定子匝間短路故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高壓穿越性能研究

胡蘭青， 孫麗玲

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

定子匝間短路故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高壓穿越性能研究

胡蘭青， 孫麗玲

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

為了研究定子繞組匝間短路(SWITSC)故障對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高壓穿越的影響，基于多回路理論建立了計(jì)及定子繞組匝間短路故障的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)仿真模型，并在MATLAB/Simulink下建立了其S-函數(shù)。依據(jù)短路故障回路特性，分別在SWITSC前后建立了DFIG風(fēng)電機(jī)組的ABC坐標(biāo)系統(tǒng)和dq0坐標(biāo)系統(tǒng)下的數(shù)學(xué)模型，并簡(jiǎn)要分析了SWITSC故障下的電磁特性。對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的高壓穿越能力做出分析，分析了風(fēng)電場(chǎng)電壓升高的原因、高壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)及雙饋風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓驟升下的暫態(tài)過(guò)程。重點(diǎn)研究了DFIG在SWITSC故障前后高壓穿越的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，定子繞組匝間短路故障會(huì)嚴(yán)重降低風(fēng)電場(chǎng)的高壓穿越的能力。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī); 定子繞組匝間短路; 高壓穿越; 仿真

0 引 言

目前，能源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為威脅人類自身生存和發(fā)展的兩大問(wèn)題。風(fēng)能作為清潔可再生能源，近年來(lái)隨著風(fēng)電裝機(jī)并網(wǎng)容量的增大，拓展了其應(yīng)用前景。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為主力機(jī)型，使得雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)機(jī)組的仿真、建模、穩(wěn)定性及故障分析已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。隨著雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響逐漸加強(qiáng)，加上運(yùn)行環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生故障，修復(fù)難度較大，故研究電機(jī)的早期故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性有重要作用，同時(shí)也為故障風(fēng)機(jī)的高低壓穿越提供了理論支持[1]。資料顯示，定子繞組匝間短路(Stator Winding Inter-Turn Short Circuit, SWITSC)故障是破壞性極強(qiáng)的發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障，可達(dá)電機(jī)總故障的30%以上[2-5]，若不加治理將會(huì)發(fā)展成嚴(yán)重的相間短路和單相接地故障等。因此研究SWITSC故障迫在眉睫。文獻(xiàn)[6]基于多回路理論引入EEMD-HHT方法排除了傳統(tǒng)HHT方法中因電壓不平衡、變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等因素造成的定子繞組匝間短路檢測(cè)的干擾，優(yōu)化了檢測(cè)方法；文獻(xiàn)[7]選取了適當(dāng)?shù)呢?fù)載電流檢測(cè)閾值檢測(cè)定子繞組的匝間短路故障并通過(guò)了仿真驗(yàn)證。此外，為保障大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)能夠長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，必須保證雙饋風(fēng)機(jī)有較高的電網(wǎng)故障穿越能力。低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)研究技術(shù)比較成熟，由低壓穿越失敗衍生出的高電壓穿越(High Voltage Ride Through, HVRT)或由于電網(wǎng)故障帶來(lái)的高壓穿越能力不足，會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組的繼電保護(hù)動(dòng)作而脫網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行同樣造成很大危害，因而研究定子故障的雙饋風(fēng)機(jī)的HVRT能力具有實(shí)際意義[8-12]。文獻(xiàn)[13]著重分析了風(fēng)機(jī)HVRT的運(yùn)行特性。

本文在建立SWITSC故障并計(jì)及風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)、換流器及其相關(guān)控制的DFIG風(fēng)電機(jī)組整體數(shù)學(xué)模型下，重點(diǎn)研究和分析了DFIG在SWITSC故障前后HVRT的暫態(tài)性能，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了SWITSC故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組的HVRT危害極大，為故障風(fēng)機(jī)高壓病態(tài)運(yùn)行性能的研究提供理論指導(dǎo)意義。

1 DFIG風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)電機(jī)處于理想電機(jī)運(yùn)行條件[14]，在MATLAB/Simulink 2014a自帶風(fēng)機(jī)仿真模型基礎(chǔ)上，基于多回路理論建立了定子繞組匝間短路的DFIG的S-函數(shù)。通過(guò)仿真例子程序驗(yàn)證了該S-函數(shù)的正確性。根據(jù)SWITSC故障前后的物理模型建立了正常電機(jī)與故障電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

