双馈风电机组电机自诊断技术

2019-08-20佘岳徐凤星张少云黄禹文

风能 2019年3期

文 | 佘岳，徐凤星，张少云，黄禹文

风力发电作为清洁、丰富、可再生的能源，受到全世界的广泛关注和重视，特别是近十多年得到了快速发展。采用双馈绕线型异步发电机的大功率变速恒频风电机组具有风能利用系数高、功率变流器所需容量小、机组有功和无功功率可单独控制等优点，是目前国内外主流的风电机组类型之一。

变速恒频双馈风电机组主要由叶轮及变桨系统、偏航系统、增速齿轮箱、双馈异步电机、塔筒、转子双向变流器和控制单元等组成。双馈电机定子绕组通过定子开关与工频电网连接，转子绕组通过“交—直—交”变流器与工频电网连接。变流器通过对电机转子绕组电流频率、幅值和相位的控制，实现电机定子开关闭合前定子电压的调节和定子开关闭合后输出有功、无功功率的控制。

由于维护方便、电气安全、技术成熟度和成本等原因，目前国内主流大功率风电机组多采用低压方案，并且将并网变流器布置在塔筒底部，而发电机则布置在近百米高的机舱内。因此，机组需要从机舱到塔基布置双馈发电机定子、转子的数十根电缆。在实际工程施工时，发电机的定子、转子电缆极易出现短路、错相等各种错线的情况，且很难通过一般调试方法识别错线种类。

表1列举了某2.0MW双馈电机与变流器之间的电气接口以及可能的错线种类及数量。

由表1可见，双馈电机错线具体情况种类多，通过试错的方法费时费力且很难快速识别错线种类，因此，研究一种双馈电机错线自诊断的方法具有较大的实用价值。

基于定子电压定向的双馈电机并网控制方法

基于定子电压定向的双馈电机矢量控制的电压、磁链和转矩、无功功率方程如式（1）—（4）所示。

忽略定子电阻、电流控制的电压源变流器控制原理如式（5）所示。

表1 双馈电机错线种类

式中，us和ψs为基于定子电压定向的电机定子电压d轴分量和磁链q轴分量，定子电压q轴分量和磁链d轴分量为0；isd和isq分别为定子电流d、q轴分量；urd、urq、ird、irq、ψrd和ψrq是电机转子电压、电流及磁链d、q轴分量；Rs、Rr、Ls、Lr、Lm和np分别是电机定、转子电阻，电感，互感和极对数； ωs和ωsl是电机定子磁场旋转角速度和转差频率；Te和Qs分别为电机电磁转矩和定子无功功率。

在风速大于切入风速时，风电机组通过变桨和传动链系统，将双馈发电机加速至并网转速并向双馈变流器发出并网指令。采用基于定子电压定向的双馈电机并网控制方法如图1所示。

从图1可知，在定子开关闭合前，系统检测电网电压幅值和电机转速；根据电机参数，按照式（3）、（4）、（5）计算并控制电机转子电流，确保电机定子电压的幅值和频率与电网电压一致。同时，对于安装增量式转速编码器的电机，系统还通过检测定子电压，将其转化为d、q 轴分量，再采用P调节器调节转子电流的相位，最终实现定子并网开关两端电压差在合理范围内，实现柔性并网。在电机定子开关闭合后，可通过电机转矩指令按照式（3）计算转子有功电流参考值，通过无功功率指令按照式（4）计算转子无功电流参考值，最终通过电流环PI调节器和式（5）控制转子电流从而控制机组向电网输出的有功和无功功率。

双馈电机错线自诊断方法

本文针对目前双馈风电机组表1所述的错线类型和基于上文所述定子电压与电网电压同步的工况和控制方法，提出了双馈电机系统化的电机错线自诊断方法。

一、电机错线自诊断原理

假设转子侧变流器和双馈电机本身正常，电机旋转方向正确，系统只存在电机定子或（和）转子接线错相或（和）短路的情况。

电机转子短路时，变流器会出现过流等类似故障，维护人员较易判断出异常原因。本文不涉及该类工况。根据双馈电机定子电压产生原理，电机定子短路时，至少存在两相间电压基本为0的异常工况，而电机定、转子错相的四种类型分别对应定子电压以下四种频率，如式（6）所示。

因此，自诊断系统可以通过在电机定子开关两边电压同步工况下，首先对定子电压幅值进行检测，排除定子接线短路的工况，然后对定子电压锁相，判断定子电压为式（6）中何种频率，从而获知错相类型。

二、自诊断方法

图1 双馈电机并网控制方法

由图2可知，定子开关处于断开状态，系统首先控制定子电压与电网电压幅值、频率和相位同步，并实时判断转子d、q轴实际电流与指令电流的跟踪情况，同时对定子三相线电压幅值进行计算。当转子电流控制正常，但存在至少一相线电压幅值小于门槛参数URms_Min时，系统诊断为电机定子短路。当定子三相线电压都大于门槛参数URms_Min时，则对定子电压进行锁相，当锁相频率与式（6）中某一频率匹配时，则可判断出为何种错相情况。

仿真及试验验证

针对本文提出的电机定、转子错线工况，在Matlab 2016a simulink8.5仿真软件中对某2.0MW双馈风电变流器及发电机系统搭建仿真模型进行了原理仿真研究，并在株洲电力机车研究所风电事业部装备的电机背靠背对拖试验台上进行了验证，仿真和试验结果都表明所提方法的正确性和有效性。仿真和试验主要参数如表2所示。

图3为工况1仿真波形：发电机定子U、V相短路时三相定子电压及图3b诊断数据。图中由上到下依次为定子三相电压、定子三相电压诊断输入值及诊断结果。可知，存在UV相电压小于参数URms_Min的情况，即系统诊断出电机定子存在两相以上短路工况。

图4为工况2仿真波形：发电机定、转子错相时，三相定子电压及图3c诊断模块数据。图中由上到下依次为电网和定子三相电压、定子电压锁相频率及诊断模块输入值和诊断结果。可见，当电网为50Hz正序电压时，定子电压频率为-30Hz，系统在1s内就诊断出结果。

图5为工况3试验波形：发电机定子错相时，三相定子电压及图3c诊断模块数据。图中由上到下依次为电网两相线电压、两相转子电流和定子三相电压。可见电网电压为正序50Hz时，定子电压为负序50Hz。其他工况结果类似，限于论文篇幅，不再赘述。