具有不對稱故障穿越能力的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組短路電流分析與計(jì)算

劉素梅　畢天姝　薛安成　楊奇遜

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))　北京　102206)

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具有不對稱故障穿越能力的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組短路電流分析與計(jì)算

劉素梅畢天姝薛安成楊奇遜

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京102206)

風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)背景下，電網(wǎng)故障電流特征發(fā)生根本性改變，現(xiàn)有電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)將難以適應(yīng)。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(DFIG)短路電流特性的研究多依賴于具體指定的變換器控制與保護(hù)策略，研究所得結(jié)論多樣化，從電力系統(tǒng)繼電保護(hù)需求角度缺乏通用性，且針對不對稱故障電流特性的研究仍相對較少。在分析電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障對DFIG自身安全與運(yùn)行控制影響的基礎(chǔ)上，以風(fēng)電并網(wǎng)故障穿越要求為約束，揭示了DFIG故障穿越控制與其饋出短路電流特性間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，進(jìn)一步從理論上推導(dǎo)了不依賴變換器控制策略的DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算公式；并系統(tǒng)分析了不同電網(wǎng)故障情況下DFIG故障電流變化特性及規(guī)律。這些結(jié)論能夠?yàn)楹罅緿FIG電網(wǎng)繼電保護(hù)適應(yīng)性分析及其新原理研究提供支撐。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電流計(jì)算不對稱故障穿越控制風(fēng)力發(fā)電故障分析

0　引言

隨著能源需求快速增長與供應(yīng)短缺、環(huán)境污染之間矛盾的日益凸顯，近年來風(fēng)力發(fā)電在我國發(fā)展十分迅猛。其中，甘肅、內(nèi)蒙古、吉林、新疆、河北、江蘇、山東7個(gè)省區(qū)已有8個(gè)千萬kW級風(fēng)電基地通過了國家審查并正在建設(shè)中。截止2014年底，我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到9 637萬kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的7%，占全球風(fēng)電裝機(jī)容量的27%，居世界第一[1]。其中，甘肅、內(nèi)蒙、吉林等地并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量已接近甚至超過了省內(nèi)電力總?cè)萘康?0%[2]。

風(fēng)電在我國電網(wǎng)尤其是部分區(qū)域電網(wǎng)中所占比例的持續(xù)增加，將使所接電網(wǎng)故障電流特性發(fā)生根本性改變，現(xiàn)有以傳統(tǒng)同步電機(jī)為基礎(chǔ)的故障電流分析計(jì)算模型及繼電保護(hù)技術(shù)面臨新挑戰(zhàn)。這已成為電力企業(yè)當(dāng)前最為棘手和緊迫的問題之一[3-5]。

為解決上述風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)保護(hù)面臨的新問題，著重需要開展的研究包括：①認(rèn)知并揭示風(fēng)電機(jī)組故障特性，以此為基礎(chǔ)提出風(fēng)電機(jī)組短路電流計(jì)算模型；②評估現(xiàn)有電網(wǎng)保護(hù)適應(yīng)性，并提出適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電接入的電網(wǎng)保護(hù)新原理及配置規(guī)則與整定計(jì)算方法。其中，風(fēng)電機(jī)組故障電流特性認(rèn)知是基礎(chǔ)，而相關(guān)方面的研究尚不夠全面深入。

目前國內(nèi)外多數(shù)風(fēng)電場主流機(jī)組為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(Doubly-Fed Induction Generators，DFIG)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種。本文主要針對DFIG，研究其短路電流特性及計(jì)算模型。不同于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，DFIG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是發(fā)電機(jī)定子繞組與電網(wǎng)直接相連，而轉(zhuǎn)子通過交直交勵(lì)磁變換器與電網(wǎng)連接[6]，導(dǎo)致電網(wǎng)故障下DFIG運(yùn)行特性不僅與發(fā)電機(jī)本身電磁暫態(tài)過渡過程有關(guān)，還與勵(lì)磁變換器暫態(tài)控制、保護(hù)(如轉(zhuǎn)子Crowbar電路)策略等多方面因素相關(guān)[7，8]。因此，DFIG提供的故障電流特性是復(fù)雜多變的[9]。

