電纜參數對變流器供電雙饋發電機端電壓的影響

趙奉斌， 趙　磊（北車風電有限公司，山東濟南250104）

電纜參數對變流器供電雙饋發電機端電壓的影響

趙奉斌， 趙磊
（北車風電有限公司，山東濟南250104）

變流器長線傳輸供電對發電機端電壓的影響已經引起了人們的足夠重視，針對長線傳輸的研究已取得了一定的成果，然而電纜參數對發電機端電壓的影響卻未能引起足夠的重視。電纜參數受電纜結構與敷設方式影響很大，現有的電纜參數計算與測試方法相對匱乏且受應用場所的限制。COMSOL Mu1tiPhysics具有強大的電磁場分析計算能力，基于電纜結構與敷設方式的不同，分別在COMSOLMu1tiPhysics建立了仿真模型，通過仿真分析計算出不同電壓頻率下的電纜參數。然后依據變流器供電的發電機端電壓等效電路，在Mat-1ab/Simi1ink軟件中建立仿真模型，驗證不同電纜參數對發電機端電壓的影響。

電纜參數；變流器；端電壓；COMSOL Mu1tiPhysics；Mat1ab/Simi1ink

0　引 言

近年來隨著風力發電的發展，基于IGBT的變流器技術在風力發電領域得到廣泛應用。伴隨這一過程，變流器供電引起的發電機端電壓過高而造成的發電機損壞問題開始顯現，風電場運行過程中因發電機端電壓過高出現的軸承損壞、絕緣損壞的故障屢見不鮮。工業傳動中曾出現的長線供電成為人們熟知的原因，但對電纜參數的影響卻未引起足夠的重視。本文在分析電纜參數影響因素的基礎上，通過對變流器供電的發電機在Mat1ab/Simu1ink軟件中建立仿真模型，分析計算不同電纜參數對發電機端電壓的影響。

1　電纜參數

電纜的主要電氣參數有電阻、電感、電導和電容，這些參數稱為電纜的一次參數，而波阻抗Zc、傳輸系數γ由上述參數經過計算而得，稱為電纜的二次參數。式中：R、L、G、C分別為單位長度電纜的電阻、電感、電導、電容［1］。在純阻性電路中，電導G的數值為電阻R的倒數。

電纜的電氣參數受電纜的結構、導體的絞合方式、電纜的敷設布局等影響很大，下文將對各項影響因素分別進行研究。

1.1 計算模型

以185 mm2五類軟導體單芯絞合電纜為例，在COMSOL Mu1tiPhysics中建模分析，參考GB/T3956—2008中相關要求，導體最大直徑為0.51 mm［2］，建立導體的二維仿真模型如圖1所示。

圖1　COMSOL Mu1tiPhysics中導體二維仿真模型

1.2 電纜結構

目前在風電領域得到廣泛應用的電纜多為乙丙橡膠絕緣電纜或交聯聚乙烯電纜，其典型結構由導體、絕緣層、護套構成，其典型結構如圖2所示。

圖2　電纜結構示意圖

1.3 絞線結構

電力電纜的線芯由一根根截面積較小的導體分層按照一定方向和規律螺旋絞合在一起，典型電纜絞合三維示意如圖3所示［3］。

圖3　線芯絞合示意圖

根據每層導體間絞合方向的差異，電纜絞合又有同向絞合和異向絞合之分，絞合不同會對電纜的交流電阻產生一定影響。

（1）絞線節距

電纜絞線參數決定了電纜的物理結構，進而決定了電纜的電氣性能，其中最為關鍵的參數為節距。

單根導線繞線芯旋轉一周在線芯軸向方向上前進的長度稱為節距，節距示意圖見圖4。

（2）影響分析

假設每層導體節距相同，對相同節距下同向絞合與異向絞合的電纜分別進行計算，同向絞合與異向絞合的電阻差隨節距及溫度的變化曲線如圖5所示。

圖4　節距示意圖

圖5　同向、異向絞合交流電阻差隨節距及溫度變化曲線

由圖5可以看出，同向絞合與異向絞合的電阻差隨絞線節距的變大逐漸變小。在絞線節距大于0.6 m時，同向絞合與異向絞合電纜的交流電阻基本相等；同時可以看出溫度越高，絞線節距對電阻差的影響越小。

1.4 敷設方式的影響

在風電場實際應用中，電纜的敷設方式有等距平行敷設、等邊三角形敷設。仍以185 mm2五類軟導體單芯絞合電纜為例，取其節距為0.6 m，在COMSOL Mu1tiPhysics分別建立等距平行敷設、等邊三角形敷設的仿真模型如圖6、圖7所示。

