基于MATLAB的雙饋發(fā)電機(jī)功率突變仿真分析和故障診斷

李賀來，王崢夏

（1.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司；2.許昌開普檢測(cè)技術(shù)有限公司，河南 許昌 461000）

智能電網(wǎng)的建設(shè)不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電也獲得了很大的發(fā)展機(jī)遇，風(fēng)電機(jī)組的規(guī)模日益擴(kuò)大，呈現(xiàn)出規(guī)模化、大型化、多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。在此背景下，雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)因其在變速恒頻、功率控制等方面具有的優(yōu)點(diǎn)，而獲得了電力用戶的普遍青睞，應(yīng)用日益廣泛。然而，目前對(duì)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究大多集中在控制策略、并網(wǎng)穩(wěn)定性以及電網(wǎng)故障等方面上，對(duì)其在發(fā)電機(jī)功率突變等特殊情況下的運(yùn)行特性研究較少，基于此，本文結(jié)合一起雙饋發(fā)電機(jī)實(shí)際故障，根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型在MATLAB中進(jìn)行仿真分析，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行特性進(jìn)行故障分析和診斷。

1 雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和功率特性分析

1.1 雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

為了方便分析，簡(jiǎn)化模型，本文建立的數(shù)學(xué)模型是采用發(fā)電機(jī)使用慣例，其中，依據(jù)發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定定子的電壓電流方向，依據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定轉(zhuǎn)子的電壓電流方向，同時(shí)規(guī)定繞組軸線正方向和磁鏈正方向相同，并采用矢量控制法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)功率；基于此，在同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系下，建立了下文所述的雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型：

上述公式中，p為微分算子；R1、R2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；l1、l2、lm分別為d-q軸定、轉(zhuǎn)子繞 組 自 感 及 互 感；id1、iq1、id2、iq2、ud1、uq1、ud2、uq2分別為d-q軸定、轉(zhuǎn)子電流與電壓；ψd1、ψq1、ψd2、ψq2分別為d-q軸定、轉(zhuǎn)子磁鏈；ω1、ω2分別為定、轉(zhuǎn)子角速度；ωs為轉(zhuǎn)差角速度。

1.2 雙饋發(fā)電機(jī)功率特性分析

（1）有功功率。在不考慮損耗進(jìn)行計(jì)算，可知雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率：

δ是雙饋發(fā)電機(jī)功角；Psvn：定子側(cè)同步電磁功率；Par：轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)差功率；Pas：定子側(cè)異步電磁功率。

由上式（2）可見，雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率與各控制參數(shù)、電機(jī)參數(shù)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況等因素有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的多元函數(shù)。

（2）無功功率。雙饋發(fā)電機(jī)無功功率為：

由上式（3）可見，雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)無功功率可分解為不可控部分Q11和可控部分Q12，其中，不可控部分Q11受到定子電壓、電機(jī)參數(shù)、轉(zhuǎn)差率等因素影響；可控部分Q12受到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓影響。因此，在轉(zhuǎn)差率s不變的情況下，調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓即可調(diào)控雙饋發(fā)電機(jī)的無功功率。

2 雙饋發(fā)電機(jī)控制策略

在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，雙饋發(fā)電機(jī)功率的控制，也可以認(rèn)為是對(duì)電流的控制。依據(jù)矢量控制的原理，功率控制要充分考慮到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，如果要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制有功功率和無功功率，必須通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流矢量來控制有功分量和無功分量。可以說，雙饋發(fā)電機(jī)的功率矢量控制就是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和電壓的矢量控制。

本文采用了調(diào)控轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電壓來控制電流的控制思路，當(dāng)調(diào)控至雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流頻率與轉(zhuǎn)差相同，且轉(zhuǎn)子電流的有功和無功分量呈一定關(guān)系變化時(shí)，根據(jù)二者之間的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)定子電流的控制，進(jìn)而也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出功率的控制。

此外，為了控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，必須調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)磁通。但是由于雙饋發(fā)電機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流的都是交流量，如果要提高控制轉(zhuǎn)速的性能，就要通過矢量控制方法把交流量分解成有功分量和無功分量，同時(shí)再利用閉環(huán)控制有功和無功分量，就可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的要求。機(jī)側(cè)變流器模塊控制框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)側(cè)變流器模塊控制框圖

3 雙饋發(fā)電機(jī)功率突變現(xiàn)象分析

3.1 故障現(xiàn)象

某風(fēng)電企業(yè)在進(jìn)行雙饋發(fā)電機(jī)組全功率試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障：當(dāng)限定功率從1．5MW加載至2MW時(shí)，有功功率持續(xù)上升并出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，并未在2MW左右停止，嘗試將功率限值下調(diào)不起作用；同時(shí)功率快速上升，直接導(dǎo)致試驗(yàn)臺(tái)高壓進(jìn)線柜跳閘，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。圖2是本次試驗(yàn)監(jiān)控軟件的截圖。

圖2 雙饋發(fā)電機(jī)故障截圖

根據(jù)圖2得出：

（1）網(wǎng)側(cè)無功電流：一直在0左右波動(dòng)，在跳閘點(diǎn)波動(dòng)略大，50A～-40A左右波動(dòng)。

（2）網(wǎng)側(cè)有功電流：開始在0左右波動(dòng)，在跳閘點(diǎn)最大值接近300A。

（3）機(jī)側(cè)無功電流：開始在250A左右波動(dòng)，在跳閘點(diǎn)最大值接近430A。

（4）機(jī)側(cè)有功電流：在跳閘點(diǎn)前4分鐘左右由50A緩慢變化至-50A左右，在跳閘點(diǎn)最大降-230A。

又重復(fù)進(jìn)行了幾次試驗(yàn)，均出現(xiàn)了上文所述的功率不穩(wěn)定發(fā)生突變漂移的情況。

3.2 功率突變現(xiàn)象分析

從故障現(xiàn)象看，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，頻率、定子電壓沒有變化的情況下，根據(jù)輸出有功功率和功角特性的公式可以得出，影響有功功率的值和轉(zhuǎn)子電壓的幅值及轉(zhuǎn)子電壓和定子電壓相位之間的夾角相關(guān)。

