機(jī)錯(cuò)線自診斷原理

假設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和雙饋電機(jī)本身正常，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向正確，系統(tǒng)只存在電機(jī)定子或（和）轉(zhuǎn)子接線錯(cuò)相或（和）短路的情況。

電機(jī)轉(zhuǎn)子短路時(shí)，變流器會(huì)出現(xiàn)過(guò)流等類似故障，維護(hù)人員較易判斷出異常原因。本文不涉及該類工況。根據(jù)雙饋電機(jī)定子電壓產(chǎn)生原理，電機(jī)定子短路時(shí)，至少存在兩相間電壓基本為0的異常工況，而電機(jī)定、轉(zhuǎn)子錯(cuò)相的四種類型分別對(duì)應(yīng)定子電壓以下四種頻率，如式（6）所示。

因此，自診斷系統(tǒng)可以通過(guò)在電機(jī)定子開(kāi)關(guān)兩邊電壓同步工況下，首先對(duì)定子電壓幅值進(jìn)行檢測(cè)，排除定子接線短路的工況，然后對(duì)定子電壓鎖相，判斷定子電壓為式（6）中何種頻率，從而獲知錯(cuò)相類型。

二、自診斷方法

圖1 雙饋電機(jī)并網(wǎng)控制方法

由圖2可知，定子開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，系統(tǒng)首先控制定子電壓與電網(wǎng)電壓幅值、頻率和相位同步，并實(shí)時(shí)判斷轉(zhuǎn)子d、q軸實(shí)際電流與指令電流的跟蹤情況，同時(shí)對(duì)定子三相線電壓幅值進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流控制正常，但存在至少一相線電壓幅值小于門檻參數(shù)URms_Min時(shí)，系統(tǒng)診斷為電機(jī)定子短路。當(dāng)定子三相線電壓都大于門檻參數(shù)URms_Min時(shí)，則對(duì)定子電壓進(jìn)行鎖相，當(dāng)鎖相頻率與式（6）中某一頻率匹配時(shí)，則可判斷出為何種錯(cuò)相情況。

仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)本文提出的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子錯(cuò)線工況，在Matlab 2016a simulink8.5仿真軟件中對(duì)某2.0MW雙饋風(fēng)電變流器及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)搭建仿真模型進(jìn)行了原理仿真研究，并在株洲電力機(jī)車研究所風(fēng)電事業(yè)部裝備的電機(jī)背靠背對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真和試驗(yàn)結(jié)果都表明所提方法的正確性和有效性。仿真和試驗(yàn)主要參數(shù)如表2所示。

圖3為工況1仿真波形：發(fā)電機(jī)定子U、V相短路時(shí)三相定子電壓及圖3b診斷數(shù)據(jù)。圖中由上到下依次為定子三相電壓、定子三相電壓診斷輸入值及診斷結(jié)果?？芍?，存在UV相電壓小于參數(shù)URms_Min的情況，即系統(tǒng)診斷出電機(jī)定子存在兩相以上短路工況。

圖4為工況2仿真波形：發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子錯(cuò)相時(shí)，三相定子電壓及圖3c診斷模塊數(shù)據(jù)。圖中由上到下依次為電網(wǎng)和定子三相電壓、定子電壓鎖相頻率及診斷模塊輸入值和診斷結(jié)果?？梢?jiàn)，當(dāng)電網(wǎng)為50Hz正序電壓時(shí)，定子電壓頻率為-30Hz，系統(tǒng)在1s內(nèi)就診斷出結(jié)果。

圖5為工況3試驗(yàn)波形：發(fā)電機(jī)定子錯(cuò)相時(shí)，三相定子電壓及圖3c診斷模塊數(shù)據(jù)。圖中由上到下依次為電網(wǎng)兩相線電壓、兩相轉(zhuǎn)子電流和定子三相電壓?？梢?jiàn)電網(wǎng)電壓為正序50Hz時(shí)，定子電壓為負(fù)序50Hz。其他工況結(jié)果類似，限于論文篇幅，不再贅述。

圖2 電機(jī)錯(cuò)線自診斷方法

表2 仿真和試驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)

圖4 定、轉(zhuǎn)子同時(shí)錯(cuò)相時(shí)的仿真波形

從仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的電機(jī)錯(cuò)線自診斷方法正確且有效，具有較大的實(shí)際應(yīng)用意義。

圖5 定子錯(cuò)相時(shí)的試驗(yàn)波形

結(jié)論

針對(duì)目前大功率風(fēng)電機(jī)組雙饋電機(jī)存在定、轉(zhuǎn)子接線易錯(cuò)的實(shí)際情況，本文分析了發(fā)電機(jī)定子電壓在各種接線錯(cuò)誤工況下的特征，提出了基于定子電壓的機(jī)組自診斷的方法，仿真和試驗(yàn)都證實(shí)了所提方法的正確性和有效性，對(duì)于機(jī)組工況診斷具有較大的實(shí)用價(jià)值。