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李东亮1,彭运洪2
(1. 上海电机学院电气学院,2. 上海汽轮机厂，上海，201312)
摘要：在双馈风力发电机中，PWM 变流器的输出脉冲经长输电缆励磁时产生过电压，严重时会导致风机转子和集电环的过早损坏。针对这一问题，此文分析了变流器长输电缆引起过电压的机理，提出了阻抗匹配和上升时间的相关抑制过电压方法，并据此在变流器输出侧和电机转子侧设计RLC 电路，仿真结果证明了所设计电路能有效地抑制长输电缆引起的过电压。
关键词：双馈风力发电机；PWM 变流器；长输电缆；过电压；RLC 电路
中图分类号：TM614;TM761
Double fed wind turbine converter through long cable driving and analysis of over-voltage
Lee Dongliang1,Peng Yunhong2
(College of electrical engineering, Shanghai Dian Ji University, Shanghai 201312, China)
Abstract ：In doubly fed wind power generator,the output pulse PWM converter through long-cable 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 .
Keywords ：doubly fed wind power generator;PWM converter;long transmission cables;over-voltage; RLC circuit
1 长缆驱动时发电机转子侧过电压机理分析
双馈风力发电机组中采用PWM 变流器驱动异步电机，其结构如图1 所示。在实际应用中，双馈变流器位于塔底，双馈发电机安装在塔顶，在变流器和发电机之间采用长线电缆传输且电缆和电机阻抗不匹配时，PWM 变流器输出脉冲经电缆传至电机时会产生电压反射现象，导致在发电机端产生过电压。过电压的大小与电缆长度、传输速度、脉冲信号的上升时间以及反射系数等因素有关。
图1 双馈风力发电系统结构框图
Fig.1 Structure diagram of double fed wind power generation system
1.1 长输电缆引起的过电压分析
PWM 变流器转子侧输出的高频电压脉冲波经电缆传输至电机端以驱动电机。当电缆的特征阻抗与电机的等效阻抗不匹配时，PWM 变流器输出脉冲电压在电缆上的传输可看作行波的传播，会在电机端发生反射现象。一般情况下，由于高频时电机的等效阻抗远大于电缆的特征阻抗，故此问题可看作行波在终端开路传输线上的传播。
由传输线理论可知，电机端反射系数为：
（1-1）
式中为电机端等效阻抗， 为电缆的特征阻抗。
定义
（1-2）
式中、分别为电缆单位长度电感、电容量。
因为，由式（1-1）可知，，反射波与入射波叠加使电机端电压近似加倍。
源端反射系数为：
（1-3）
式中： 为源端阻抗。
通常，由式（1-3）可知，，即发生负反射。
由上分析可知，传输线上出现的最大电压为2U。
在线路没有损耗的理想情况下，假设电缆长度为, 变流器直流侧电压为，其逆变侧输出脉冲波在电缆中的速度为（约为光速的1/2)，从变流器输出侧传输至电机端需要时间。其中，由传输线理论可知，行波在传输线的传输时间和传输速度分别为：
（1-4） 121
测试工具与解决方案
2016.10
（1-5）
则PWM 脉冲电压的传输过程如下图2 所示。
图2 PWM 脉冲电压传输过程
Fig.2 PWM pulse voltage transfer process
设时，开关闭合，则一个脉冲的传播过程可分为上图所示的4 各阶段，具体分析如下：
当时，电压行波和电流行波以速度向右传播，变频器输出脉冲经过后第一次到达电机侧，到达后电机侧电压为；
当时，入射波在电机端被反射，第一次反射使电机侧电压升高，又经过时间后到达变频器输出端，在传输过程中将沿线电压提高为；
当时，反射波第一次传播至变频器，由于变流器内阻（约为0ohm）与电缆特征阻抗不等，会再次发生反射，产生一个负反射波（也称第二次入射波），又经时间传送到电机侧，使沿线及电机侧电压下降至；
