雙饋風力發電機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. 新疆大學電氣工程學院 新疆 烏魯木齊　830047；2.國網山東慶云縣供電公司，山東 德州　253700)

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雙饋風力發電機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. 新疆大學電氣工程學院 新疆 烏魯木齊830047；2.國網山東慶云縣供電公司，山東 德州253700)

隨著雙饋風力發電機大量的應用，風電機組的低壓穿越情形越來越頻繁，低壓穿越工況對風力發電機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內部的電磁場的變化情況。利用Matlab軟件建立雙饋風力發電機低壓穿越模型，仿真得到整個低壓穿越過程中電機內部的電流值，并將得到的電流值加載到由ANSYS軟件建立雙饋風力發電機模型中，利用ANSYS軟件對整個低電壓穿越過程中雙饋風力發電機內部的電磁場進行仿真。

雙饋風力發電機；低電壓穿越；ANSYS；電磁場

隨著風電規模的日漸增長，風力發電在電力系統中所占份額越來越大，風力發電系統對電網的影響也越來越大。因此，世界各國紛紛要求風力發電機組能夠在電網有較大電壓波動出現時保持并網運行，并當故障清除后能夠向電網提供無功支持；在電網需要時，能快速向電網提供無功功率，調節和穩定電網電壓，這就要求風電機組具有低電壓穿越能力。同時，隨著雙饋風力發電機的應用越來越多，雙饋風力發電機故障情況也日益引起人們的關注。為了了解低電壓穿越工況對雙饋風力發電機早期故障的影響，避免重大經濟損失，人們迫切需要知道在低電壓穿越工況下電機內部電磁場的變化情況。

目前流行的雙饋風力發電機建模方式大多數為使用Matlab和PSCAD等軟件，利用派克變換的數學方式建立發電機模型，其中文獻[1]是利用Matlab建立了能夠表征變速恒頻風電機組特性的整體動態數學模型。文獻[2]利用PSCAD/EMTDC軟件

仿真模擬了雙饋風力發電機。 但是它們都不能夠仿真出電機內部的磁場變化情況。雖然文獻[3-4]利用ANSYS軟件建立了雙饋風力發電機的模型，并計算出在電機正常狀態、不對稱短路和匝間短路故障下的電機內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內部電磁1場變化情況。下面利用ANSYS軟件仿真計算出了在低壓穿越工況下的發電機內部磁場的變化情況。

1　雙饋風力發電機二維模型的建立

1.1雙饋風力發電機

雙饋風力發電機(doubly-fed induction generator,DFIG)是目前應用最為廣泛的風力發電機類型之一。由定子繞組與電網直接相連的繞線型異步發電機和安裝在轉子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。轉子繞組由頻率、相位、幅值都可調節的電源供給三相低頻交流勵磁電流。轉子繞組的低頻勵磁電流在電機內部中形成一個低速旋轉磁場，其旋轉速度ω1與轉子機械轉速ω2相加等于定子磁場的同步轉速ω3，從而使發電機定子感應出工頻電壓。當風速變化引起轉子機械轉速變化ω2時，可以通過調整轉子繞組勵磁電流的頻率改變旋轉磁場的轉速ω1，可使定子旋轉磁場ω3保持恒定，達到變速恒頻的目的。

1.2雙饋風力發電機的模型建立

由于雙饋風力發電機內部龐雜，在利用ANSYS軟件建模的時候部分進行了簡化。同時電機因為其具有軸對稱特性，建立了電機的1/4模型。表1為電機參數，圖1為電機模型和定轉子鐵心磁滯回線。

表1　電機參數

(a)2.5 MW雙饋風力發電機模型

(b)鐵心B-H曲線圖圖1　電機模型和定轉子鐵心磁滯回線

1.3模型的計算求解

建立二維雙饋風力發電機的模型，對其進行有限元分析和計算。模型采用自動智能網格對計算區域進行劃分，劃分后的模型如圖2所示。

利用有限元軟件對電機模型計算，就是利用軟件強大的計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　劃分網格后的模型