若DFIG近端發(fā)生嚴(yán)重電網(wǎng)故障(機(jī)端電壓跌落較小)，為保障變換器安全，轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路將立即投入且故障期間始終不退出，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被旁路，DFIG的故障電流特性與繞線式異步電機(jī)相似。而若距DFIG較遠(yuǎn)處發(fā)生非嚴(yán)重故障，根據(jù)最新電網(wǎng)規(guī)則所提故障穿越要求[10，11]，Crowbar保護(hù)電路會短時(shí)投入或根本不投入[12，13]。在故障的絕大部分時(shí)間中，DFIG仍由變換器勵(lì)磁調(diào)節(jié)其輸出功率，DFIG故障電流特性主要受變換器暫態(tài)控制影響[14]。上述兩種不同故障情況下DFIG的短路電流特性存在較大差異。但是現(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于故障后轉(zhuǎn)子Crowbar電路始終投入情況下，DFIG短路電流特性的研究[15-17]。

然而針對故障下勵(lì)磁變換器作用時(shí)DFIG故障電流特性及計(jì)算模型的研究仍相對較少，這主要是由于目前缺乏來自實(shí)際電網(wǎng)的故障錄波數(shù)據(jù)，且風(fēng)電廠商并不公開DFIG采用的相關(guān)控制策略及詳細(xì)參數(shù)。文獻(xiàn)[7，18]分析了故障期間轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器正常并網(wǎng)控制策略對DFIG對稱故障特性的影響機(jī)制，并給出了故障下發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算表達(dá)式。文獻(xiàn)[19]提出將轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器等效為受控電流源，進(jìn)一步分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的對稱短路電流特性，該研究也是基于正常并網(wǎng)運(yùn)行控制策略。這些研究均與風(fēng)電并網(wǎng)的故障穿越要求不相符。

針對上述問題，文獻(xiàn)[20]基于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器對稱故障穿越控制策略，推導(dǎo)并給出了DFIG轉(zhuǎn)子電壓計(jì)算表達(dá)式，但并未涉及短路電流特性的研究，且文中所提變換器暫態(tài)控制并不能有效應(yīng)用于電網(wǎng)不對稱故障場景。實(shí)際上，不對稱故障(實(shí)際電網(wǎng)中較常發(fā)生)下，由于機(jī)端負(fù)序電壓的存在，DFIG的故障穿越控制問題本身就較復(fù)雜，所以目前尚無關(guān)于具有不對稱故障穿越能力DFIG的短路電流特性方面的研究報(bào)道。

本文在分析不對稱故障對DFIG本身安全和運(yùn)行控制影響的基礎(chǔ)上，以風(fēng)電并網(wǎng)的故障穿越要求為約束，揭示了勵(lì)磁變換器不對稱故障穿越控制與DFIG饋出短路電流特性之間關(guān)聯(lián)規(guī)律，從理論上推導(dǎo)了不依賴勵(lì)磁變換器暫態(tài)控制策略的DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算公式。通過分析電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)刻、類型和位置等因素對DFIG故障電流特性的影響規(guī)律，揭示了與常規(guī)同步電發(fā)機(jī)相比雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電流特性的差異性，為含雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)保護(hù)配置與整定計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

1　電網(wǎng)不對稱故障下DFIG控制特性分析

并網(wǎng)型DFIG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組由背靠背連接的轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)PWM變換器進(jìn)行勵(lì)磁，而定子繞組直接與電網(wǎng)相連。

圖1　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Topology of grid-connected DFIG

結(jié)合空間矢量法，在靜止坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系表達(dá)式[21]為

(1)

(2)

式中，Us、Ur、Is、Ir、ψs、ψr分別為發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈空間矢量；ω為轉(zhuǎn)子電角速度。Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；Ls、Lr和Lm分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組等效自感與繞組間互感。

假定t=t0時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障。由于DFIG并網(wǎng)用箱式變壓器通常采用星形(接地)/三角形的接線方式，所以DFIG內(nèi)部無零序電壓和電流。因此，故障后機(jī)端電壓為

(3)

忽略式(1)中定子電阻的影響，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣桑收虾蠖ㄗ哟沛準(zhǔn)噶勘磉_(dá)式為

結(jié)合式(1)和式(2)，故障下由于定子磁鏈動態(tài)變化在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢近似為

(5)

式中，Lo=Lm/Ls；ω2為轉(zhuǎn)子繞組正序角頻率，ω2=ω1-ω；s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，s=ω2/ω1，一般情況下s=-0.3～0.3。

