雙饋風電機組電機自診斷技術

文 | 佘岳，徐鳳星，張少云，黃禹文

風力發電作為清潔、豐富、可再生的能源，受到全世界的廣泛關注和重視，特別是近十多年得到了快速發展。采用雙饋繞線型異步發電機的大功率變速恒頻風電機組具有風能利用系數高、功率變流器所需容量小、機組有功和無功功率可單獨控制等優點，是目前國內外主流的風電機組類型之一。

變速恒頻雙饋風電機組主要由葉輪及變槳系統、偏航系統、增速齒輪箱、雙饋異步電機、塔筒、轉子雙向變流器和控制單元等組成。雙饋電機定子繞組通過定子開關與工頻電網連接，轉子繞組通過“交—直—交”變流器與工頻電網連接。變流器通過對電機轉子繞組電流頻率、幅值和相位的控制，實現電機定子開關閉合前定子電壓的調節和定子開關閉合后輸出有功、無功功率的控制。

由于維護方便、電氣安全、技術成熟度和成本等原因，目前國內主流大功率風電機組多采用低壓方案，并且將并網變流器布置在塔筒底部，而發電機則布置在近百米高的機艙內。因此，機組需要從機艙到塔基布置雙饋發電機定子、轉子的數十根電纜。在實際工程施工時，發電機的定子、轉子電纜極易出現短路、錯相等各種錯線的情況，且很難通過一般調試方法識別錯線種類。

表1列舉了某2.0MW雙饋電機與變流器之間的電氣接口以及可能的錯線種類及數量。

由表1可見，雙饋電機錯線具體情況種類多，通過試錯的方法費時費力且很難快速識別錯線種類，因此，研究一種雙饋電機錯線自診斷的方法具有較大的實用價值。

基于定子電壓定向的雙饋電機并網控制方法

基于定子電壓定向的雙饋電機矢量控制的電壓、磁鏈和轉矩、無功功率方程如式（1）—（4）所示。

忽略定子電阻、電流控制的電壓源變流器控制原理如式（5）所示。

表1 雙饋電機錯線種類

式中，us和ψs為基于定子電壓定向的電機定子電壓d軸分量和磁鏈q軸分量，定子電壓q軸分量和磁鏈d軸分量為0；isd和isq分別為定子電流d、q軸分量；urd、urq、ird、irq、ψrd和ψrq是電機轉子電壓、電流及磁鏈d、q軸分量；Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和np分別是電機定、轉子電阻，電感，互感和極對數； ωs和ωsl是電機定子磁場旋轉角速度和轉差頻率；Te和Qs分別為電機電磁轉矩和定子無功功率。

在風速大于切入風速時，風電機組通過變槳和傳動鏈系統，將雙饋發電機加速至并網轉速并向雙饋變流器發出并網指令。采用基于定子電壓定向的雙饋電機并網控制方法如圖1所示。

從圖1可知，在定子開關閉合前，系統檢測電網電壓幅值和電機轉速；根據電機參數，按照式（3）、（4）、（5）計算并控制電機轉子電流，確保電機定子電壓的幅值和頻率與電網電壓一致。同時，對于安裝增量式轉速編碼器的電機，系統還通過檢測定子電壓，將其轉化為d、q 軸分量，再采用P調節器調節轉子電流的相位，最終實現定子并網開關兩端電壓差在合理范圍內，實現柔性并網。在電機定子開關閉合后，可通過電機轉矩指令按照式（3）計算轉子有功電流參考值，通過無功功率指令按照式（4）計算轉子無功電流參考值，最終通過電流環PI調節器和式（5）控制轉子電流從而控制機組向電網輸出的有功和無功功率。

雙饋電機錯線自診斷方法

本文針對目前雙饋風電機組表1所述的錯線類型和基于上文所述定子電壓與電網電壓同步的工況和控制方法，提出了雙饋電機系統化的電機錯線自診斷方法。

一、電機錯線自診斷原理

假設轉子側變流器和雙饋電機本身正常，電機旋轉方向正確，系統只存在電機定子或（和）轉子接線錯相或（和）短路的情況。

電機轉子短路時，變流器會出現過流等類似故障，維護人員較易判斷出異常原因。本文不涉及該類工況。根據雙饋電機定子電壓產生原理，電機定子短路時，至少存在兩相間電壓基本為0的異常工況，而電機定、轉子錯相的四種類型分別對應定子電壓以下四種頻率，如式（6）所示。

因此，自診斷系統可以通過在電機定子開關兩邊電壓同步工況下，首先對定子電壓幅值進行檢測，排除定子接線短路的工況，然后對定子電壓鎖相，判斷定子電壓為式（6）中何種頻率，從而獲知錯相類型。

二、自診斷方法

圖1 雙饋電機并網控制方法

由圖2可知，定子開關處于斷開狀態，系統首先控制定子電壓與電網電壓幅值、頻率和相位同步，并實時判斷轉子d、q軸實際電流與指令電流的跟蹤情況，同時對定子三相線電壓幅值進行計算。當轉子電流控制正常，但存在至少一相線電壓幅值小于門檻參數URms_Min時，系統診斷為電機定子短路。當定子三相線電壓都大于門檻參數URms_Min時，則對定子電壓進行鎖相，當鎖相頻率與式（6）中某一頻率匹配時，則可判斷出為何種錯相情況。

仿真及試驗驗證

針對本文提出的電機定、轉子錯線工況，在Matlab 2016a simulink8.5仿真軟件中對某2.0MW雙饋風電變流器及發電機系統搭建仿真模型進行了原理仿真研究，并在株洲電力機車研究所風電事業部裝備的電機背靠背對拖試驗臺上進行了驗證，仿真和試驗結果都表明所提方法的正確性和有效性。仿真和試驗主要參數如表2所示。

圖3為工況1仿真波形：發電機定子U、V相短路時三相定子電壓及圖3b診斷數據。圖中由上到下依次為定子三相電壓、定子三相電壓診斷輸入值及診斷結果。可知，存在UV相電壓小于參數URms_Min的情況，即系統診斷出電機定子存在兩相以上短路工況。

圖4為工況2仿真波形：發電機定、轉子錯相時，三相定子電壓及圖3c診斷模塊數據。圖中由上到下依次為電網和定子三相電壓、定子電壓鎖相頻率及診斷模塊輸入值和診斷結果。可見，當電網為50Hz正序電壓時，定子電壓頻率為-30Hz，系統在1s內就診斷出結果。

圖5為工況3試驗波形：發電機定子錯相時，三相定子電壓及圖3c診斷模塊數據。圖中由上到下依次為電網兩相線電壓、兩相轉子電流和定子三相電壓。可見電網電壓為正序50Hz時，定子電壓為負序50Hz。其他工況結果類似，限于論文篇幅，不再贅述。

圖2 電機錯線自診斷方法

表2 仿真和試驗系統主要參數

圖4 定、轉子同時錯相時的仿真波形

從仿真和試驗結果可知，本文提出的電機錯線自診斷方法正確且有效，具有較大的實際應用意義。

圖5 定子錯相時的試驗波形

結論

針對目前大功率風電機組雙饋電機存在定、轉子接線易錯的實際情況，本文分析了發電機定子電壓在各種接線錯誤工況下的特征，提出了基于定子電壓的機組自診斷的方法，仿真和試驗都證實了所提方法的正確性和有效性，對于機組工況診斷具有較大的實用價值。