根據(jù)轉(zhuǎn)子電壓公式可以得出，轉(zhuǎn)子電壓的改變是由轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)差角速度決定的。另外，在并網(wǎng)條件下，定子電壓幅值、相位、頻率都不改變的情況下，影響功率突變的應(yīng)該是轉(zhuǎn)子電壓的幅值、相位、頻率。

3.3 故障仿真分析

根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)所建立的模型，對(duì)本次試驗(yàn)的雙饋發(fā)電機(jī)Leroy Somer 2000KW-690-50Hz的參數(shù)進(jìn)行了仿真，其參數(shù)如下：P=2MW，nN=1500r/min，R1=0．00622Ω，R2=0．00411Ω，X1=0．046Ω，X2=0．114Ω，Xm=2．41Ω。

根據(jù)上述功率突變機(jī)理分析和轉(zhuǎn)矩公式，可知轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電流存在直接的關(guān)系，所以在風(fēng)機(jī)采用矢量控制策略的情況下，對(duì)風(fēng)機(jī)的兩種情況進(jìn)行轉(zhuǎn)矩發(fā)生方式進(jìn)行仿真。

方式1：轉(zhuǎn)矩發(fā)生方式采用風(fēng)場(chǎng)自動(dòng)運(yùn)行模式，在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只改變轉(zhuǎn)矩指令的符號(hào)。

方式2：轉(zhuǎn)矩發(fā)生方式采用功率調(diào)節(jié)模式，在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只改變變流器的轉(zhuǎn)子相角符號(hào)。

（1）仿真方式 1。在 t=0．5～0．6s，轉(zhuǎn)矩指令只改變符號(hào)（由正變?yōu)樨?fù)），PLC、變流器的其他算法都不改變。

圖3 轉(zhuǎn)子A相電流

圖4 機(jī)組的有功功率

對(duì)比圖3、4可見，當(dāng)轉(zhuǎn)矩指令、有功電流指令只改變符號(hào)，變流器的相角正常的情況下，實(shí)際有功功率跳變?yōu)樨?fù)值，并且轉(zhuǎn)子電流不為正弦波，這與試驗(yàn)時(shí)的示波器檢測(cè)情況不符。

（2）仿真方式 2。在 t=0．6～0．9s，變流器的轉(zhuǎn)子相角改變符號(hào)（由正變?yōu)樨?fù)），PLC、變流器的其他算法都不改變。

圖5 轉(zhuǎn)子A相電流

圖6 機(jī)組有功功率

當(dāng)改變變流器的轉(zhuǎn)子相角符號(hào)時(shí)，由圖5、6可知轉(zhuǎn)子電流和有功功率會(huì)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。

3.4 仿真結(jié)果分析和驗(yàn)證

由仿真方式1分析可知，單純的轉(zhuǎn)矩指令符號(hào)跳變，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際功率為負(fù)、轉(zhuǎn)子電流不為正弦波，功率并沒有突升，和試驗(yàn)結(jié)果不符。可見轉(zhuǎn)矩的變化可以改變功率的大小和正負(fù)，但是并不能使功率產(chǎn)生快速突變。

由仿真方式2分析可知，轉(zhuǎn)子相角的異常，可以導(dǎo)致有功功率和轉(zhuǎn)子電流發(fā)生突變。根據(jù)故障現(xiàn)象理論分析，排除變流器控制失常，以及定子電壓異常的情況下，影響轉(zhuǎn)子相角改變，硬件故障可能是問題的主要原因。又根據(jù)機(jī)組側(cè)變流器模塊控制圖1可知，發(fā)電機(jī)編碼器采集的脈沖信號(hào)是影響轉(zhuǎn)子相角計(jì)算的唯一因素。據(jù)此判斷，導(dǎo)致本次雙饋發(fā)電機(jī)組突變故障的可能原因是發(fā)電機(jī)編碼器故障。為了驗(yàn)證之前的判斷，更換發(fā)電機(jī)編碼器，再次進(jìn)行了全功率試驗(yàn)。試驗(yàn)過程很正常，功率突變的情況沒有發(fā)生，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和有功功率的波形也很正常，故障得到解決。通過本次全功率試驗(yàn)也最終驗(yàn)證了理論分析和MATLAB的仿真模型是正確的。

4 結(jié)語

以上基于雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，根據(jù)一個(gè)功率突變故障案例，建立了基于MATLAB的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型對(duì)故障進(jìn)行仿真分析，由仿真結(jié)果得出了影響發(fā)電機(jī)功率突變的重要因素，后續(xù)又通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)論的正確性。

（1）轉(zhuǎn)矩指令符號(hào)的跳變，可以使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定的變化，進(jìn)而影響功率的大小和正負(fù)，但是并不能使功率產(chǎn)生快速突變。

（2）轉(zhuǎn)子相角的異常或不規(guī)則變化，可以使轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生快速波動(dòng)，并導(dǎo)致功率產(chǎn)生大幅度跳變和失控。