袁 煒,胡文勝,趙 宇
(許昌許繼風電科技公司,河南許昌 461000)
雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)過程復雜,分為空載勵磁、檢測定子電壓、斷路器合閘、發(fā)電機并網(wǎng)運行等幾個階段。在運行中,變流器的配置、發(fā)電機的配置兩者必須兼容。
如果變流器的軟件配置與發(fā)電機的配置不兼容,可能導致定子電壓不能滿足電網(wǎng)要求,發(fā)電機無法并網(wǎng),或者并網(wǎng)后對發(fā)電機造成損害。
2011年7月,采用A廠家的變流器、B廠家的發(fā)電機,某工廠進行2.0 MW雙饋型風力發(fā)電機的全功率實驗。
全功率實驗,分為空載運行、并網(wǎng)運行兩個階段??蛰d時,變流器為轉子提供勵磁,使得發(fā)電機的定子感應出滿足電網(wǎng)要求的電壓。當檢測到定子電壓、電網(wǎng)電壓同步后,進行發(fā)電機并網(wǎng)操作,通過對轉速、功率的調(diào)節(jié),進行并網(wǎng)運行控制。
在實驗過程中,先后出現(xiàn)了定子電壓與電網(wǎng)電壓頻率、相位不同步的現(xiàn)象。
采用A廠家的變流器、B廠家的發(fā)電機,通過設置變流器的參數(shù),進行機組的空載勵磁實驗。
在實驗中,通過示波器檢測定子電壓,發(fā)現(xiàn)定子電壓的頻率約為36.7 Hz,也就是頻率不同步。
發(fā)現(xiàn)頻率不同步后,工作人員改變了發(fā)電機的轉子接線相序,將a-b-c換為b-a-c,頻率不同步的問題解決了,但隨后又出現(xiàn)了相位不同步的現(xiàn)象。
利用示波器測定子電壓,頻率同步,幅值也正常。但是,定子電壓的相位與電網(wǎng)電壓始終存在偏差。
A廠家的變流器,其空載勵磁控制原理如下:采用矢量控制方案,外環(huán)(電壓環(huán))采用開環(huán)控制,內(nèi)環(huán)(電流環(huán))采用閉環(huán)控制的方式,如圖1所示。
這種控制方案的優(yōu)點是,結構簡單,只需要一個PI控制器;缺點是,一旦定子電壓出現(xiàn)故障,無法對外環(huán)的電壓進行自動調(diào)整。
圖1 變流器的空載勵磁控制原理圖
A廠家變流器在設計時,是以這種標準來設計軟件算法的。
(1)發(fā)電機的配置
從軸伸端看,轉子逆時針旋轉,此種雙饋發(fā)電機(double-fed induction generator,DFIG)的物理模型如圖2所示。
圖2 DFIG的物理模型
圖2中,定子電壓、電流正方向按照發(fā)電機慣例,轉子電壓、電流正方向按照電動機慣例。定子三相繞組軸線a1、b1、c1在空間上是固定的,以a1軸為坐標參考軸。轉子繞組軸線a2、b2、c2隨轉子旋轉,a2與a1軸間的電角度θ為空間角位移變量。
圖3 DFIG的電磁轉換示意圖
DFIG的電磁轉換原理如圖3所示,空載運行時,變流器為轉子提供勵磁電壓,定子感應出電壓。
A廠家的變流器要求:從軸伸端看,定子繞組為逆時針排列,轉子合成磁勢F·r以50 Hz逆時針旋轉,依次切割定子的a-b-c繞組,定子感應出正序的電壓、電流。
(2)變流器d-q變換的配置
d-q坐標變換即 park變換[3],a-b-c到 d-q坐標變換的變換矩陣有多種,影響變換矩陣的因素有以下幾方面:①a-b-c坐標系的排列順序,a-b-c三相繞組可以按照順時針或逆時針排列;②d-q軸的相對位置,有些慣例選取d軸超前q軸,有些則選取q軸超前d軸90°;③d-q坐標系的旋轉方向,有些慣例選取順時針旋轉,有些則為逆時針旋轉。
只有在發(fā)電機繞組a-b-c的配置與變流器d-q變換的配置一致時,變流器才能正常工作。
B廠家的發(fā)電機配置情況:從軸伸端看,定轉子繞組a-b-c均為順時針排列。
這樣,B廠家的發(fā)電機定轉子繞組順序不符合A廠家變流器的設計要求。變流器的d-q變換不會得到直流分量,而會得到二倍頻的交流分量。
定子電壓頻率不同步的原因是:從軸伸端看,B廠家的發(fā)電機轉子繞組a-b-c為順時針排列,轉子交流繞組流過的勵磁電流相序出錯,造成轉子合成磁勢 F·r為 36.7 Hz左右,如圖 5 所示。
A廠家的變流器則要求,從軸伸端看,定子繞組為逆時針排列,轉子合成磁勢F·r以50 Hz逆時針旋轉。
可以得到對轉子電流的要求如下:①三相基波合成磁動勢的轉向取決于電流的相序,總是從超前的電流相轉向滯后的電流相。因此,轉子電流的相序應為負序;②轉子逆時針旋轉,轉子電流的頻率應為50 Hz與轉子機械頻率之差;③轉子電流的幅值應滿足電網(wǎng)電壓的要求。
試驗中,發(fā)電機的同步轉速為1 500 r/min,空載轉速為1 300 r/min,轉子合成磁勢F·r的頻率約為f=43.33+fir=50 Hz,fir=6.67 Hz。如圖 4 所示。
圖4 正常時轉子合成磁勢的原理
發(fā)電機的并網(wǎng)故障如圖5所示,轉子合成磁勢F·r的頻率約為 f=43.33-6.67=36.66 Hz,感應出的定子電壓頻率約為36.66 Hz。
圖5 非正常時轉子合成磁勢的原理
此時,只要調(diào)換任意兩根轉子接線,就可使轉子合成磁勢F·r頻率正常。
定子電壓的相位控制是分兩步完成的。
變流器從第一步進入第二步,是有條件的,那就是變流器先檢測定子電壓的d、q分量是否滿足要求。
從軸伸端看,B廠家的發(fā)電機轉子繞組a-b-c為順時針排列,定子電壓為負序,經(jīng)d-q變換后的為二倍頻正弦,不能滿足變流器進入第二步的條件。變流器始終停留在第一步,而不能進入第二步進行相位同步操作。任意調(diào)換定子的兩根接線后,相位不同步的問題得以解決。
分析了一例雙饋發(fā)電機的實驗故障,總結出變流器的軟件配置與雙饋發(fā)電機配置兩者的兼容非常重要。如果變流器的軟件配置與發(fā)電機的配置不兼容,可能導致發(fā)電機無法并網(wǎng),或者并網(wǎng)后對發(fā)電機造成損害。
[1]苑國鋒,柴建云,李永東.變速恒頻風力發(fā)電機組勵磁變頻器的研究[J].中國電機工程學報,2005,25(8):90-94.
[2]郎永強.交流勵磁雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007.
[3]王永,沈頌華,關淼.新穎的基于電壓空間矢量三相雙向整流器的研究[J].電工技術學報,2006,21(1):104-110.