一例双馈发电机的并网故障分析

袁 炜，胡文胜，赵 宇

(许昌许继风电科技公司，河南许昌 461000)

0 引言

双馈发电机的并网过程复杂，分为空载励磁、检测定子电压、断路器合闸、发电机并网运行等几个阶段。在运行中，变流器的配置、发电机的配置两者必须兼容。

如果变流器的软件配置与发电机的配置不兼容，可能导致定子电压不能满足电网要求，发电机无法并网，或者并网后对发电机造成损害。

1 故障现象

2011年7月，采用A厂家的变流器、B厂家的发电机，某工厂进行2.0 MW双馈型风力发电机的全功率实验。

全功率实验，分为空载运行、并网运行两个阶段。空载时，变流器为转子提供励磁，使得发电机的定子感应出满足电网要求的电压。当检测到定子电压、电网电压同步后，进行发电机并网操作，通过对转速、功率的调节，进行并网运行控制。

在实验过程中，先后出现了定子电压与电网电压频率、相位不同步的现象。

1.1 频率不同步

采用A厂家的变流器、B厂家的发电机，通过设置变流器的参数，进行机组的空载励磁实验。

在实验中，通过示波器检测定子电压，发现定子电压的频率约为36.7 Hz，也就是频率不同步。

1.2 相位不同步

发现频率不同步后，工作人员改变了发电机的转子接线相序，将a-b-c换为b-a-c，频率不同步的问题解决了，但随后又出现了相位不同步的现象。

利用示波器测定子电压，频率同步，幅值也正常。但是，定子电压的相位与电网电压始终存在偏差。

2 故障原因查找

2.1 变流器的空载励磁原理

A厂家的变流器，其空载励磁控制原理如下:采用矢量控制方案，外环(电压环)采用开环控制，内环(电流环)采用闭环控制的方式，如图1所示。

这种控制方案的优点是，结构简单，只需要一个PI控制器;缺点是，一旦定子电压出现故障，无法对外环的电压进行自动调整。

图1 变流器的空载励磁控制原理图

2.2 变流器算法对发电机配置的要求

A厂家变流器在设计时，是以这种标准来设计软件算法的。

(1)发电机的配置

从轴伸端看，转子逆时针旋转，此种双馈发电机(double-fed induction generator，DFIG)的物理模型如图2所示。

图2 DFIG的物理模型

图2中，定子电压、电流正方向按照发电机惯例，转子电压、电流正方向按照电动机惯例。定子三相绕组轴线a1、b1、c1在空间上是固定的，以a1轴为坐标参考轴。转子绕组轴线a2、b2、c2随转子旋转，a2与a1轴间的电角度θ为空间角位移变量。

图3 DFIG的电磁转换示意图

DFIG的电磁转换原理如图3所示，空载运行时，变流器为转子提供励磁电压，定子感应出电压。

A厂家的变流器要求:从轴伸端看，定子绕组为逆时针排列，转子合成磁势F·r以50 Hz逆时针旋转，依次切割定子的a-b-c绕组，定子感应出正序的电压、电流。

(2)变流器d-q变换的配置

d-q坐标变换即 park变换［3］，a-b-c到 d-q坐标变换的变换矩阵有多种，影响变换矩阵的因素有以下几方面:①a-b-c坐标系的排列顺序，a-b-c三相绕组可以按照顺时针或逆时针排列;②d-q轴的相对位置，有些惯例选取d轴超前q轴，有些则选取q轴超前d轴90°;③d-q坐标系的旋转方向，有些惯例选取顺时针旋转，有些则为逆时针旋转。

只有在发电机绕组a-b-c的配置与变流器d-q变换的配置一致时，变流器才能正常工作。

2.3 发电机的实际配置

B厂家的发电机配置情况:从轴伸端看，定转子绕组a-b-c均为顺时针排列。

这样，B厂家的发电机定转子绕组顺序不符合A厂家变流器的设计要求。变流器的d-q变换不会得到直流分量，而会得到二倍频的交流分量。

2.4 频率不同步的原因

定子电压频率不同步的原因是:从轴伸端看，B厂家的发电机转子绕组a-b-c为顺时针排列，转子交流绕组流过的励磁电流相序出错，造成转子合成磁势 F·r为 36.7 Hz左右，如图 5 所示。

A厂家的变流器则要求，从轴伸端看，定子绕组为逆时针排列，转子合成磁势F·r以50 Hz逆时针旋转。

可以得到对转子电流的要求如下:①三相基波合成磁动势的转向取决于电流的相序，总是从超前的电流相转向滞后的电流相。因此，转子电流的相序应为负序;②转子逆时针旋转，转子电流的频率应为50 Hz与转子机械频率之差;③转子电流的幅值应满足电网电压的要求。

试验中，发电机的同步转速为1 500 r/min，空载转速为1 300 r/min，转子合成磁势F·r的频率约为f=43.33+fir=50 Hz，fir=6.67 Hz。如图 4 所示。

图4 正常时转子合成磁势的原理

发电机的并网故障如图5所示，转子合成磁势F·r的频率约为 f=43.33-6.67=36.66 Hz，感应出的定子电压频率约为36.66 Hz。

图5 非正常时转子合成磁势的原理

此时，只要调换任意两根转子接线，就可使转子合成磁势F·r频率正常。

2.5 相位不同步的原因

定子电压的相位控制是分两步完成的。

变流器从第一步进入第二步，是有条件的，那就是变流器先检测定子电压的d、q分量是否满足要求。

从轴伸端看，B厂家的发电机转子绕组a-b-c为顺时针排列，定子电压为负序，经d-q变换后的为二倍频正弦，不能满足变流器进入第二步的条件。变流器始终停留在第一步，而不能进入第二步进行相位同步操作。任意调换定子的两根接线后，相位不同步的问题得以解决。

3 结语

分析了一例双馈发电机的实验故障，总结出变流器的软件配置与双馈发电机配置两者的兼容非常重要。如果变流器的软件配置与发电机的配置不兼容，可能导致发电机无法并网，或者并网后对发电机造成损害。

［1］苑国锋，柴建云，李永东.变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究［J］.中国电机工程学报，2005，25(8):90-94.

［2］郎永强.交流励磁双馈电机风力发电系统控制技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

［3］王永，沈颂华，关淼.新颖的基于电压空间矢量三相双向整流器的研究［J］.电工技术学报，2006，21(1):104-110.