1. 1 正常電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組并非一直完全對(duì)稱，繞組不對(duì)稱情況發(fā)生后產(chǎn)生很強(qiáng)的空間諧波磁場(chǎng)，傳統(tǒng)的對(duì)稱分量無(wú)法應(yīng)用，而多回路分析法可全面計(jì)及氣隙磁場(chǎng)的空間諧波，并把繞組的具體分布及聯(lián)結(jié)方式考慮在內(nèi)，在單個(gè)線圈電感計(jì)算的基礎(chǔ)上采用疊加原理計(jì)算回路參數(shù)，可更為準(zhǔn)確描述定、轉(zhuǎn)子繞組的分布情況。圖1為DFIG的物理模型列寫(xiě)正常電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其中定、轉(zhuǎn)子回路均采用電動(dòng)機(jī)慣例，即定、轉(zhuǎn)子的正值電流均產(chǎn)生正值磁鏈。

圖1 DFIG正常情況下的物理模型

1. 1. 1 三相ABC靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

(1) 電壓方程。

U=RI+pψ

(1)

式中:usA、usB、usC——定子A、B、C三相繞組電壓；

ura、urb、urc——轉(zhuǎn)子a、b、c三相繞組電壓(歸算值)；

isA、isB、isC——定子A、B、C三相繞組電流；

ira、irb、irc——轉(zhuǎn)子a、b、c三相繞組電流(歸算值)；

R——定轉(zhuǎn)子三相繞組電阻的六階矩陣，不再列出，其中rs、rr為定、轉(zhuǎn)子一相繞組電阻；

p——極算子。

(2) 磁鏈方程。

ψ=MI

(2)

(3)

式中： M——定、轉(zhuǎn)子的電感矩陣； Lss、Lrr——分別表示定子間、轉(zhuǎn)子間的互感矩陣;

Msr、Mrs——分別表示定子匝鏈到轉(zhuǎn)子間的互感矩陣及轉(zhuǎn)子匝鏈到定子側(cè)的互感矩陣。

其中各個(gè)電感參數(shù)分別為：Lik(i,k=A,B,C,a，b，c，i=k)為定轉(zhuǎn)子三相繞組自感系數(shù)，Mik(i,k=A,B,C,i≠k)為定子A、B、C三相繞組間互感系數(shù)；Mik(i,k=a,b,c,i≠k)為轉(zhuǎn)子a、b、c三相繞組間互感系數(shù)(歸算值)；Mik(i=A,B,C,k=a,b,c)定、轉(zhuǎn)子三相繞組間互感系數(shù)(歸算值)。

(3) 電磁轉(zhuǎn)矩方程。

(4)

根據(jù)能量守恒定律推出電磁轉(zhuǎn)矩方程，即在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為電流恒定時(shí)磁場(chǎng)的儲(chǔ)能對(duì)轉(zhuǎn)子的空間機(jī)械弧度θr的偏導(dǎo)數(shù)。

(4) 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。

(5)

式中:J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te——電磁轉(zhuǎn)矩；Tm——機(jī)械轉(zhuǎn)矩；F——轉(zhuǎn)子黏性摩擦因數(shù)。

1. 1. 2 兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

由三相ABC靜止坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換過(guò)程及各參數(shù)具體計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[15],這里不再贅述。

1. 2 SWITSC故障電機(jī)下的數(shù)學(xué)模型

啟用MATLAB/Simulink下的S-函數(shù)，使DFIG工作在SWITSC故障狀態(tài)下，研究其等效的物理模型及數(shù)學(xué)模型。

1. 2. 1 三相ABC靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

定子繞組匝間短路故障是DFIG比較嚴(yán)重的內(nèi)部故障，發(fā)生故障的原因大多是雷擊、變槳距控制以及變流器電力電子器件高速開(kāi)關(guān)所導(dǎo)致的過(guò)電壓。定子繞組的第一個(gè)線圈是該過(guò)電壓的主要承擔(dān)者，所以SWITSC經(jīng)常發(fā)生在定子繞組的第一個(gè)線圈上。假定定子A相繞組發(fā)生短路故障，如圖2所示。

圖2 SWITSC故障示意圖

在SWITST故障下，短路匝線圈作為一個(gè)新的回路而增加了一個(gè)新的電流回路。回路方程為

(6)

此時(shí)的定子A相回路電壓方程變?yōu)?/p>

(7)

式中：ψg——短路回路磁鏈；rsg——定子A相繞組匝間短路部分的電阻；

Rg——接入短路回路的滑動(dòng)變阻器的電阻設(shè)定值。

電壓方程

UF=RFIF+pψF

(8)

磁鏈方程

ψF=MFIF

(9)

電磁轉(zhuǎn)矩方程

(10)

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程

(11)

電壓、磁鏈各增加了一階故障相短路回路，由式(7)和式(8)具體展開(kāi)矩陣方程為

短路故障后的電感參數(shù)發(fā)生變化，電感矩陣中與增加的g回路相關(guān)的電感參數(shù)需根據(jù)多回路模型電感參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，矩陣中各電感參數(shù)計(jì)算如下：

(12)

