電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性仿真分析?

牟文濤，李鳳婷

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 引言

電力系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模逐漸增大，電網(wǎng)與風(fēng)電機(jī)組之間的相互影響日益突出[1,2].雙饋風(fēng)電機(jī)組（DFIG）做為風(fēng)電場的主流機(jī)型，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，定、轉(zhuǎn)子磁鏈會(huì)產(chǎn)生大幅度變化，進(jìn)而引起定、轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過電流和過電壓等復(fù)雜的暫態(tài)過程[3,4].電力系統(tǒng)并網(wǎng)導(dǎo)則要求風(fēng)電機(jī)組具有LVRT能力，常用的方法是轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)Crowbar保護(hù)電路[5].很多文獻(xiàn)對(duì)加Crowbar保護(hù)電路的DFIG機(jī)組的電磁過程和穿越能力進(jìn)行了研究，但多數(shù)研究針對(duì)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障過程中或者故障清除后[6?8].與對(duì)稱故障相比，電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生不對(duì)稱故障概率更大[9]，不對(duì)稱故障除了引起電網(wǎng)電壓跌落，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量，故障時(shí)機(jī)組定子磁鏈變化比較復(fù)雜，有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究.

為了分析電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障過程中采用Crowbar保護(hù)電路的DFIG運(yùn)行特性，本文首先研究了不對(duì)稱故障情況下DFIG定子磁鏈的動(dòng)態(tài)特性，推導(dǎo)了故障后風(fēng)電機(jī)組的正、負(fù)序定子磁鏈表達(dá)式，分析了定子磁鏈的構(gòu)成.以PSCAD/EMTDC為平臺(tái)構(gòu)建了雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型，仿真分析了電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組定子磁鏈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，研究了由定子磁鏈的負(fù)序成分引起的電流不平衡、電磁轉(zhuǎn)矩振蕩、功率波動(dòng)等一系列動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程.研究了Crowbar保護(hù)電路在限制過電流，保護(hù)變換器方面的積極作用及應(yīng)對(duì)不對(duì)稱故障時(shí)存在的缺陷.

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)子側(cè)含有Crowbar電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 含Crowbar電路的DFIG風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中DFIG的電壓和磁鏈方程的矢量形式為

由式（1）、（2）得

2 電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)DFIG定子磁鏈的動(dòng)態(tài)特性

2.1 DFIG定子磁鏈動(dòng)態(tài)特性的研究

考慮DFIG采用三相三線制系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，線路系統(tǒng)中無零序分量通路，所以，電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，將忽略零序分量的存在，只需要考慮正、負(fù)序分量.正、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系矢量如圖2所示[10].

圖2 定子磁鏈在正、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的矢量圖

根據(jù)圖2可將定子磁鏈分解為正、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中正、負(fù)序分量，不對(duì)稱故障時(shí)DFIG在正向坐標(biāo)系中定子磁鏈為

式中的“+”、“-”，下標(biāo)表示正、負(fù)序分量，上標(biāo)表示在正、反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量.

式（5）展開得

設(shè)定故障前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，DFIG的機(jī)端電壓幅值為Us0，定子磁鏈幅值為ψs0=Us0/ω，故障后電壓幅值為Uf，對(duì)式（6）的微分方程進(jìn)行求解得正、反轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正、負(fù)序定子磁鏈

由式（4）可知，電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，負(fù)序分量導(dǎo)致DFIG定子磁鏈會(huì)發(fā)生二倍頻振蕩，由式（7）可知，定子磁鏈的振蕩幅值由負(fù)序電壓幅值Uf?決定.

2.2 DFIG定子磁鏈動(dòng)態(tài)特性的仿真

為研究采用Crowbar電路的DFIG在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)的運(yùn)行特性，本文以PSCAD/EMTDC為平臺(tái)，構(gòu)建了雙饋風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)模型（如圖3所示）.模型中相關(guān)參數(shù)如下：單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量1.5 MW，額定風(fēng)速13 m/s，定子電阻Rs=0.005 876（p.u.），轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.006 613（p.u.），定子電抗X=0.097 6(p.u.)，轉(zhuǎn)子電抗X=0.163 4(p.u.).

圖3 雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型

基于構(gòu)建的雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型，分別對(duì)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障、兩相短路故障和兩相接地故障時(shí)機(jī)組的定子磁鏈和運(yùn)行特性進(jìn)行仿真.設(shè)定風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2 s時(shí)F點(diǎn)發(fā)生故障，Crowbar電路投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器回路被短接，退出運(yùn)行.故障持續(xù)0.5 s，故障后Crowbar電路切出，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器重新投入運(yùn)行，控制雙饋風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行.

