有关双馈风力发电机故障穿越控制问题分析韩迎春

有关双馈风力发电机故障穿越控制问题分析韩迎春

韩迎春

（国华（沽源）风电有限公司河北省张家口市076750）

摘要：随着社会的发展和时代的进步，地球的环境问题也越来越受到重视，我国也一直不断的大力倡导新能源的使用。其中，风力发电因其具有投资周期短、清洁环保、再生性强的特点，所以一直是国家的重点研究项目。近年来，随着大量的风力发电设备不断的投入使用，风电机组的电网电压故障穿越能力控制问题也日益凸显。通过对电网电压发生三相对称故障时的暂态分析，根据其运行特点，提出了一种电网故障时双馈风力发电机转子侧变流器低电压穿越控制策略，来实现当双馈风电机组在电网发生三相对称故障时的穿越。

关键词：三相对称故障；风力发电机；故障穿越

引言：

随着对风力发电研究的不断深入，风力发电技术也日渐成熟。由于风力发电相对其他发电设施有着较明显的优势，近年来，风力发电在我国发电市场中所占比例不断增大，大量大型风电场不断被建立。风力发电机的故障穿越能力作为风力发电的关键性技术之一，对其重视程度在近年来不断上升。对于如何在风电场和电网电压发生故障时对风电机实施行之有效的控制策略，避免风电机出现励磁失控，对风电机组的核心组件励磁控制变流器产生较大伤害，防止风电机的定、转子出现冲击电流、转矩突变，引发风电场的风电机组出现大规模连锁脱网事故等问题。各国的专家学者纷纷对风电机的故障穿越能力控制技术进行激烈的讨论和研究，并取得了较为成熟的研究成果。此研究成果大体可以分为增加拓扑结构的控制策略和完全依靠改进变流器的控制策略等两大类。本文通过对电网电压发生三相对称故障时的暂态分析，提出一种转子侧变流器低电压穿越的控制策略，仿真和实验结果表明此控制方法有良好效果。

一、双馈风力发电机的结构与特点

双馈风力发电机当中的“双馈”所指的是电机当中的定子与转子都能够实现电力供应过程。通常情况下，双馈式发电机所包含的主要部件为定、转子与接线盒，传动机构与冷却设备等。其中，转子结构主要存在成型绕组、散嵌绕组等形式；滑环系统主要包括碳刷、刷架、滑环、滑环风扇、滑环维护罩等部分，而滑环又分为热套式和环氧浇注式两种类型；冷却设备主要分为风冷式等多种形式。

如果从性质方面进行考虑，双馈式发电机可以划分到异步式发电机的范畴内，但此种发电机存在着与同步发电机类似的激磁绕组来对励磁过程与功率因素进行调控。所以，该发电机具有这两种发电机的优势。此种发电机有着体积小、无功功率调节简单便利、抗电磁干扰性能强等优势。并且它的励磁过程同其与其连接的供电网络并无过大的关系，能够由转子所在的电路直接完成。所以，发电机所输出的能量具有良好的稳定性，并且工作期间通常不会造成电网出现大幅度波动。系统能够对发电机励磁过程加以控制，进而实现对发电机运转状态参数与功率因数的高效调节。此外，双馈式发电机对于风力变化情况具有较强的适应性，同时可以保证输出电能的稳定可靠性。

二、双馈电机工作原理

根据定子磁场转动速率与转子磁场转动速率的关系，此种发电机的运转模式可以分为下面的三种：

（1）超同步模式。当定子磁场转动速率不高于转子磁场转动速率的条件下，转轴输出功率要高出定子磁场运行产生的功率。而转子所在电路无需供电网络提供直流励磁电流，并且还可以借助双脉冲宽度调制变流器有效的对供电网络提供电能支持，所以，在此种运行模式下，发电机可以同时利用定子所在电路与转子所在电路向供电网络输送电能。这样的模式便是发电机的正常运行模式。

（2）同步模式。在定子磁场转动速率与转子磁场转动速率相等的情况下，转轴所输出的功率同定子磁场运行产生的功率相差无几。这时，发电机尽可以借助定子所在的电路为供电网络提供电能，但转子所在电路无法进行参与，只可以接受供电网络所提供的直流励磁电流。在这种情况下，三者之间转动速率保持一致，所以，发电机的运行处于同步模式。

（3）亚同步模式。当定子磁场转动速率高于转子磁场转动速率时，转轴输出功率要比定子磁场运行产生的功率低。所以，处于此种运行模式下，供电网络则需利用双脉冲宽度调制变流器为转子所在电路供给电能，而电能输送任务由定子所在电路一方承担。这种工作模式又叫做补偿发电模式。具体运用过程中，双馈式发电机的运行模式同环境条件因素存在一定联系，如果风力比较下，那么发电机会以亚同步模式运行，而如果风力较大，那么发电机就会以正常状态（超同步模式）运行。

三、电网三相对称故障时双馈风力发电机暂态分析

双馈风力发电系统结构如图1所示，发电机定子绕组直接与三相电网相连，转子绕组由双PWM变频器提供励磁，以实现能量的双向流动。

五、低电压穿越控制策略实验研究

为了验证低电压穿越控制策略的有效性，对其进行了实验研究，使用参数为：双馈电机额定功率P=3kW，频率f=50Hz，定子为Y联结方式，电阻1.95Ω，漏感9.04mH；转子为Y联结方式，折算到定子侧后，电阻3.54Ω，漏感9.04mH，励磁电阻为9.42Ω，励磁电感为258.5mH。图6～图11为电网发生三相对称故障发电机的机端电压降到故障前的70%（或50%、30%）、故障持续500ms、转子侧变流器分别采用稳态控制策略和采用低电压穿越控制策略时的转子及定子电流的实验波形对比。由图6、8、10可知转子侧变流器采用稳态控制方式时，发电机转子电流略有增大（见图6a），图8a转子电流增大较显著，图10a严重过电流；而在低电压穿越控制方式下，电机转子电流基本保持正常运行的励磁电流（见图6b、8b、10b）。又由图7、9、11可以看出，在稳态控制方式下，定子电流略有增大（见图7a）或明显增大（见图9a）或严重过流（见图11a）；而在低电压穿越控制方式下，定子电流在故障时变化较小（图7、图9、图11b皆如此）。

通过上述实验研究结果可以得出，本文所介绍方法可以有效的在电网发生故障时对风电机组的穿越进行有效的控制，避免风电机出现励磁失控等问题，防止风电机的定子和转子出现冲击电流和转矩突变等问题，防止风电场大规模连锁脱网事故的发生。与当今已有的控制策略相比，本文所介绍的控制具有复杂程度低、计算过程简单等优势，是一种较为简单并且行之有效的控制策略。

参考文献

[1]房亮，刘平，张博.双馈风电机控制系统传感器的故障仿真[J].仪表技术，2014（02）：52-54.

[2]王顺来.双馈风电机组发电机变化对低电压穿越特性的影响研究[J].自动化应用，2015（10）：112-115.