風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)輸電纜過(guò)電壓分析研究

李東亮，彭運(yùn)洪（.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，.上海汽輪機(jī)廠，上海，03）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)輸電纜過(guò)電壓分析研究

李東亮1，彭運(yùn)洪2
（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，2.上海汽輪機(jī)廠，上海，201312）

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，PWM變流器的輸出脈沖經(jīng)長(zhǎng)輸電纜勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和集電環(huán)的過(guò)早損壞。針對(duì)這一問(wèn)題，此文分析了變流器長(zhǎng)輸電纜引起過(guò)電壓的機(jī)理，提出了阻抗匹配和上升時(shí)間的相關(guān)抑制過(guò)電壓方法，并據(jù)此在變流器輸出側(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)計(jì)RLC電路，仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)電路能有效地抑制長(zhǎng)輸電纜引起的過(guò)電壓。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；PWM變流器；長(zhǎng)輸電纜；過(guò)電壓；RLC電路

1 長(zhǎng)纜驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電壓機(jī)理分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用PWM變流器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，雙饋?zhàn)兞髌魑挥谒?，雙饋發(fā)電機(jī)安裝在塔頂，在變流器和發(fā)電機(jī)之間采用長(zhǎng)線電纜傳輸且電纜和電機(jī)阻抗不匹配時(shí)，PWM變流器輸出脈沖經(jīng)電纜傳至電機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象，導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓。過(guò)電壓的大小與電纜長(zhǎng)度、傳輸速度、脈沖信號(hào)的上升時(shí)間以及反射系數(shù)等因素有關(guān)。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of double fed wind power generation system

1.1 長(zhǎng)輸電纜引起的過(guò)電壓分析

PWM變流器轉(zhuǎn)子側(cè)輸出的高頻電壓脈沖波經(jīng)電纜傳輸至電機(jī)端以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)電纜的特征阻抗與電機(jī)的等效阻抗不匹配時(shí)，PWM變流器輸出脈沖電壓在電纜上的傳輸可看作行波的傳播，會(huì)在電機(jī)端發(fā)生反射現(xiàn)象。一般情況下，由于高頻時(shí)電機(jī)的等效阻抗遠(yuǎn)大于電纜的特征阻抗，故此問(wèn)題可看作行波在終端開(kāi)路傳輸線上的傳播。

定義

源端反射系數(shù)為：

由上分析可知，傳輸線上出現(xiàn)的最大電壓為2U。

在線路沒(méi)有損耗的理想情況下，假設(shè)電纜長(zhǎng)度為，變流器直流側(cè)電壓為，其逆變側(cè)輸出脈沖波在電纜中的速度為（約為光速的1/2），從變流器輸出側(cè)傳輸至電機(jī)端需要時(shí)間。其中，由傳輸線理論可知，行波在傳輸線的傳輸時(shí)間和傳輸速度分別為：

則PWM脈沖電壓的傳輸過(guò)程如下圖2所示。

圖2 PWM脈沖電壓傳輸過(guò)程Fig.2 PWM pulse voltage transfer process

由上分析可知，傳輸線上出現(xiàn)的最大電壓為。

1.2 上升時(shí)間對(duì)過(guò)電壓的影響

經(jīng)上述脈沖波傳輸過(guò)程分析可知，當(dāng)電壓脈沖波從變頻器逆變側(cè)傳送到電機(jī)端的所需時(shí)間小于脈沖上升時(shí)間的1/3時(shí)，電機(jī)端的最大尖峰電壓會(huì)發(fā)生在第二次入射波傳送到電機(jī)端前。因此電機(jī)端的線電壓的峰值可表示為脈沖在電纜上傳播3次后總電壓的反射復(fù)制無(wú)語(yǔ)入射波電壓幅值之和，表達(dá)式如下所示：

通常情況下，最大允許過(guò)電壓為直流側(cè)的1.2倍，即

此時(shí)，脈沖波上升時(shí)間可表示為

由上分析可知，在電纜長(zhǎng)度及其參數(shù)確定的情況下，電機(jī)端過(guò)電壓的大小主要由反射系數(shù)和脈沖波的上升時(shí)間決定。同樣的電纜下，反射系數(shù)越大，脈沖上升時(shí)間越短，在電機(jī)端產(chǎn)生的過(guò)電壓就越高。因此，減小過(guò)電壓的措施有：

