电缆参数对变流器供电双馈发电机端电压的影响

赵奉斌， 赵　磊（北车风电有限公司，山东济南250104）

电缆参数对变流器供电双馈发电机端电压的影响

赵奉斌， 赵磊
（北车风电有限公司，山东济南250104）

变流器长线传输供电对发电机端电压的影响已经引起了人们的足够重视，针对长线传输的研究已取得了一定的成果，然而电缆参数对发电机端电压的影响却未能引起足够的重视。电缆参数受电缆结构与敷设方式影响很大，现有的电缆参数计算与测试方法相对匮乏且受应用场所的限制。COMSOL Mu1tiPhysics具有强大的电磁场分析计算能力，基于电缆结构与敷设方式的不同，分别在COMSOLMu1tiPhysics建立了仿真模型，通过仿真分析计算出不同电压频率下的电缆参数。然后依据变流器供电的发电机端电压等效电路，在Mat-1ab/Simi1ink软件中建立仿真模型，验证不同电缆参数对发电机端电压的影响。

电缆参数；变流器；端电压；COMSOL Mu1tiPhysics；Mat1ab/Simi1ink

0　引 言

近年来随着风力发电的发展，基于IGBT的变流器技术在风力发电领域得到广泛应用。伴随这一过程，变流器供电引起的发电机端电压过高而造成的发电机损坏问题开始显现，风电场运行过程中因发电机端电压过高出现的轴承损坏、绝缘损坏的故障屡见不鲜。工业传动中曾出现的长线供电成为人们熟知的原因，但对电缆参数的影响却未引起足够的重视。本文在分析电缆参数影响因素的基础上，通过对变流器供电的发电机在Mat1ab/Simu1ink软件中建立仿真模型，分析计算不同电缆参数对发电机端电压的影响。

1　电缆参数

电缆的主要电气参数有电阻、电感、电导和电容，这些参数称为电缆的一次参数，而波阻抗Zc、传输系数γ由上述参数经过计算而得，称为电缆的二次参数。式中：R、L、G、C分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导、电容［1］。在纯阻性电路中，电导G的数值为电阻R的倒数。

电缆的电气参数受电缆的结构、导体的绞合方式、电缆的敷设布局等影响很大，下文将对各项影响因素分别进行研究。

1.1 计算模型

以185 mm2五类软导体单芯绞合电缆为例，在COMSOL Mu1tiPhysics中建模分析，参考GB/T3956—2008中相关要求，导体最大直径为0.51 mm［2］，建立导体的二维仿真模型如图1所示。

图1　COMSOL Mu1tiPhysics中导体二维仿真模型

1.2 电缆结构

目前在风电领域得到广泛应用的电缆多为乙丙橡胶绝缘电缆或交联聚乙烯电缆，其典型结构由导体、绝缘层、护套构成，其典型结构如图2所示。

图2　电缆结构示意图

1.3 绞线结构

电力电缆的线芯由一根根截面积较小的导体分层按照一定方向和规律螺旋绞合在一起，典型电缆绞合三维示意如图3所示［3］。

图3　线芯绞合示意图

根据每层导体间绞合方向的差异，电缆绞合又有同向绞合和异向绞合之分，绞合不同会对电缆的交流电阻产生一定影响。

（1）绞线节距

电缆绞线参数决定了电缆的物理结构，进而决定了电缆的电气性能，其中最为关键的参数为节距。

单根导线绕线芯旋转一周在线芯轴向方向上前进的长度称为节距，节距示意图见图4。

（2）影响分析

假设每层导体节距相同，对相同节距下同向绞合与异向绞合的电缆分别进行计算，同向绞合与异向绞合的电阻差随节距及温度的变化曲线如图5所示。

图4　节距示意图

图5　同向、异向绞合交流电阻差随节距及温度变化曲线

由图5可以看出，同向绞合与异向绞合的电阻差随绞线节距的变大逐渐变小。在绞线节距大于0.6 m时，同向绞合与异向绞合电缆的交流电阻基本相等；同时可以看出温度越高，绞线节距对电阻差的影响越小。

1.4 敷设方式的影响

在风电场实际应用中，电缆的敷设方式有等距平行敷设、等边三角形敷设。仍以185 mm2五类软导体单芯绞合电缆为例，取其节距为0.6 m，在COMSOL Mu1tiPhysics分别建立等距平行敷设、等边三角形敷设的仿真模型如图6、图7所示。

图6　电缆等距平行敷设仿真模型

利用仿真模型分别计算出平行等距敷设与等边三角形敷设状态下单位长度电缆的参数如表1、表2。

表1　平行等距敷设电缆参数表

图7　电缆等边三角形敷设仿真模型

表2　等边三角形敷设电缆参数表

对比表1与表2的相关参数发现，无论是平行等距敷设方式还是等边三角形敷设方式，对单位长度电缆的电阻基本没有影响，但在等边三角形敷设方式中电缆的单位长度电感有所降低，同时单位长度电容明显变大。

2　发电机端电压仿真分析

2.1 变流器供电单相等效电路

变流器供电的发电机的等效单相供电电路如图8所示［4］。

图8　变流器供电的发电机单相等效电路图

在图8中，Zs为变流器特征阻抗，Zc为电缆特征阻抗，ZR为发电机特征阻抗。目前在风电领域广泛使用的为电压源型变流器，其机侧特征阻抗Zs≈0。

以ABB上海高压电机厂生产的2 MW双馈异步发电机作为仿真对象，其转子绕组在120℃的折算电阻R=2.17×10-3Ω，折算电抗L=5.668× 10-5H，发电机端电容忽略不计。

2.2 仿真分析模型

根据图8所示变流器供电的单相等效电路建立仿真模型如图9所示。

图9 变流器供电发电机系统仿真模型

2.3 仿真结果

（1）平行等距敷设电缆仿真

在图9仿真电路中，设置脉冲电压频率f= 500 Hz，电压Us=500 V，逆变器特征阻抗Zs忽略不计，使用表1中500 Hz下的电缆参数及ABB 2 MW发电机参数，进行仿真计算，结果如图10所示。

图10 电缆平行等距敷设时的发电机端电压

（2）等边三角形敷设仿真结果

同样在图9所示仿真电路中，设置脉冲电压频率f=500 Hz，电压Us=500 V，逆变器特征阻抗Zs忽略不计，使用表2中500 Hz下的电缆参数及ABB 2 MW发电机参数，进行仿真计算，结果如图11所示。

图11 电缆等边三角形敷设时的发电机端电压

3　结 论

对比图10与图11的仿真结果发现，当电缆以等边三角形敷设时，发电机端电压较电缆平行敷设时有明显降低，并且端电压的震荡周期明显减少。

综合文中所述，在变流器供电的发电机系统中电缆的绞合方式与电缆敷设方式均会影响电缆的电气性能参数，进而影响发电机端电压。

在电缆的生产与敷设过程中应尽可能地加大电缆节距并在三相电缆间使用等边三角形敷设的方式。

［1］ 邱关源.电路基础［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ GB/T 3596—2008 电缆的导体［S］.

［3］ 张小辉.单芯电力电缆交流电阻以及复合屏蔽层涡流损耗的计算［D］.广州：华南理工大学，2014.

［4］ 万健如，林志强，禹华军.电缆长度对PWM逆变器驱动电机端电压的影响［J］.电力电子技术，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

赵奉斌（1987-），男，工程师.

作者地址：山东济南市高新区世纪大道3666号［250104］.