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摘要：现如今，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，针对双馈风电机组（DFIG）低电压穿越问题，为克服传统撬棒（Crowbar）电路保护的不足，以抑制故障期间转子电流并兼顾防止直流母线过电压为目的，提出一种“电阻串联电容撬棒保护电路+直流卸荷（Chopper）电路”的综合控制策略。建立在转子侧Crowbar电路电阻串联电容，在直流母线侧加入Chopper电路的改进双馈机组模型，给出Crowbar电路电阻值及串联的电容值的取值方法，并对其控制策略进行分析。在Matlab／Simulink仿真平台上搭建系统模型进行仿真验证，结果表明该低电压综合穿越策略能够有效提升双馈风电机组低电压穿越能力。
关键词：双馈；风力发电；轴电压；抑制
引言
对于可再生能源占比较高且功率通过多回高压直流大量外送的送端电网，高压直流闭锁将引发高频问题，高频切机是抑制送端电网频率升高的重要控制措施。在考虑风电机组高频保护和直流闭锁后线路有功功率变化的基础上，提出了一种高频切机方案整定方法，并将其分解为首轮单次切机总量子模型和分轮次切机量优化整定子模型。综合利用线性插值法和摄动法求解各轮次切机量，并结合二元表进行灵敏度分析，优化高频切机方案。通过省级电网算例验证了所提高频切机方案的有效性，并校核了所提方案在不同运行方式下的适应性。
1高频轴电压的产生及危害
由于风电机组变频器采用PWM的调制方式，功率器件在快速开关时刻不可避免地产生电压尖峰，该尖峰的电压变化率（dv/dt）极高，可超过3000V/s，该尖峰电压对应的频率约为1MHz，可以轻易地通过传动系统的寄生电容、寄生电感耦合至电机的轴，再传导（或通过绝缘层容性耦合）至轴承的内圈，击穿油膜后传导至轴承外圈，外圈通过传导（或通过容性耦合）与地形成回路，产生高频轴承电流。由于油膜被高频轴电压击穿时，击穿点面积非常小，致使电流密度非常大，在击穿点局部产生极高的温度，使其金属分子熔融或直接蒸发。如此长期逐渐积累，在轴承上形成肉眼可见的搓衣板纹，最终导致轴承失效。在采用PWM变频器驱动的发电机系统中，共模电压的高频成分通过电机的寄生电容耦合至电机的旋转轴上。在轴承未采用绝缘措施的发电机上，轴承的内圈套在轴上，内圈与轴等电位。轴承外圈与发电机端盖相连，端盖被固定在机座上，而机座与系统零电位点相连或直接接地，此时，在轴承的内外圈之间形成了电位差。
2简析风电机组频率保护的送端电网有序高频切机策略
2.1自适应高频谐波ＬＭＤ法
将高频谐波引入到ＥＭＤ法中，其中高频谐波频率可根据采样频率，在分析频率的上限附近选择，高频谐波幅值一般接近原始信号的峰值．引入的结果显示，异常事件被淹没在高频谐波中，模态混叠现象得到有效抑制，但此方法需要手动确定高频谐波的频率和幅值．笔者根据包络信号和纯调频信号的物理意义，构造了具有自适应性的高频谐波，并将其一次性加入到原始信号中，通过改变原始信号的极值点位置以淹没或分离出异常事件，从而达到抑制模态混叠的目的．为避免端点效应对实验结果的影响，本算法采用特征波延拓的方法进行端点处理，分解过程中纯调频信号的认定条件以及ＬＭＤ法的终止条件依然根据延拓前的数据进行判断．
2.2双馈风机低电压综合控制策略
Crowbar电路一般选择当检测到转子电流超过上限值Imax（通常为额定电流的1.2~1.5倍）时投入。对于Crowbar电路退出时刻而言，目前常采用2种方案：方案Ⅰ在检测到转子电流低于下限值Imin（一般设定为额定电流）时，Crowbar电路退出；方案Ⅱ在检测到故障消除后的一个周波退出Crowbar电路。
可知，根据风电机组机端电压跌落程度的不同，两种控制策略均有各自适用范围。对于DC-Chopper电路投切控制，与上述Crowbar电路类似，当检测到直流母线电压高于上限值Umax时投入运行，利用Chopper电路电阻进行直流卸荷，在检测到直流母线电压下降至下限值Umin时Chopper电路切除运行，以此来保护直流母线电容不被损坏。
2.3高频切机方案整定
高频切机方案的各边界约束条件限值分别为：f∞，min=50.0Hz，f∞，max=50.2Hz，fUFLS，set1=49.25Hz，fOPC，set=51.5Hz，n=5，Δtcr=0.2s。系统对频率偏差要求为±0.5Hz，考虑一定裕度可得到首轮动作频率阈值。然后考虑动作轮次和fOPC，set的值，末轮动作频率阈值fcr，n与fOPC，set之间也留有一定裕度。因此，确定首轮和末轮切机动作频率阈值分别为fcr，1=50.6Hz和fcr，n=51.4Hz，各轮次间隔值为0.2Hz。在丰极小运行方式和极端故障场景下，首先求得首轮单次切机总量范围为7880~11600MW，然后计算切机总量初始值为9740MW和各轮次切机量初值。根据每轮次整定对应的扰动功率和初始切机量，利用各轮次切机量优化模型精确计算各轮次的切机量。
2.4电阻串联电容Crowbar电路仿真分析
同样的设置t=0.5s时电网发生三相短路，机端电压跌落至0.2pu，故障持续时间为0.3s，Crowbar电路退出时刻采用方案Ⅱ，在直流母线侧加入Chopper控制电路，其电阻值的选取0.45Ω，加入Chopper电路后，未发生直流母线电压越限情况，直流侧电容器安全得到保证，此外转子电流与无功功率也得到较好稳定。因此直流母线侧加入Chopper电路配合转子侧电容串联电阻的Crowbar电路的低电压综合穿越控制策略能够有效提高双馈机组低电压穿越能力。
3风电机组传动系统故障诊断
主流风电机组传动系统包括主轴、齿轮箱、发电机和联轴器等，其主要部件可分为轴系、滚动轴承和各级齿轮．选取某７５０ｋＷ风电机组传动系统现场振动数据进行分析，参考ＶＤＩ ３８３４标准进行数据采集，其中每个测点都装有水平、垂直和轴向３组传感器．通过与其他同类型风电机组对比发现，该风电机组发电机前端振动数据表现异常，取测点６垂直方向的加速度数据进行分析，其中，采样频率为１２ ８００Ｈｚ，发电机转速为１ ５１９．７ｒ／ｍｉｎ．表１为发电机轴承故障特征频率．
结语
本文考虑了风机高频保护定值及线路功率变化，提出了一种送端电网高频切机方案整定模型。将模型分解成首轮单次切机总量子模型和分轮次切机量优化整定子模型，降低了模型求解的复杂度。综合应用线性插值法和摄动法快速求解各轮次切机量。结合机组与直流落点间的电气距离和机组出力之和，采用背包问题模型优化了各轮次切机组合，将切机量与机组对应。算例分析表明，所提高频切机方案在不同直流闭锁故障和运行方式下能有效抑制系统暂态频率升高，具有良好的适应性。直流闭锁时，部分机组可能会由于电压或功角的动态过程发生失稳，对高频切机方案的适应性产生影响。在后续研究中将进一步考虑失稳机组和高频切机之间的协调控制，并对动作轮次、动作阈值、切机量等进一步优化。
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