風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率解耦計算

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雙饋發(fā)電機(jī)為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大部件之一，變流器經(jīng)過矢量計算調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，使得機(jī)組能夠變速恒頻運(yùn)行。雙饋變流器僅參與整機(jī)的20%功率控制即可實現(xiàn)整機(jī)的有功、無功平滑調(diào)節(jié)，其主要原理源于雙饋發(fā)電機(jī)的解耦計算。本文主要對雙饋發(fā)電機(jī)的功率解耦計算進(jìn)行闡述，講述雙饋發(fā)電機(jī)定子有功、定子無功與轉(zhuǎn)子dq 軸電流之間的關(guān)系。

1 雙饋發(fā)電機(jī)單相穩(wěn)態(tài)等效電路圖

在雙饋發(fā)電機(jī)單相穩(wěn)態(tài)等效電路圖中，Is為定子電流，Rs為定子電阻，jωsLos為定子漏抗，Us為定子相電壓，Es為定子的感應(yīng)電動勢，Im為虛擬勵磁電流。Ir為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流，Rr/s 為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，jωsLσγ為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗，Ur/s 為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電壓。

2 計算過程

可以通過機(jī)組的總輸出功率求得機(jī)組的機(jī)械功率：Pmec=P/η，式中Pmec為機(jī)械功率，P 為機(jī)組輸出功率，η 為機(jī)組效率。

圖1 單相穩(wěn)態(tài)等效電路

根據(jù)機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可通過機(jī)械功率求得定子功率指令值（假設(shè)機(jī)組未主動限制功率或轉(zhuǎn)矩）：式中Ps為定子有功功率，s 為轉(zhuǎn)差率；可求得：Isd=Ps/3Us，Isq=Qs/3Us，式中Isd為定子d 軸電流，Isq為定子q 軸電流，Us為定子電壓，Qs為定子無功功率（一般只要抵消掉機(jī)組其他輸出無功即可，整機(jī)輸出無功為0）。

根據(jù)d 軸電流和磁鏈關(guān)系可得[1]：Isd(Los+Lm)=Ird×Lm，式中Los為發(fā)電機(jī)定子漏感，Lm為發(fā)電機(jī)互感電感。即式中Xos為發(fā)電機(jī)定子漏抗，Xm為發(fā)電機(jī)互感電抗。

根據(jù)q 軸電流和磁鏈關(guān)系可得：Isq(Los+Lm)=Irq×Lm=ψs≈Im×Lm，式中ψs為定子磁鏈，Im為互感電流。即。

綜上可得：

因此轉(zhuǎn)子dq 軸電流與定子有功、無功之間存在上述等式關(guān)系。在雙饋變流器中輸入發(fā)電機(jī)參數(shù)Xm、Xσs等，變流器即可根據(jù)上述等式，通過控制轉(zhuǎn)子dq 軸電流達(dá)到控制定子有功無功的目的。

3 實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果對比

根據(jù)轉(zhuǎn)子Ird及Irq可以求得轉(zhuǎn)子模型電流轉(zhuǎn)子實際電流為Ir’=Ir×u ≈Ir×(Ns/Nr)，式中Ns為發(fā)電機(jī)定子繞組匝數(shù)，Nr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)，u 為發(fā)電機(jī)靜態(tài)變比。

已知某發(fā)電機(jī)型號為永濟(jì)1.5MW-YJ93A，電機(jī)參數(shù)：Xm=1.5642Ω,Xσs=0.02754Ω。對該發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作特性實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1。通過上述推導(dǎo)公式，計算結(jié)果如表2。由表1及表2可知，計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果基本一致。

表1 工作特性實驗數(shù)據(jù)

表2 推導(dǎo)計算結(jié)果

4 拓展應(yīng)用

目前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廣泛用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，但是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實際使用時，發(fā)電機(jī)和變流器會經(jīng)常發(fā)生故障，兩者故障率較高。又由于發(fā)電機(jī)和變流器緊密聯(lián)系在一起，兩者的故障現(xiàn)象一致，因此雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會發(fā)出同一個故障信號來表示發(fā)電機(jī)和變流器故障。但是在后期的維修過程中，維修工人無法判斷是發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障還是變流器出現(xiàn)故障，故障原因很難劃分。

對上述發(fā)電機(jī)還是變流器出現(xiàn)故障，目前主要是在靜態(tài)環(huán)境下（即在停機(jī)狀態(tài)下）通過絕緣搖表或者直阻測試儀對發(fā)電機(jī)進(jìn)行電阻檢測，但是此種檢測在靜態(tài)的時候檢測是正常的，但是當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還是會發(fā)出故障信號，此種靜態(tài)的檢測對發(fā)電機(jī)還是變流器出現(xiàn)故障容易判斷錯誤，實際錯誤故障不容易暴露，因此無法準(zhǔn)確判斷是發(fā)電機(jī)故障還是變流器故障。

通過該計算方法，現(xiàn)場人員可以通過粗略計算來判斷風(fēng)電機(jī)組雙饋發(fā)電機(jī)或雙饋變流器的故障。工作過程中，若變流器檢測轉(zhuǎn)子電流值與計算值出現(xiàn)明顯偏差，說明雙饋發(fā)電機(jī)勵磁特性出現(xiàn)變化，從某種角度上指明發(fā)電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了內(nèi)部故障，故障形式通常為繞組匝間短路、絕緣擊穿等。