由式(5)可知，故障后轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢中除了包含與s呈正比例的正序基頻量外，還包括與2-s(取值范圍1.7～2.3)呈正比例的負(fù)序分量以及與1-s(取值范圍0.7～1.3)呈正比例周期為ω的衰減分量。其中，轉(zhuǎn)子負(fù)序和暫態(tài)衰減電動勢會引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中流過較大的負(fù)序和暫態(tài)衰減電流，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)變換器過電流，DFIG被迫脫網(wǎng)。

然而，為避免轉(zhuǎn)子側(cè)變換器過電流，確保DFIG可滿足電網(wǎng)故障穿越要求，故障初始階段轉(zhuǎn)子Crowbar電路將短期投入，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器閉鎖，發(fā)電機(jī)作為異步電機(jī)運(yùn)行。此階段，DFIG提供的短路電流特性與異步電機(jī)故障電流特性相似，相關(guān)方面的研究已較成熟，這里將不再詳述。

=Te0+Tecoscos(2ω1t)+Tesinsin(2ω1t)

(6)

針對前述電網(wǎng)不對稱故障對DFIG自身安全造成的影響，在考慮風(fēng)電故障穿越規(guī)則對DFIG所提的功率支撐要求的基礎(chǔ)上，故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制將通過分別調(diào)節(jié)流過正、負(fù)序轉(zhuǎn)子電流，消除電磁轉(zhuǎn)矩的二倍頻脈動量，并實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩和無功功率分量進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制。在正、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于正序定子磁鏈?zhǔn)噶?，?fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系僅與正序坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)方向相反)下，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制的正、負(fù)序電流參考值為

(7)

上述控制目標(biāo)下，考慮到變換器最大允許電流的限制，轉(zhuǎn)子正、負(fù)序電流幅值之和應(yīng)滿足

(8)

式中，Irlim為變換器最大允許電流值。

電網(wǎng)嚴(yán)重不對稱故障下，如果轉(zhuǎn)子正、負(fù)序電流幅值之和大于變換器最大允許電流，考慮到故障期間DFIG應(yīng)優(yōu)先向電網(wǎng)提供無功功率支撐，轉(zhuǎn)子電流參考值將按照式(9)重置。

(9)

因此，在前述轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略作用下，由發(fā)電機(jī)所提供的穩(wěn)態(tài)故障電流可結(jié)合式(2)確定，其大小僅與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制目標(biāo)有關(guān)，而與其控制回路結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)無直接關(guān)聯(lián)。

但是，故障后轉(zhuǎn)子側(cè)變換器重啟的初始階段，由于控制器響應(yīng)具有一定延時(shí)性，再加上定子磁鏈直流分量的影響，所以發(fā)電機(jī)所提供的故障電流將經(jīng)歷一個(gè)過渡過程后方可達(dá)到穩(wěn)態(tài)。然而，過渡過程的持續(xù)時(shí)長及該過程中暫態(tài)故障電流的大小不僅受電網(wǎng)故障情況影響(故障類型、位置及阻抗)，還與轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器控制回路結(jié)構(gòu)及參數(shù)等多種因素有關(guān)，難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述。

另外，故障后網(wǎng)側(cè)變換器控制也會受到一定影響，主要體現(xiàn)在直流母線電壓以二倍基波頻率脈動，同時(shí)流過變換器的電流可能超過其最大允許值。為此，網(wǎng)側(cè)變換器控制可通過實(shí)時(shí)跟蹤控制其上流過的正序電流，并且抑制負(fù)序電流，達(dá)到在變換器最大允許電流范圍內(nèi)實(shí)時(shí)平衡直流母線兩側(cè)功率，保障直流電壓在其安全允許范圍。這里考慮到網(wǎng)側(cè)變換器容量有限(通常為DFIG額定容量的25%～30%)及最大允許電流的限制，盡管故障期間網(wǎng)側(cè)變換器控制策略對DFIG向電網(wǎng)提供的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)故障電流會有一定影響，但該影響通常較小。因此，本文將著重分析故障下雙饋發(fā)電機(jī)提供短路電流的變化特性。

2　DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算模型

根據(jù)式(2)可知，雙饋發(fā)電機(jī)提供的電流不僅與定子磁鏈有關(guān)，同時(shí)也與轉(zhuǎn)子電流相關(guān)。然而，電網(wǎng)故障后轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器故障穿越控制運(yùn)行模式相關(guān)。如前述不對稱故障穿越控制策略作用下，故障穩(wěn)態(tài)期間轉(zhuǎn)子側(cè)變換器存在兩種工作模式：

