摘要：双馈风力机通常使用发电机和变速箱进行导管插入运行的，所以在这样的结构下，零件既是整体的，也是每个个体都独立存在。因此，一旦风机的运行出现问题，各个部分要进行独立检查或维护。本文就双馈风机故障运行特性及继电保护进行了探讨。
关键词：双馈风机；故障运行特性；继电保护
前言
现阶段我国用于发电的设备主要有两种，一种是双馈式风机还有一种就是直驱式风机。根据实际发展需求的不同，对于发电设备的应用也将有所差别，这两种方式都有自己的优势和不足，但是都具备十分广泛的发展前景和进步空间。在此环节中，双馈式风机在风电场中的应用也就具备十分积极的作用，可以实现对风电场的有效控制和协调。为此本文就将进一步研究和分析双馈式风机的重要发电原理和应用前景，希望本文的研究对于我国经济建设和发展能起到一定的帮助作用。
1双馈式风机概况
双馈式发电机通常也是一种绕线式的转子电机，因为转子和定子都可以为电网进行反馈，所以也被我们称作双馈电机。双馈式风力发电机主要组成部分为发电机、变流器、叶轮和相关的传动装置组成，机组中的叶轮借助齿轮的作用实现发电。在某种意义而言，此种发电机也是在异步感应电机的作用下进行改装的一种设备，所以，也被叫做异步化同步电机。此种风机自身的可维护性还比较强，操作起来也更为便利，双馈式风机机组通常采用的都是发电机、齿轮箱导管进行运行，所以在此种结构下，各个部位既是整体，也是一个个独立存在的个体。所以一旦风机组的运行工作中出现问题，也可以将每个部位的整体进行拆分，对有问题的地方进行独立检查或是维修，只有这样才能更有效的节约时间，同时这项工作的开展对于场地的要求也不高，可以在工作现场对设备进行直接维修，有着较强的便利性。
2双馈式风机的市场的应用现状
当前，双馈式风力发电机在市场上的应用不断得到提升和发展，截至目前，世界各国在对双馈式风力发电机上的资金和技术投入也逐渐成为了当前电力发展工作中最重要的组成环节。由于双馈式风机是一项借助多级齿轮箱驱动的异步发电机，所以具备十分显著的优势，比如重量小、转速快和转速小的优势，因此此项技术一经发展，就在已经上市的风力发电机组工作中得到了广泛的应用和重视。通过对现阶段我国风电机组的功率等级而言，主流机型主要采用的是2MW和1.5MW两种，当前这两种机型在市场的发展中已经占据了市场总额的百分之七十以上，截止2017年的上半年，我国在对风电装机进行增加的过程中，2MW等级的风电机组装机已经占据了全国范围内装机容量的百分之六十以上，并且在新增的机组中，借助带齿轮箱的风力发电机组也占据了全部机组的百分之七十，这也说明对于双馈风电机组的装机量始终处于稳定发展和上升的趋势。
3双馈风力发电机故障电流的频率特性
在故障发生期间为了防止风电场大面积脱离电网系统，因此则需要双馈风力发电机组具备良好的低电压穿越的能力。可以设在短路故障发生的瞬间，撬棒（Crowbar）保护电路瞬时投入转子侧变流器运行，运行期间的双馈风电机组将产生与转差率有关的暂态电势，对该暂态电势在网络中的非工频和工频分量进行叠加，造成了送出线上风电场侧的系统主频率的偏移。
以定子A相电流Ai为例
iA=（A-1）
COS（ω1t+φ）-
cosφ+
（
）
cos（ωrt+φ）（1）
根据（1）式可知，定子电流的构成为三个部分：定子电流的稳态分量，定子暂态电流的直流分量，
（
）
cos（ωrt+φ）为在定子暂态电流中比重较大的交流分量，按照瞬态时间常数T'r进行衰减，其频率将受到故障发生瞬间转子转速的影响。
4故障控制策略
4.1频率控制