(1)

式中：E為磁場強度，V/m；B為磁感應強度,T；D為電位移矢量，C/m2；H為磁場強度，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電機的電流值。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為磁導率，H/m。

2　雙饋風力發電機低壓穿越電流的獲得

2.1雙饋風力發電機低電壓穿越技術

雙饋式風力發電機在電網發生電壓跌落時，風力發電機機端電壓同時跌落。由于風速并未突變，在發生電壓跌落的瞬間風力發電機的功率沒有突變，將導致定子和轉子電流迅速上升，導致電容充電、直流電壓快速升高、發電機轉子加速、電磁轉矩突變等一系列問題，極易導致電機發生故障。為保障風力發電機的安全，風力發電機一般會從電網解列；但是隨著風電的規模日益龐大，大規模風電機組從電網解列，使電網電壓失去支撐，可能導致嚴重的連鎖反應，對電網的穩定造成嚴重影響，因此國內外都對風電場提出了強制要求：在電網電壓跌落時, 風電場必須有維持與電網連接而不解列，甚至能夠在此過程中提供無功以支持電網電壓恢復的能力，即風力發電機需要有低電壓穿越能力。

針對電網故障導致的電壓驟降，根據其嚴重程度分為3種情況。

1)較小的定子電壓對稱驟降：這種狀態下可通過控制系統的適當設計使DFIG、變換器電流和電壓保持在其限額內，無需保護動作。

2)較大的定子電壓對稱驟降：此時DFIG轉子過電流不可避免并將出現直流環節過電壓。這種情況下轉子快速短接保護Crowbar被激活，轉子側變換器被阻斷而網側變換器仍保持對直流母線電壓的控制。隨后可在交流電網恢復供電之前、后停止轉子Crowbar工作，轉子側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出現超高過電壓，可設定將直流Crowbar電路投/切邏輯關系來激活、解除直流Crowbar電路，以期將直流環節電壓控制在安全范圍內，確保網側變換器繼續安全工作。

選取第3種情況進行分析，建立仿真模型。圖3為雙饋風力發電機低電壓穿越結構圖。

圖3　低壓穿越結構圖

2.2電網對稱故障情況下故障電流分析

在雙饋風力發電機并網運行時，其定子側與電網直接相連，當電網發生三相對稱故障時，電網電壓跌落導致機端電壓跌落，而定子磁鏈不能跟隨機端電壓突變。為維持定子磁鏈不變，定子側產生的電流直流分量切割旋轉的轉子繞組，會在轉子側過電流和過電壓。

由于,2.5 MW風力發電機定轉子的電阻很小，為了簡化分析，假定故障前阻值忽略不計。由于暫態過程很短，可以假設暫態過程中風速未發生變化。

電機穩態運行時其磁鏈表達式為

(3)

由公式(3)可以得出定轉子電流的表達式為

(4)

由于雙饋風力發電機內部磁鏈是連續變化的，可以通過研究定轉子磁鏈的暫態過程得到故障時定轉子電流變化。

由于電機繞組的電阻、定轉子磁鏈的直流分量會緩慢衰減，其衰減時間可以由定轉子電阻及短路時的定轉子等效電感決定,即

(5)

式中:Lsσ為定子漏感；Lrσ為轉子漏感?？梢郧蟪龆ㄞD子磁鏈在短路后的衰減時間常數為

(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Crowbar電路啟動時,相當于增大轉子電阻,

圖4　定子電流

根據公式(6)可知轉子磁鏈的衰減常數會變小,加快了轉子磁鏈中暫態分量的衰減。當Crowbar放電電阻很大時,轉子側電阻同時也會在一定程度上影響定子側的衰減時間常數,即加快定子側暫態磁鏈衰減過程。