1)實(shí)時(shí)跟蹤控制如式(6)所示的電流參考目標(biāo)。此工作模式下轉(zhuǎn)子正、負(fù)序電流幅值之比與機(jī)端正、負(fù)序電壓幅值之比相等。

2)電流限幅環(huán)節(jié)作用。該工作模式下轉(zhuǎn)子正、負(fù)序電流比值不再與機(jī)端正、負(fù)序電壓比值相等，其大小受變換器最大允許電流影響。

接下來，推導(dǎo)并分析轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作于上述兩種不同模式下，雙饋發(fā)電機(jī)提供的穩(wěn)態(tài)故障電流計(jì)算表達(dá)式及變化特性。

首先，根據(jù)式(2)，轉(zhuǎn)子正、負(fù)序電流與定子磁鏈和電流之間的關(guān)系為

(10)

將式(10)代入到式(6)中，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩平均直流分量與定子磁鏈、電流之間關(guān)系為

(11)

再結(jié)合式(4)，雙饋發(fā)電機(jī)輸出無功功率為

(12)

根據(jù)不對稱故障下抑制電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻脈動量的控制目標(biāo)，由式(6)可得出

(13)

依據(jù)式(13)，進(jìn)一步推導(dǎo)得出

(14)

將式(14)分別代入到式(11)和式(12)中，發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)態(tài)正序短路電流矢量表達(dá)式為

(15)

將式(15)代入式(14)中，發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)態(tài)負(fù)序短路電流矢量表達(dá)式為

(16)

(17)

根據(jù)式(15)～ 式(17)所述的正、負(fù)序短路電流計(jì)算公式，可進(jìn)一步求得DFIG提供的三相電流幅值為

(18)

結(jié)合式(15)～ 式(18)可以看出，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組饋出穩(wěn)態(tài)正、負(fù)序短路電流幅值與三方面因素有關(guān)：①故障期間轉(zhuǎn)子變換器控制目標(biāo)，即實(shí)際無功功率Qs0和電磁轉(zhuǎn)矩Te0，其值大小很容易確定，可由風(fēng)電并網(wǎng)故障穿越無功支撐要求、故障期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值(其取值無明確要求，但從電網(wǎng)繼電保護(hù)角度，最大值和最小值已知)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器最大允許電流決定；②雙饋發(fā)電機(jī)自身參數(shù)，如定子自感Ls、互感Lm等，這些參數(shù)較易從廠商處獲??；③機(jī)端正、負(fù)序電壓相關(guān)量，它們與所接電網(wǎng)參數(shù)及故障情況相關(guān)，在繼電保護(hù)相關(guān)研究中電網(wǎng)參數(shù)及故障情況為已知量。

綜上所述，本文所提DFIG穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算表達(dá)式不依賴于變換器所采用控制器結(jié)構(gòu)、類型及相關(guān)參數(shù)，避開了實(shí)際電網(wǎng)故障分析計(jì)算中變換器控制策略無法獲知的難題，為含DFIG電網(wǎng)保護(hù)整定值計(jì)算提供了可能。

3　不同工況下穩(wěn)態(tài)短路電流驗(yàn)證與分析

3.1閉環(huán)試驗(yàn)平臺構(gòu)成

為驗(yàn)證本文DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算表達(dá)式的正確性，并進(jìn)一步分析不同電網(wǎng)故障情況下DFIG短路電流變化規(guī)律，本文構(gòu)建了如圖2所示的硬件閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2所示閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由主控制器、PWM信號發(fā)生器、RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和后臺監(jiān)控器4部分組成，相關(guān)性能指標(biāo)按照國標(biāo)或市場化商業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。其中，主控制器采用DPS+FPGA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)DFIG正常/故障運(yùn)行控制與保護(hù)算法；PWM信號發(fā)生器用于生成變換器控制所需開關(guān)信號，并送入RTDS系統(tǒng)；RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)用于模擬含DFIG電網(wǎng)主電路部分；后臺監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)DFIG啟停、相關(guān)模擬量監(jiān)測、控制器與保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定等。

