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摘要：风力发电机绕组短路是机组内部典型的故障之一，发电机发生绕组突然短路时，绕组端部将受到很大的电动力冲击作用，定子绕组中产生强大的冲击电流，与过电压的综合作用，易导致绝缘薄弱环点击穿，致使线圈端部产生变形甚至损伤绝缘。且发电机可能产生剧烈振动，对某些结构部件产生强大的破坏性的机械应力。这将间接或直接地给电网带来巨大的经济损失，因此十分有必要对风力发电机内部绕组配置主保护。鉴于此，本文主要分析直驱永磁风力发电机绕组短路保护。
关键词：直驱永磁发电机；风力发电机；绕组 短路
1 直驱永磁风力发电系统的主要类型
（1）机侧采用不控整流，网侧采用PWM逆变。电机定子输出端接三相二极管整流桥进行不控整流，直流侧釆用电感电容滤波，网侧逆变器把直流侧电能逆变成工频交流电馈入电网。这种方式只有当发电机线电压的峰值高于直流母线电压，发电机才能馈出电能，而直流母线电压的最小值已经由电网电压决定，因此发电机运行电压需设计较高的输出电压，从而对变流器所使用的电力电子器件耐压提出很高的要求，导致系统成本大为增加，降低了整机效率。
（2）机侧采用不控整流+boost升压，网侧采用PWM逆变。能量经由不可控AC/DC变流器到达直流侧，由于风速的变化，导致了直流侧电压的波动，采用升压变流器将DC/AC变流器直流母线侧电压稳定控制，然后通过DC/AC变流器逆变并入网。
（3）机侧采用相控整流，网侧PWM逆变，这种方式与上两种方式相比，由于晶闸管的导通时间可以通过触发角控制，一定程度上可以抑制电流，保护直流母线防止过压，实现的机侧可控，成本较低。但是机侧低次谐波较大的缺点依然没有改善。因此实际系统中此种拓扑结构很少采用。
（4）具备四象限运行能力的双PWW控制的功率变流器。同二极管不控整流相比，机侧变流器采用PWM整流可以大大减少发电机定子电流谐波含量，从而降低了发电机的铜耗和铁耗，并且PWM整流器可提供几乎为正弦的电流，因而减少了发电机侧的谐波电流。
2 直驱永磁发电机的结构介绍及故障类型
2.1 风电机组原理与结构
风力发电机组是把风能转变为电能的电气设备。流动的空气具有动能，当作用在风力发电机组的风轮上时，空气推动发电机的叶片旋转，从而将流动的空气这种动能转换成风电机叶片旋转的机械能，叶片旋转产生的机械能进而带动发电机转子，由此就将机械能变为电能最后再输送给电力系统或者是电力用户，这就是整个风力发电系统的工作原理。
2.2 PMSG 发生故障的占比分析
据统计，大约 4.3%的故障是由联轴器和轴承引起的，8%左右的故障来源于端环故障和转子绕组故障，定子绕组发生故障的概率大约占故障总数的12.89%，发电机组的轴承发生故障的概率超过40%，此外其它部件也会引起随机故障。从以上数据可知，轴承故障、定子内部绕组短路是风力发电机组发生故障的的主要形式。当风力发电机因为内部绕组短路或者是其他不对称短路发生故障时，发电机内部的气隙磁场将会产生不同变化的空间谐波分量，产生的这些谐波磁场无论是的大小、方向，还是转速都是各不相同的，因此会产生很多的绕组电势谐波，这些影响最终都将导致 PMSG 输出的电流发生很大变化。
2.3 PMSG 的数学模型分析
为了使本课题的分析过程简化，需要做出下面的假设：(1)忽略发电机内部永磁体的阻尼效应，不考虑其内部的空间谐波。(2)忽略磁滞损耗和涡流损耗，磁路饱和的效应也该忽略不计。(3)直驱永磁风力发电机内部的三相绕组是对称的，生成的磁动势沿永磁发电机内部的气隙圆周呈现正弦规律分布，定子内部的绕组中呈现正弦特征的感应电动势。
直驱永磁风力发电机与传统的绕线式同步发电机相比较，直驱永磁机的定子内部的结构并没有太大的不同，区别之处在于，直驱永磁同步风力发电机转子部分的励磁磁场是从永磁体提供的。
3 绕组短路保护方案配置
结合永磁风力发电机的绕组结构，通过对发电机全面的内部短路分析、定量化的计算过程，制定针对绕组短路故障的主保护方案，以改变永磁风力发电机绕组无有效保护的现状，为中国大型永磁风力发电机的正常运行提供安全保证。
运用多回路的分析方法，通过匝间及单相接地短路的仿真计算，得出绕组故障时不同相的电流数值，并在此仿真基础上配置不同类型的主保护方案。
3.1 方案1—“3－2－3”中性点引出方式
该方案的设计如图1所示，分别将A、B、C三相分支数为1、4、7的分支连接在一起，形成中性点O1;再将每相的第2、6分支和第3、5、8分支接在一起，分别形成中性点O2和O3。在中性点O1－O2及O2－O3之间装设两个具有稳态保护功能的P级电流互感器TAO1和TAO2，并在A、B、C三相的1、4、7分支和3、5、8分支上装设具有避免暂态误动功能的TPY级电流互感器TA1—TA6，以构成两套不完全纵差保护、一套不完全裂相横差保护和两套零序电流型横差保护。
图1永磁发电机主保护配置方案1
3.2 方案2—“2－4－2”中性点引出方式
该方案的设计如图2所示，分别将A、B、C三相分支数为1、5的分支接在一起，形成中性点O1;再将每相的第2、4、6、8分支或第3、7分支接在一起，
分别形成中性点O2和O3。在中性点O1－O2、O2－O3之间装设两个具有稳态保护功能的P级电流互感器TAO1和TAO2，并在A、B、C三相的1、5分支和3、7分支上装设具有避免暂态误动功能的TPY级电流互感器TA1－TA6，以构成两套不完全纵差保护、一套不完全裂相横差保护和两套零序电流型横差保护。
图2永磁发电机主保护配置方案2
上述配置的保护方案致力于“不完全纵差保护+完全/不完全裂相横差保护”构成的“一纵两横”的保护格局。对于直驱永磁风力发电机实际运行中发生的绕组匝间及单相接地故障，通过配置上述图1及图2所示的主保护，可保证直驱永磁风力发电机组的主保护灵敏动作，从而保护性能优异。
总之，为保证直驱永磁风力发电系统安全可靠地运行，本文对永磁发电机内部绕组发生匝间及单相接地故障进行了深入研究，最后以直驱永磁风力发电机为例，研究绕组短路保护定量化设计的基本步骤，并确定了绕组短路保护的最终方案。
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[5]唐芬.直驱永磁风力发电系统并网技术研究[D].北京交通大学,2012.
论文作者:孟飞燕,张玉芝,张驰,张黎峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/7
标签：永磁论文; 绕组论文; 发电机论文; 故障论文; 变流器论文; 风力发电机论文; 分支论文; 《电力设备》2018年第12期论文;