当时, 经源端反射的入射波第二次到达电机侧又发生反射，使电机端电压减少到零，又经时间传送到变频器输出端。从时起又重复上述过程。
由上分析可知，传输线上出现的最大电压为。
1.2 上升时间对过电压的影响
经上述脉冲波传输过程分析可知，当电压脉冲波从变频器逆变侧传送到电机端的所需时间小于脉冲上升时间的1/3 时，电机端的最大尖峰电压会发生在第二次入射波传送到电机端前。因此电机端的线电压的峰值可表示为脉冲在电缆上传播3 次后总电压的反射复制无语入射波电压幅值之和，表达式如下所示：
（1-6）
式中： 为脉冲波上升时间； 为电机端反射系数。
当时，可得：
（1-7）
通常情况下，最大允许过电压为直流侧的1.2 倍，即
（1-8）
此时，脉冲波上升时间可表示为
（1-9）
当时，式（1-6）可知，电压峰值不再是上升时间和电缆长度的函数。
由上分析可知，在电缆长度及其参数确定的情况下，电机端过电压的大小主要由反射系数和脉冲波的上升时间决定。同样的电缆下，反射系数越大，脉冲上升时间越短，在电机端产生的过电压就越高。因此，减小过电压的措施有：
1) 尽量使电机与电缆阻抗相匹配以减小反射系数;
2) 选取导通延迟时间较大的功率器件以增大上升时间。
2 过电压的抑制与仿真分析
通过上述对过电压产生机理的分析可知，双馈风力发电机的转子侧过电压产生的根本原因是PWM 脉冲电压较高的上升时间， 且经过长传输电缆时因阻抗不匹配而发生反射引起的。
对不同长度下发电机端电压用等值电路作仿真计算，变流
图3 仿真计算等值电路
Fig.3 Simulation calculation equivalent circuit
图4 发电机端电压与电缆长度的关系
Fig.4 Relationship between generator terminal voltage and cable length122
测试工具与解决方案
2016.10
器输出电压上升时间，直流侧电压，开关频率，电缆末端空载，电缆分布参数: 电阻，电感，电容，仿真电路图如下：
由仿真分析得知，电缆长度对发电机端电压有很大影响，如图2-2 所示。由图2-2 可知，电缆越长，过电压幅值越大; 电机端电压峰值随电缆长度变化有一个转折点，变频器至发电机距离超过15 m 时，过电压将达到直流电压的2 倍标称值。
MW 级风力发电系统中, 塔架的高度一般在
图5 抑制过电压结构图
Fig.5 Voltage structure inhibition
在电缆长度条件下，为减小振荡，使电路工作在过阻尼的情况下（即增大上升时间），针对发电机转子侧设计电路和变流器侧设计电路分析可得：
发电机转子侧：
变流器输出侧：
设计下表所示电路参数：
表1 抑制过电压所设计电路参数
Tab.1 Design circuit parameters for restraining over-voltage
仿真结果如下图2-4 所示：
(a) 变流器输出端线电压
(b) 无抑制时电机转子侧线电压
（c）有抑制时电机转子侧线电压
图6 仿真结果
Fig.6 Simulation results
由图2-4（a）可知，电机转子侧过电压为2200V 左右，近似为变流器直流侧电压的2 倍，由图2-4（b）可知，经过设计的抑制电路后，电机转子侧电压均在1300V 以内，未超过变流器直流侧电压的1.2 倍(1320), 表明了所设计的电路对过电压有很好的抑制作用，仿真结果符合理论设计要求。
3 结语
本文通过对传输线的运用，较深入分析了双馈风力发电机组中变流器长线电缆驱动引起电机端过电压的机理，并提出了抑制此过电压的方法，通过所设计电路，尽可能的减小了反射系数以及脉冲上升时间对过电压的影响，有效的解决了，因变流器长输电缆引起的过电压问题。
参考文献
[1] MULLERS.DEICKEM,DEDONCKER R W.Doubly fed induction generator systems for wind turbines.IEEE Industry Applications Magazine,2002,8(3);26-33.
[2] 陈志宏. 双馈调速异步电机在风力发电中的应用. 上海大中型电机,2003(1):18-22.
[3] 张兴，张显立, 谢震，吴玉杨. 双馈风力发电变流器长缆驱动及其过电压抑制. 电力系统自动化,2006,30(21):44-48.
作者简介
李东亮, 男（1992-），学历: 硕士，研究方向：风机故障诊断123