系統設定Crowbar電路在轉子側變換器峰值電流超過1.4 p.u.時投入工作。設置電網在0.2 s時發生三相對稱短路故障，電網電壓跌落至額定電壓的20%，電機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，電流峰值穩定在0.2 p.u.，0.3 s電網恢復正常，為有效避免與電網電壓恢復時間和自動重合閘時間重疊，在當Crowbar電路投入時間為0.08 s后，Crowbar電路被切除，轉子電流產生尖峰電流隨后迅速恢復至穩定狀態，得到電壓驟降80%時的定子電流如圖4所示。

3　雙饋風力發電機低壓穿越狀態下的電磁仿真

在發電機模型中定義氣隙磁密分析路徑和選取氣隙中的A點，將通過Matlab仿真得到的低電壓穿越過程中雙饋電機轉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在正常、故障和故障恢復3種狀態進行研究，得到雙饋風機在電網低電壓穿越過程中的各種電磁場數據。

1)正常狀態下的雙饋風力發電機內部電磁場

當電網未發生三相平衡故障，選取雙饋風力發電機在0～0.02 s正常狀態下所得到的電機內部的電磁場數據。圖5為A點磁感應強度隨電流變化的曲線，由圖5可知雙饋風力發電機氣隙中A點的磁感應強度在正常狀態下是隨時間變化呈正弦響應。

圖5　正常狀態A點磁感應強度

2)故障發生時雙饋風力發電機內部電磁場

選取當電網剛發生三相平衡故障到電機Crowbar電路投入運行的0.2～0.25 s時間段，進行ANSYS瞬態計算得到電機內部電磁場數據。圖6是A點磁場強度隨時間的變化曲線，由圖6可以看出轉子電流瞬間的變化會使雙饋風力發電機內部的電磁場強度發生相應的變化，但是并未突變。

圖6　低電壓穿越工況下A點磁場強度

3)故障恢復正常狀態過程中雙饋風力發電機內部電磁場

選取從電網故障恢復到電機恢復正常運行狀態的0.27～0.31 s這個時間段，計算電機內部電磁場動態變化的數據。圖7是A點磁場強度隨時間的變化曲線，由圖7可知故障結束后雙饋風力發電機氣隙磁感應強度隨時間的變化是正弦變化，已經恢復正常。

圖7　正常狀態恢復過程A點磁場強度

狀態最小磁感應強度最大磁感應強度幅值正常運行狀態-0.0620.0650.127故障運行狀態-0.0020.0030.005尖峰電流狀態-0.1000.0650.165

可以看出在電網發生對稱三相短路故障時電機內部的磁場并未發生突變，而是平緩的變化。同時產生尖峰電流的時間段內電網的磁場脈振是正常狀態的1.3倍，而故障狀態時的脈振則是正常狀態的0.003 9倍。電流的變化會最終作用在電機內部，但是并不是瞬間發生，是一個漸進的過程。電網在三相平衡故障時會使電機內部磁隙畸變，但是當電機在故障狀態運行時，電機內部的磁場仍然是隨著電機電流的變化呈現正弦變化狀態。當電機從故障恢復后電機內部電磁場會恢復到正常狀態。

4　結　論

通過ANSYS有限元分析軟件建立了2.5 MW雙饋風力發電機二維有限元實體模型，并對其在低壓穿越整個工況下的電磁場進行了計算和仿真。通過計算和仿真可以得到以下結論：

1)正常狀態下的電機內部的氣隙磁感應強度是按照正弦狀態分布的，同時氣隙內任意一點的磁感應強度也隨著時間的變化呈現出正弦狀態。

2)在電網發生對稱三相短路的故障狀態下電機內部氣隙上的磁感應強度最終會因為電網電壓的降低而降低。在故障發生的瞬間電機內部的磁場強度并未發生突變，并且隨著時間的推移而降低，最終達到穩定狀態。

3)在故障結束后，電機恢復到正常狀態的情況下，電機內部的磁感應強度基本恢復到正常狀態。

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張新燕(1964)，博士、教授、碩士生導師，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

自然科學基金(201491112)

2016-01-18)