基于上述閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，對圖3中含DFIG典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)測試與分析。其中，變壓器T1、T2電壓比分別為121 kV/10 kV、0.69 kV/10 kV。線路OA、BC、CD長度分別為2.0 km、5.5 km、1.6 km，相關(guān)參數(shù)依據(jù)線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇。DFIG主要參數(shù)：發(fā)電機(jī)額定容量1.5 MW，額定電壓0.69 kV，定轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)比2.637 7；定子繞組等效電阻和漏感分別為0.008 06(pu)和0.168(pu)；轉(zhuǎn)子繞組等效電阻和漏感分別為0.006(pu)和0.152(pu)；勵(lì)磁電感3.48(pu)；直流母線電壓1.26 kV，網(wǎng)側(cè)濾波器等效電感0.000 4 H。

另外，轉(zhuǎn)子Crowbar電阻0.5 Ω。

圖3　含DFIG的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3　Topology of power system with a DFIG

3.2穩(wěn)態(tài)短路電流驗(yàn)證

基于Matlab編寫了含DFIG電網(wǎng)故障電流分析計(jì)算程序，將所得結(jié)果與利用閉環(huán)測試系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。表1為不同風(fēng)速(與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng))下，線路CD末端處發(fā)生AB相間短路故障時(shí)，DFIG饋出三相穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算值與試驗(yàn)值。

表1　不同風(fēng)速下DFIG饋出短路電流Tab.1　Fault currents of DFIGs with different wind speed

從表1中可以看出，不同風(fēng)速情況下，故障后發(fā)電機(jī)輸出三相穩(wěn)態(tài)短路電流幅值有所不同，風(fēng)速越大，短路電流越大。但風(fēng)速為10 m/s和12 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出短路電流幅值基本相同，這主要是由于轉(zhuǎn)子變換器控制回路中電流限幅環(huán)節(jié)作用所致。

因此，故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)變換器運(yùn)行控制模式將直接決定風(fēng)速是否影響發(fā)電機(jī)所提供三相短路電流幅值。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制回路中電流限幅環(huán)節(jié)發(fā)生作用情況下，發(fā)電機(jī)所提供短路電流受風(fēng)速影響很小，其大小主要受機(jī)端電壓變化影響，后續(xù)詳述相關(guān)內(nèi)容。

3.3不同電網(wǎng)故障下DFIG穩(wěn)態(tài)故障電流變化規(guī)律如前文所述，DFIG饋出穩(wěn)態(tài)短路電流不僅與故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制目標(biāo)密切相關(guān)，還與其機(jī)端正、負(fù)序電壓有關(guān)。而機(jī)端電壓主要受故障發(fā)生時(shí)刻、故障類型、故障位置等影響。以下將主要分析不同故障情況下DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流變化規(guī)律，從而揭示DFIG與同步發(fā)電機(jī)的差異性。

1)不同故障時(shí)刻

為分析故障發(fā)生時(shí)刻對DFIG短路電流特性的影響規(guī)律，假定線路CD末端發(fā)生AB相接地故障，持續(xù)時(shí)間為0.625 s，故障發(fā)生時(shí)刻分別為t=0.413 s、t=0.415 s與t=0.418 s。故障前DFIG額定運(yùn)行，風(fēng)速為12 m/s。就機(jī)端電壓而言，故障發(fā)生時(shí)刻只會影響其正、負(fù)序電壓矢量間夾角，而不會影響正、負(fù)序電壓幅值大小。上述3種故障情況下，正序電壓從1(pu)跌落至0.73(pu)，負(fù)序電壓從0(pu)增至0.32(pu)。

圖4　不同故障發(fā)生時(shí)刻DFIG短路電流變化曲線Fig.4　Instantaneous fault current curve of the DFIG under different fault occurrence time

圖4為不同故障時(shí)刻情況下雙饋發(fā)電機(jī)提供短路電流的變化曲線。可看出若t=0.413 s發(fā)生故障，故障期間發(fā)電機(jī)提供短路電流幅值隨時(shí)間變化很小，而t=0.415 s和t=0.418 s發(fā)生故障時(shí)，故障初始階段發(fā)電機(jī)短路電流幅值變化程度相對較大。經(jīng)過進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析可知，這主要是由于短路電流中包含較大的接近于直流的低頻分量。

圖5為不同故障發(fā)生時(shí)刻DFIG所提供不同短路電流分量的變化曲線。從圖5b中可看出，故障于t=0.418 s發(fā)生時(shí)，初始階段接近于直流的低頻分量最大，約為0.65 kA，約達(dá)0.366倍額定電流。實(shí)際上，不對稱故障下發(fā)電機(jī)所提供短路電流僅在故障初始階段包含暫態(tài)衰減分量，而故障穩(wěn)態(tài)期間只包含正、負(fù)序基頻量。