1）盡量使電機(jī)與電纜阻抗相匹配以減小反射系數(shù)；

2）選取導(dǎo)通延遲時(shí)間較大的功率器件以增大上升時(shí)間。

2 過(guò)電壓的抑制與仿真分析

通過(guò)上述對(duì)過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理的分析可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電壓產(chǎn)生的根本原因是PWM脈沖電壓較高的上升時(shí)間，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)傳輸電纜時(shí)因阻抗不匹配而發(fā)生反射引起的。

圖3 仿真計(jì)算等值電路Fig.3 Simulation calculation equivalent circuit

圖4 發(fā)電機(jī)端電壓與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between generator terminal voltage and cable length

由仿真分析得知，電纜長(zhǎng)度對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓有很大影響，如圖2-2所示。由圖2-2可知，電纜越長(zhǎng)，過(guò)電壓幅值越大； 電機(jī)端電壓峰值隨電纜長(zhǎng)度變化有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變頻器至發(fā)電機(jī)距離超過(guò)15 m 時(shí)，過(guò)電壓將達(dá)到直流電壓的2 倍標(biāo)稱值。

MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，塔架的高度一般在70m以上。所以針對(duì)長(zhǎng)纜驅(qū)動(dòng)引起的電機(jī)側(cè)過(guò)電壓，不可能通過(guò)來(lái)減少電纜長(zhǎng)度來(lái)抑制。另外，對(duì)于，參數(shù)相同的電纜，其等效阻抗也相同?？紤]到變流器位于塔底，安裝和調(diào)試方便，因此在電機(jī)端設(shè)計(jì)RLC串聯(lián)電路使電機(jī)與電纜阻抗匹配，在變流器輸出端設(shè)計(jì)RLC并聯(lián)阻尼電路。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖5 抑制過(guò)電壓結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Voltage structure inhibition

設(shè)計(jì)下表所示電路參數(shù)：

表1 抑制過(guò)電壓所設(shè)計(jì)電路參數(shù)Tab.1 Design circuit parameters for restraining over-voltage

仿真結(jié)果如下圖2-4所示：

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

由圖2-4（a）可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電壓為2200V左右，近似為變流器直流側(cè)電壓的2倍，由圖2-4（b）可知，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的抑制電路后，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓均在1300V以內(nèi)，未超過(guò)變流器直流側(cè)電壓的1.2倍（1320），表明了所設(shè)計(jì)的電路對(duì)過(guò)電壓有很好的抑制作用，仿真結(jié)果符合理論設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳輸線的運(yùn)用，較深入分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中變流器長(zhǎng)線電纜驅(qū)動(dòng)引起電機(jī)端過(guò)電壓的機(jī)理，并提出了抑制此過(guò)電壓的方法，通過(guò)所設(shè)計(jì)電路，盡可能的減小了反射系數(shù)以及脈沖上升時(shí)間對(duì)過(guò)電壓的影響，有效的解決了，因變流器長(zhǎng)輸電纜引起的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

［1］ MULLERS.DEICKEM，DEDONCKER R W.Doubly fed induction generator systems for wind turbines.IEEE Industry Applications Magazine，2002，8（3）；26-33.

［2］ 陳志宏.雙饋調(diào)速異步電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用.上海大中型電機(jī)，2003（1）：18-22.

［3］ 張興，張顯立，謝震，吳玉楊.雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器長(zhǎng)纜驅(qū)動(dòng)及其過(guò)電壓抑制.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（21）：44-48.

李東亮，男（1992-），學(xué)歷：碩士，研究方向：風(fēng)機(jī)故障診斷

Double fed wind turbine converter through long cable driving and analysis of over-voltage

Li Dongliang1，Peng Yunhong2
（College of electrical engineering，Shanghai Dian Ji University，Shanghai，201312，China）

In doubly fed wind power generator，the output pulse PWM converter through longcable excitation over-voltage，will lead to serious fan rotor and premature ring damage.To solve this problem，this paper analyzes the converter over-voltage caused by long cable transmission mechanism，the imp edance matching and the rise time of the related Over-voltage Suppression Method，based on the output side and rotor side converter RLC circuit design，the simulation results prove that the designed circuit can effectively suppress the over-voltage caused by long cable transmission.

doubly fed wind power generator；PWM converter；long transmission cables；over-voltage； RLC circuit

TM614；TM761