風力發電機長輸電纜過電壓分析研究

李東亮，彭運洪（.上海電機學院電氣學院，.上海汽輪機廠，上海，03）

風力發電機長輸電纜過電壓分析研究

李東亮1，彭運洪2
（1.上海電機學院電氣學院，2.上海汽輪機廠，上海，201312）

在雙饋風力發電機中，PWM變流器的輸出脈沖經長輸電纜勵磁時產生過電壓，嚴重時會導致風機轉子和集電環的過早損壞。針對這一問題，此文分析了變流器長輸電纜引起過電壓的機理，提出了阻抗匹配和上升時間的相關抑制過電壓方法，并據此在變流器輸出側和電機轉子側設計RLC電路，仿真結果證明了所設計電路能有效地抑制長輸電纜引起的過電壓。

雙饋風力發電機；PWM變流器；長輸電纜；過電壓；RLC電路

1 長纜驅動時發電機轉子側過電壓機理分析

雙饋風力發電機組中采用PWM變流器驅動異步電機，其結構如圖1所示。在實際應用中，雙饋變流器位于塔底，雙饋發電機安裝在塔頂，在變流器和發電機之間采用長線電纜傳輸且電纜和電機阻抗不匹配時，PWM變流器輸出脈沖經電纜傳至電機時會產生電壓反射現象，導致在發電機端產生過電壓。過電壓的大小與電纜長度、傳輸速度、脈沖信號的上升時間以及反射系數等因素有關。

圖1 雙饋風力發電系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of double fed wind power generation system

1.1 長輸電纜引起的過電壓分析

PWM變流器轉子側輸出的高頻電壓脈沖波經電纜傳輸至電機端以驅動電機。當電纜的特征阻抗與電機的等效阻抗不匹配時，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，會在電機端發生反射現象。一般情況下，由于高頻時電機的等效阻抗遠大于電纜的特征阻抗，故此問題可看作行波在終端開路傳輸線上的傳播。

定義

源端反射系數為：

由上分析可知，傳輸線上出現的最大電壓為2U。

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

則PWM脈沖電壓的傳輸過程如下圖2所示。

圖2 PWM脈沖電壓傳輸過程Fig.2 PWM pulse voltage transfer process

由上分析可知，傳輸線上出現的最大電壓為。

1.2 上升時間對過電壓的影響

經上述脈沖波傳輸過程分析可知，當電壓脈沖波從變頻器逆變側傳送到電機端的所需時間小于脈沖上升時間的1/3時，電機端的最大尖峰電壓會發生在第二次入射波傳送到電機端前。因此電機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制無語入射波電壓幅值之和，表達式如下所示：

通常情況下，最大允許過電壓為直流側的1.2倍，即

此時，脈沖波上升時間可表示為

由上分析可知，在電纜長度及其參數確定的情況下，電機端過電壓的大小主要由反射系數和脈沖波的上升時間決定。同樣的電纜下，反射系數越大，脈沖上升時間越短，在電機端產生的過電壓就越高。因此，減小過電壓的措施有：

1）盡量使電機與電纜阻抗相匹配以減小反射系數；

2）選取導通延遲時間較大的功率器件以增大上升時間。

2 過電壓的抑制與仿真分析

通過上述對過電壓產生機理的分析可知，雙饋風力發電機的轉子側過電壓產生的根本原因是PWM脈沖電壓較高的上升時間，且經過長傳輸電纜時因阻抗不匹配而發生反射引起的。

圖3 仿真計算等值電路Fig.3 Simulation calculation equivalent circuit

圖4 發電機端電壓與電纜長度的關系Fig.4 Relationship between generator terminal voltage and cable length

由仿真分析得知，電纜長度對發電機端電壓有很大影響，如圖2-2所示。由圖2-2可知，電纜越長，過電壓幅值越大； 電機端電壓峰值隨電纜長度變化有一個轉折點，變頻器至發電機距離超過15 m 時，過電壓將達到直流電壓的2 倍標稱值。

MW級風力發電系統中，塔架的高度一般在70m以上。所以針對長纜驅動引起的電機側過電壓，不可能通過來減少電纜長度來抑制。另外，對于，參數相同的電纜，其等效阻抗也相同。考慮到變流器位于塔底，安裝和調試方便，因此在電機端設計RLC串聯電路使電機與電纜阻抗匹配，在變流器輸出端設計RLC并聯阻尼電路。設計結構圖如下：

圖5 抑制過電壓結構圖Fig.5 Voltage structure inhibition

設計下表所示電路參數：

表1 抑制過電壓所設計電路參數Tab.1 Design circuit parameters for restraining over-voltage

仿真結果如下圖2-4所示：

圖6 仿真結果Fig.6 Simulation results

由圖2-4（a）可知，電機轉子側過電壓為2200V左右，近似為變流器直流側電壓的2倍，由圖2-4（b）可知，經過設計的抑制電路后，電機轉子側電壓均在1300V以內，未超過變流器直流側電壓的1.2倍（1320），表明了所設計的電路對過電壓有很好的抑制作用，仿真結果符合理論設計要求。

3 結語

本文通過對傳輸線的運用，較深入分析了雙饋風力發電機組中變流器長線電纜驅動引起電機端過電壓的機理，并提出了抑制此過電壓的方法，通過所設計電路，盡可能的減小了反射系數以及脈沖上升時間對過電壓的影響，有效的解決了，因變流器長輸電纜引起的過電壓問題。

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李東亮，男（1992-），學歷：碩士，研究方向：風機故障診斷

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