圖5　不同故障發(fā)生時(shí)刻DFIG短路電流不同分量變化曲線Fig.5　Different short-circuit current component from the DFIG under different fault occurrence time

如圖5a所示，不同時(shí)刻故障發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)所提供穩(wěn)態(tài)短路電流的正、負(fù)序幅值均相等，正序、負(fù)序電流幅值分別約為2.21 kA和0.86 kA。這與式(15)～式(17)的理論結(jié)果一致。由理論公式知，發(fā)電機(jī)提供的正、負(fù)序幅值主要與機(jī)端正、負(fù)序電壓幅值、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制電磁轉(zhuǎn)矩平均分量以及發(fā)電機(jī)輸出無功功率參考值等有關(guān)，與故障發(fā)生時(shí)刻無關(guān)。該特性與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)相似。

2)不同故障位置

為分析不同故障位置對DFIG短路電流特性的影響規(guī)律，假定t=0.4 s時(shí)線路OA首末端處分別發(fā)生A相接地短路故障。故障前風(fēng)速為12 m/s。線路OA首端故障(離DFIG較遠(yuǎn))導(dǎo)致機(jī)端正序電壓幅值由1.02 (pu)跌落至0.77 (pu)，負(fù)序電壓幅值由0 (pu)上升至0.25 (pu)。若線路OA末端處故障，機(jī)端正序電壓幅值由1.02 (pu)跌落至0.66 (pu)，負(fù)序電壓幅值由0 (pu)上升至0.36 (pu)。圖6為不同故障位置下雙饋發(fā)電機(jī)輸出電流曲線。

圖6　不同位置故障情況下發(fā)電機(jī)短路電流曲線Fig.6　Fault current from the DFIG under different fault locations

從圖6a中可以看出線路OA首末端故障時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)故障電流變化規(guī)律有所不同。其中，線路首端故障后穩(wěn)態(tài)期間A相電流(2.91 kA)和C相電流(2.86 kA)基本相等，B相電流(2.25 kA)相對較小。相比之下，線路末端故障后穩(wěn)態(tài)期間A相電流最大約為3.35 kA，而B相和C相電流基本相等，分別為1.88 kA和2.17 kA，該情況下線路OA末端故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制回路中電流限幅環(huán)節(jié)作用。

因此，故障下DFIG輸出短路電流變化特性與故障距離緊密相關(guān)。這意味著DFIG故障等效電路中正、負(fù)序參數(shù)會受故障位置影響，但同步發(fā)電機(jī)故障等效電路中正、負(fù)序參數(shù)與電網(wǎng)故障情況關(guān)聯(lián)性很小。

3)不同故障類型

假定線路CD末端分別發(fā)生AB相接地和AB相間短路故障，故障前后風(fēng)速均為12 m/s。其中，AB相間短路故障下DFIG機(jī)端正序電壓幅值從1.02 (pu)跌落至0.69 (pu)，負(fù)序電壓從0 (pu)增至0.35 (pu)。而AB接地短路故障下，機(jī)端電壓正序分量從1.02 (pu)跌落至0.78 (pu)，負(fù)序分量從0 (pu)增至0.26 (pu)。圖7為不同故障類型下發(fā)電機(jī)輸出短路電流變化曲線。其中，單相接地故障下發(fā)電機(jī)短路電流變化規(guī)律已在上文中分析，這里不再贅述。

圖7　不同故障類型下發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及短路電流變化曲線Fig.7　Terminal voltage and fault current of the DFIG under different fault type

對比分析圖7中不同故障類型下發(fā)電機(jī)短路電流曲線，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)提供的故障相電流均大于非故障相電流，即A相和B相電流大于C相電流。其中，AB相接地短路故障下發(fā)電機(jī)提供的B相電流最大，約為3.0 kA(1.69倍額定電流)，而AB相間短路故障下發(fā)電機(jī)提供的B相電流為3.3 kA，約1.86倍額定電流。

另外，如圖7d所示，兩相相間故障下，由于發(fā)電機(jī)機(jī)端負(fù)序電壓幅值較大，所以其輸出負(fù)序電流相對較大。同時(shí)，因轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制回路中電流限幅環(huán)節(jié)作用，故障期間發(fā)電機(jī)輸出正序電流相對較小，其受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動影響較小。相比之下，兩相接地故障下，發(fā)電機(jī)輸出電流正序分量受轉(zhuǎn)速波動影響較大，隨時(shí)間逐漸減小。