DFIG工作在超同步运行状态时，DFIG转子中储存了大量的旋转动能，由于转子转速是受转子侧变流器控制的，仅靠定转子之间的弱电磁耦合无法使这部分动能在系统频率降低时释放出来；相反，DFIG工作在亚同步运行状态时，如果仅靠定转子之间的耦合关系，转子吸收的电磁功率较少，对系统频率升高的抑制作用不明显。双馈变速风电机组对有功和无功的解耦控制使得转速不能有效跟随系统频率，因此，当系统检测到非正常频率时，把最大功率点追踪控制切换到频率控制，使得风电机组短时增加或者减小输出功率：频率降低时，双馈变速风电机组通过转子侧变流器降低转子转速释放出部分旋转动能输入系统；频率升高时，双馈变速风电机组通过转子侧变流器提高转子转速吸收部分电磁功率用于增加转速，储存部分动能。故障切除后，频率检测到正常频率时又切换到最大功率点追踪控制。电网线路发生故障时，DFIG突然掉负荷，有功不平衡，频率升高，当检测到系统频率升高时，转子侧的最大功率点追踪控制切换到频率控制，转子侧变流器控制转子提高转速吸收部分电磁功率，储存部分动能，减小有功输出抑制频率升高。
4.2电压控制
电压波动主要与无功变化以及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的情况下，电压变动主要是由于无功负荷的剧烈变动所致，因此在短路故障时，如果DFIG能够迅速对无功进行补偿，那将会维持系统电压的稳定。所以在系统发生故障时把额定功率因数控制切换到电压控制策略来控制PWM变流器，利用实时电压与参考电压的差值通过比例积分器求出，触发DFIG发出无功，维持电压的稳定。电网线路发生故障时，电压突然下跌，当检测到电压下跌时，转子侧额定功率因数控制切换到电压控制，通过触发无功电流的增加，使DFIG发出无功，维持系统电压。故障切除后，检测到电压恢复正常时重新切换到额定功率因数控制。
5继电保护配置与整定
5.1风机本体
风机本体通常配置电流保护、频率越限、电压越限等。依据相关导则和短路故障特性，其保护整定原则如下：
1）电流保护
不同风机类型应根据各自的短路电流特性进行整定。为保护风机的转子与换流器，双馈风机加装撬棒电路，永磁直驱风机加装卸荷电路：定子主保护配置电流速断保护，反应定子绕组相间短路引起的过电流，按最大运行方式下风机内部相间短路电流整定，瞬时动作；后备保护配置复合电压闭锁过电流保护，防止启动或电流波动时引起过电流保护误动，起动电流按风机额定负荷下可靠返回整定，电压元件整定为（0.5～0.6）u。，动作时限应与低压保护和下一元件后备保护相配合。
2）频率越限保护
考虑风电场维修不便，应尽量减少风机脱网，频率越限保护设定一段报警频率，而非直接跳闸。
3）电压越限保护
过电压保护按常规整定原则设置两段。为发挥风机的低电压穿越能力，风机低压保护需与之配合。根据1.2节的分析，海上风电场的故障应更快切除，避免故障加深导致系统失稳。风机或风机出口故障时，故障机组立即切除，设置短延时0.1S：场内故障时，为给场内故障切除留下充足时间，动作延时一个时间级差0.3～0.5s；电网故障时，至少有0.625S来切除其故障；撬棒保护或卸荷保护使机组电压处于一个恢复过程，因此低压保护定值设置为随时间变化的动态值。
5.2箱式变压器
风电场箱变的保护既要满足能使故障准确定位，也要保证在其他地方故障时具有选择性，仍然加装熔断器，且动作时限不小于0.1S，作为机端与集电线的远后备保护。
结束语
总而言之，随着风电装机容量的增加，以及设备运行时间越来越长，风电场中的风电机发电机出现的故障相对会增多，因此，我们必须高度重视故障出现的原因，要不断加以分析并实践，不断地改进，从而促进我国电力行业的快速发展。
参考文献：
[1]于建国.双馈发电机故障检测手段初步探讨[J].技术交流，2017
[2]肖国平.双馈发电机故障诊断方法[J].风力发电厂，2016
论文作者:郭杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/4/22
标签：风机论文; 转子论文; 故障论文; 电压论文; 频率论文; 电流论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第31期论文;