圖6　電纜等距平行敷設仿真模型

利用仿真模型分別計算出平行等距敷設與等邊三角形敷設狀態下單位長度電纜的參數如表1、表2。

表1　平行等距敷設電纜參數表

圖7　電纜等邊三角形敷設仿真模型

表2　等邊三角形敷設電纜參數表

對比表1與表2的相關參數發現，無論是平行等距敷設方式還是等邊三角形敷設方式，對單位長度電纜的電阻基本沒有影響，但在等邊三角形敷設方式中電纜的單位長度電感有所降低，同時單位長度電容明顯變大。

2　發電機端電壓仿真分析

2.1 變流器供電單相等效電路

變流器供電的發電機的等效單相供電電路如圖8所示［4］。

圖8　變流器供電的發電機單相等效電路圖

在圖8中，Zs為變流器特征阻抗，Zc為電纜特征阻抗，ZR為發電機特征阻抗。目前在風電領域廣泛使用的為電壓源型變流器，其機側特征阻抗Zs≈0。

以ABB上海高壓電機廠生產的2 MW雙饋異步發電機作為仿真對象，其轉子繞組在120℃的折算電阻R=2.17×10-3Ω，折算電抗L=5.668× 10-5H，發電機端電容忽略不計。

2.2 仿真分析模型

根據圖8所示變流器供電的單相等效電路建立仿真模型如圖9所示。

圖9 變流器供電發電機系統仿真模型

2.3 仿真結果

（1）平行等距敷設電纜仿真

在圖9仿真電路中，設置脈沖電壓頻率f= 500 Hz，電壓Us=500 V，逆變器特征阻抗Zs忽略不計，使用表1中500 Hz下的電纜參數及ABB 2 MW發電機參數，進行仿真計算，結果如圖10所示。

圖10 電纜平行等距敷設時的發電機端電壓

（2）等邊三角形敷設仿真結果

同樣在圖9所示仿真電路中，設置脈沖電壓頻率f=500 Hz，電壓Us=500 V，逆變器特征阻抗Zs忽略不計，使用表2中500 Hz下的電纜參數及ABB 2 MW發電機參數，進行仿真計算，結果如圖11所示。

圖11 電纜等邊三角形敷設時的發電機端電壓

3　結 論

對比圖10與圖11的仿真結果發現，當電纜以等邊三角形敷設時，發電機端電壓較電纜平行敷設時有明顯降低，并且端電壓的震蕩周期明顯減少。

綜合文中所述，在變流器供電的發電機系統中電纜的絞合方式與電纜敷設方式均會影響電纜的電氣性能參數，進而影響發電機端電壓。

在電纜的生產與敷設過程中應盡可能地加大電纜節距并在三相電纜間使用等邊三角形敷設的方式。

［1］ 邱關源.電路基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ GB/T 3596—2008 電纜的導體［S］.

［3］ 張小輝.單芯電力電纜交流電阻以及復合屏蔽層渦流損耗的計算［D］.廣州：華南理工大學，2014.

［4］ 萬健如，林志強，禹華軍.電纜長度對PWM逆變器驅動電機端電壓的影響［J］.電力電子技術，2011，35（6）：26-29.

The Influence of Cable Parameters on the Voltage of Doubly-Fed Generator SuPPlyed by Converter

ZHAO Feng-bin，ZHAO Lei
（CNRWind Turbine Co.，Ltd.，Jinan 250104，China）

The inf1uenceon the end vo1tage of generatorwhich is suPP1yed by converter through 1ong transmission 1ine have aroused PeoP1e＇s enough attention，and studied and made some achievements.However，the effects of cab1e Parameters was fai1ed to attractmore attention.Cab1e Parameters was affected by cab1e structure and 1ay way，however the ca1cu1ation and testingmethods are re1ative1y scarce and 1imited by aPP1ication P1ace.COMSOL Mu1tiPhysics has strong abi1ity of e1ectromagnetic fie1d ana1ysis and ca1cu1ation.So bui1d differentmode1of cab1e with COMSOLMu1-tiPhysics dePend on the cab1e structure and 1ay way.Then through simu1ation get different cab1e Parameters for the different frequency.At 1astbui1d themode1according to the equiva1ent circuits of converter Powered generator in Mat1ab/ Simi1ink，and use this get the inf1uence on generator end vo1tage of different cab1e Parameters

cab1e Parameters；converter；end vo1tage；COMSOLMu1tiPhysics；Mat1ab/Simi1ink

TM206

A

1672-6901（2016）03-0036-04

2015-09-10

趙奉斌（1987-），男，工程師.

作者地址：山東濟南市高新區世紀大道3666號［250104］.