因此，盡管不同故障類型下DFIG饋出三相短路電流變化規(guī)律與常規(guī)同步電機(jī)有些類似，即故障相電流較大，但與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)不同，不對稱故障下DFIG會同時(shí)輸出正、負(fù)序電流，且DFIG輸出正、負(fù)電流變化規(guī)律會受故障類型影響。這意味著電網(wǎng)保護(hù)整定計(jì)算中利用常規(guī)同步發(fā)電機(jī)不對稱故障分析模型等效計(jì)算DFIG是不合理的。

4　結(jié)論

本文以DFIG為研究對象，在分析電網(wǎng)不對稱故障對其自身安全和運(yùn)行控制影響的基礎(chǔ)上，以風(fēng)電故障穿越要求為約束條件，揭示了DFIG饋出短路電流特性與其故障穿越控制之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，進(jìn)一步從理論上推導(dǎo)了不依賴轉(zhuǎn)子變換器控制策略的DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算公式，該故障電流的變化特性如下：

1) 區(qū)別于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)，具有不對稱故障穿越能力的DFIG能同時(shí)輸出正、負(fù)序電流，且DFIG提供短路電流的變化規(guī)律會受電網(wǎng)故障條件影響。因此，采用同步發(fā)電機(jī)不對稱故障計(jì)算模型等效DFIG是不可行的。

2) 具有不對稱故障穿越能力的DFIG所提供穩(wěn)態(tài)短路電流幅值主要由故障期間轉(zhuǎn)子變換器控制目標(biāo)(即實(shí)際無功功率Qs0和電磁轉(zhuǎn)矩Te0)、變換器最大允許電流、機(jī)端正序和負(fù)序電壓(與所接電網(wǎng)參數(shù)及故障情況有關(guān))決定。

3) 若電網(wǎng)故障情況已知，DFIG穩(wěn)態(tài)短路電流幅值與實(shí)際無功功率Qs0和電磁轉(zhuǎn)矩Te0呈正比例關(guān)系，其最大值受轉(zhuǎn)子側(cè)變換器最大允許電流限制。

以上結(jié)論能夠?yàn)楹珼FIG電網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)適應(yīng)性分析及保護(hù)整定值計(jì)算提供理論支撐。

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Analysis and Calculation for Short-Circuit Current Characteristics for Doubly-Fed Induction Generators with Asymmetrical Fault-Ride-Through Capability

Liu SumeiBi TianshuXue AnchengYang Qixun

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China)

With the increasing penetration of wind power generators (WPGs) in the world-side electrical grid，the fault current characteristics of the grid are greatly altered by the large-scale WPGs.The traditional relay protection strategies are consequently challenged.However，the existing studies on the fault current characteristics of the doubly fed induction generators (DFIG) depend on the specified converter’s control and protection schemes.These results are variable，which are lack of universality from the perspective of the demand of the relay protection.Also，the studies are not on the fault current under asymmetrical grid faults.In this paper，the impact of the asymmetrical grid faults on the DFIGs’ safety and their employed converter’ control is firstly analyzed.Based on the fault-side through requirement of the newly issued grid code，the relationship between the converter’s fault-side through control and DFIG’s fault current characteristics is revealed during the entire asymmetrical fault periods.Further，the formula of the steady asymmetrical fault current for the DFIGs is derived，which is independent of the converter’s control strategy.Moreover，under different asymmetrical fault conditions，the fault current characteristics of the DFIGs are also systematically studied.The results can be used for assessing and improving the protection schemes of the grid with lots of DFIGs.

Doubly fed induction generators，short-circuit current calculation，asymmetrical fault ride-through control，wind power，fault analysis

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB215206)和“111”計(jì)劃(B08013)資助項(xiàng)目。

2015-06-23改稿日期2015-10-08

TM315

劉素梅女，1982年生，博士，研究方向?yàn)樾履茉措娫纯刂婆c所接電網(wǎng)繼電保護(hù)。

E-mail：s.m.liu@163.com(通信作者)

畢天姝女，1973年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制、廣域同步相量測量技術(shù)及應(yīng)用等。

E-mail：tsbi@ncepu.edu.cn