電網(wǎng)發(fā)生三相對(duì)稱故障與不對(duì)稱故障時(shí)DFIG的機(jī)端電壓與定子磁鏈的仿真結(jié)果如圖4所示.

仿真結(jié)果表明：相比三相對(duì)稱故障，發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)機(jī)端電壓和DFIG的定子磁鏈均出現(xiàn)振蕩，這是由于定子磁鏈中包含負(fù)序成分，振蕩幅值與故障時(shí)機(jī)端負(fù)序電壓的幅值有關(guān).其原因是Crowbar電路無法抑制負(fù)序分量，在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)系統(tǒng)中一直存在著負(fù)序分量，影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行.考慮到定子磁鏈的負(fù)序成分是故障期間引起雙饋風(fēng)電機(jī)組電流不平衡、功率和電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的根本原因[11]，下面將對(duì)其定子電流、轉(zhuǎn)子電流、功率和電磁轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行研究.

3 電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性仿真分析

3.1 單相接地故障

基于上節(jié)構(gòu)建的仿真模型，設(shè)F點(diǎn)2 s時(shí)發(fā)生A相接地故障，DFIG的運(yùn)行特性的仿真結(jié)果如圖5所示.

（1）分析單相接地故障時(shí)定、轉(zhuǎn)子電流仿真曲線（圖5（a）、（b））可知，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子電流突增，超過額定電流的3倍，由于Crowbar電路的投入，故障相電流逐漸衰減到一定值后保持穩(wěn)定.同時(shí)由于定子磁鏈負(fù)序分量在故障期間一直存在，DFIG中出現(xiàn)不平衡定子電流，轉(zhuǎn)子電流發(fā)生畸變；整個(gè)故障過程中由于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被切除，系統(tǒng)無法對(duì)有功、無功功率進(jìn)行控制，不能限制輸出電流的大小，這對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的故障選相和相應(yīng)的電流保護(hù)產(chǎn)生一定的影響[12].

（2）分析單相接地故障時(shí)定子輸出有功功率和無功功率（圖5（c））可知，故障過程中，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被crowbar保護(hù)短接，DFIG以異步發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行，在輸出有功的同時(shí)，從系統(tǒng)中吸收大量的無功功率，定子輸出有功、無功功率均有波動(dòng)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定.

（3）從分析單相接地故障時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果（圖5（d））可知，故障期間雙饋風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩有大幅度的振蕩，這不僅會(huì)產(chǎn)生噪音，而且會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)造成嚴(yán)重的沖擊，影響轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的工作壽命，甚至?xí)p壞風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備[9].

圖5 單相接地故障時(shí)DFIG運(yùn)行特性

3.2 兩相短路故障

F點(diǎn)發(fā)生A、B相間短路故障時(shí)DFIG運(yùn)行特性的仿真結(jié)果如圖6所示，研究表明相間短路故障時(shí)DFIG的各電磁量的變化趨勢與單相接地故障相似，但更為嚴(yán)重.DFIG吸收的無功功率比單相接地故障時(shí)多，受機(jī)端電壓跌落程度的影響，定、轉(zhuǎn)子電流比單相接地故障時(shí)大.電磁轉(zhuǎn)矩受定子負(fù)序磁鏈的影響振動(dòng)幅值更大，衰減更快，不利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行.

圖6 兩相短路故障時(shí)DFIG運(yùn)行特性

3.3 兩相接地故障

F點(diǎn)發(fā)生A、B兩相接地故障時(shí)的DFIG的各電磁量的仿真結(jié)果與變化趨勢與兩相相間故障類似，仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 兩相接地故障時(shí)DFIG運(yùn)行仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)電網(wǎng)不對(duì)稱故障，研究了DFIG定子磁鏈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，仿真研究了不對(duì)稱故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性的影響.研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力的Crowbar保護(hù)電路不能抑制負(fù)序分量，電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)DFIG的定子磁鏈含有負(fù)序成分，定子磁鏈有振蕩現(xiàn)象，振幅與故障時(shí)機(jī)端負(fù)序電壓幅值有關(guān).定子磁鏈中負(fù)序成分的存在，導(dǎo)致三相電流不平衡，若不平衡度超過機(jī)組保定定值，將導(dǎo)致機(jī)組退出運(yùn)行.故障期間機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩振動(dòng)較大，會(huì)對(duì)機(jī)組造成一定的沖擊；故障后定子輸出有功、無功功率存在波動(dòng)，影響風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性.因此，DFIG應(yīng)該采取抑制負(fù)序分量的方法來減小電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)對(duì)機(jī)組的不利影響.