一例雙饋發電機的并網故障分析

袁 煒，胡文勝，趙 宇

(許昌許繼風電科技公司，河南許昌 461000)

0 引言

雙饋發電機的并網過程復雜，分為空載勵磁、檢測定子電壓、斷路器合閘、發電機并網運行等幾個階段。在運行中，變流器的配置、發電機的配置兩者必須兼容。

如果變流器的軟件配置與發電機的配置不兼容，可能導致定子電壓不能滿足電網要求，發電機無法并網，或者并網后對發電機造成損害。

1 故障現象

2011年7月，采用A廠家的變流器、B廠家的發電機，某工廠進行2.0 MW雙饋型風力發電機的全功率實驗。

全功率實驗，分為空載運行、并網運行兩個階段。空載時，變流器為轉子提供勵磁，使得發電機的定子感應出滿足電網要求的電壓。當檢測到定子電壓、電網電壓同步后，進行發電機并網操作，通過對轉速、功率的調節，進行并網運行控制。

在實驗過程中，先后出現了定子電壓與電網電壓頻率、相位不同步的現象。

1.1 頻率不同步

采用A廠家的變流器、B廠家的發電機，通過設置變流器的參數，進行機組的空載勵磁實驗。

在實驗中，通過示波器檢測定子電壓，發現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

發現頻率不同步后，工作人員改變了發電機的轉子接線相序，將a-b-c換為b-a-c，頻率不同步的問題解決了，但隨后又出現了相位不同步的現象。

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

2 故障原因查找

2.1 變流器的空載勵磁原理

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

這種控制方案的優點是，結構簡單，只需要一個PI控制器;缺點是，一旦定子電壓出現故障，無法對外環的電壓進行自動調整。

圖1 變流器的空載勵磁控制原理圖

2.2 變流器算法對發電機配置的要求

A廠家變流器在設計時，是以這種標準來設計軟件算法的。

(1)發電機的配置

從軸伸端看，轉子逆時針旋轉，此種雙饋發電機(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、電流正方向按照發電機慣例，轉子電壓、電流正方向按照電動機慣例。定子三相繞組軸線a1、b1、c1在空間上是固定的，以a1軸為坐標參考軸。轉子繞組軸線a2、b2、c2隨轉子旋轉，a2與a1軸間的電角度θ為空間角位移變量。

圖3 DFIG的電磁轉換示意圖

DFIG的電磁轉換原理如圖3所示，空載運行時，變流器為轉子提供勵磁電壓，定子感應出電壓。

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

(2)變流器d-q變換的配置

d-q坐標變換即 park變換［3］，a-b-c到 d-q坐標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坐標系的排列順序，a-b-c三相繞組可以按照順時針或逆時針排列;②d-q軸的相對位置，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坐標系的旋轉方向，有些慣例選取順時針旋轉，有些則為逆時針旋轉。

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

2.3 發電機的實際配置

B廠家的發電機配置情況:從軸伸端看，定轉子繞組a-b-c均為順時針排列。

這樣，B廠家的發電機定轉子繞組順序不符合A廠家變流器的設計要求。變流器的d-q變換不會得到直流分量，而會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廠家的發電機轉子繞組a-b-c為順時針排列，轉子交流繞組流過的勵磁電流相序出錯，造成轉子合成磁勢 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，定子繞組為逆時針排列，轉子合成磁勢F·r以50 Hz逆時針旋轉。

可以得到對轉子電流的要求如下:①三相基波合成磁動勢的轉向取決于電流的相序，總是從超前的電流相轉向滯后的電流相。因此，轉子電流的相序應為負序;②轉子逆時針旋轉，轉子電流的頻率應為50 Hz與轉子機械頻率之差;③轉子電流的幅值應滿足電網電壓的要求。

試驗中，發電機的同步轉速為1 500 r/min，空載轉速為1 300 r/min，轉子合成磁勢F·r的頻率約為f=43.33+fir=50 Hz，fir=6.67 Hz。如圖 4 所示。

圖4 正常時轉子合成磁勢的原理

發電機的并網故障如圖5所示，轉子合成磁勢F·r的頻率約為 f=43.33-6.67=36.66 Hz，感應出的定子電壓頻率約為36.66 Hz。

圖5 非正常時轉子合成磁勢的原理

此時，只要調換任意兩根轉子接線，就可使轉子合成磁勢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。

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

從軸伸端看，B廠家的發電機轉子繞組a-b-c為順時針排列，定子電壓為負序，經d-q變換后的為二倍頻正弦，不能滿足變流器進入第二步的條件。變流器始終停留在第一步，而不能進入第二步進行相位同步操作。任意調換定子的兩根接線后，相位不同步的問題得以解決。

3 結語

分析了一例雙饋發電機的實驗故障，總結出變流器的軟件配置與雙饋發電機配置兩者的兼容非常重要。如果變流器的軟件配置與發電機的配置不兼容，可能導致發電機無法并網，或者并網后對發電機造成損害。

［1］苑國鋒，柴建云，李永東.變速恒頻風力發電機組勵磁變頻器的研究［J］.中國電機工程學報，2005，25(8):90-94.

［2］郎永強.交流勵磁雙饋電機風力發電系統控制技術研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.

［3］王永，沈頌華，關淼.新穎的基于電壓空間矢量三相雙向整流器的研究［J］.電工技術學報，2006，21(1):104-110.