式中:Lgg——匝間短路回路自感系數(shù)；μ——短路匝數(shù)比，且短路匝數(shù)比值越大，短路電流越大；

MgA=MAg——定子A相繞組匝間短路故障后定子A相繞組(不包括匝間短路部分)與匝間短路回路間互感系數(shù)；

MBg、MCg——定子B、C相繞組與匝間短路回路間互感系數(shù)；

Mag、Mbg、Mcg——轉(zhuǎn)子a、b、c三相繞組與匝間短路回路間互感系數(shù);

Lm——激磁電感；

Lsl、Lrl——定轉(zhuǎn)子一相繞組漏感。

在三相靜止坐標(biāo)系中，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得定、轉(zhuǎn)子之間的互感為定、轉(zhuǎn)子間位置角的余弦函數(shù)，電機(jī)運(yùn)行特性的描述也是一組非線性、時(shí)變系數(shù)的微分方程組。但是，這對(duì)求解和分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)很大困難，因而，要從簡(jiǎn)化磁鏈關(guān)系入手借助坐標(biāo)變換技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化DFIG數(shù)學(xué)模型。

1. 2. 2 兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

坐標(biāo)變換作為一種線性變換，其實(shí)質(zhì)是物理量的變換。一般先由三相靜止坐標(biāo)系向兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，再向dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]，不再贅述。由式(7)～式(8)經(jīng)坐標(biāo)變換得在dq坐標(biāo)系下方程：

(13)

將各個(gè)電阻、電感參數(shù)代入式(11)，推導(dǎo)后可得

(14)

其中:

(15)

C3s/dq——三相坐標(biāo)系到dq坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣；

C3s/dq-1——逆矩陣。

C3s/dq-1具體為

其逆矩陣為

式中:γ——轉(zhuǎn)子a相繞組軸線領(lǐng)先于定子A相繞組軸線的空間電弧度，AF、BF矩陣較大，可通過(guò)式(13)與上述坐標(biāo)變換矩陣推出，此處不再列寫(xiě)。

同樣的方法，由式(9)可推出電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(16)

代入具體矩陣方程，計(jì)算可得其電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(17)

1. 3 DFIG在SWITSC故障的電磁特性分析

由圖2可得，DFIG在A相定子繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)，A相繞組等效匝數(shù)減少，三相繞組不再對(duì)稱，三相電流大小與相位角也發(fā)生變化，使得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。根據(jù)以下的異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩物理表達(dá)式加以說(shuō)明。

(18)

式中：δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度；μ0——真空磁導(dǎo)率；D——定子鐵心內(nèi)經(jīng)；L——定子鐵心長(zhǎng)度；p——極對(duì)數(shù)；F1、F2——定、轉(zhuǎn)子側(cè)磁動(dòng)勢(shì)；θ12——其空間夾角。

在電機(jī)本身固有參數(shù)不變的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩是定轉(zhuǎn)子側(cè)磁動(dòng)勢(shì)的函數(shù)。當(dāng)兩磁動(dòng)勢(shì)的大小和相位不變時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩不會(huì)變化；當(dāng)發(fā)生SWITSC時(shí)，繞組的變化引起各相電流的變化，又因?yàn)榇艅?dòng)勢(shì)與電流成正比，故而使得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。這增加了DFIG高壓穿越的阻力。短路相由于繞組有效匝數(shù)減少，阻抗減少，使該相的電流增大，還會(huì)使各相電流諧波含量明顯增加。其中定子A相繞組短路故障前后諧波含量如圖3(b)所示，各次諧波含量大幅上升，使諧波總畸變率達(dá)到59.48%。此外，匝間短路支路電流迅速增大，這是因?yàn)樵验g短路電流大小由短路線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻抗所決定，短路故障下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大而阻抗小，從而使得短路支路電流很大，引起電能損耗，使局部溫度升高，甚至?xí)?lái)更大的災(zāi)難性事故。DFIG在SWITSC故障下進(jìn)行HVRT的“病態(tài)”運(yùn)行，將會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)自身安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)大電網(wǎng)造成諧波污染，降低電能質(zhì)量。

圖3 SWITSC故障風(fēng)機(jī)定子A相電流諧波含量

2 DFIG HVRT能力分析

DFIG如果不具備HVRT能力將會(huì)使大型風(fēng)電機(jī)組因?yàn)檫^(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作而脫網(wǎng)，造成風(fēng)能資源的大幅度浪費(fèi)，引起電網(wǎng)供電可靠性能的降低，文獻(xiàn)[17]對(duì)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故進(jìn)行了詳細(xì)的分析，表明了DFIG具備高壓穿越能力的必要性。

2. 1 風(fēng)電場(chǎng)電壓升高原因

(1) 風(fēng)電場(chǎng)自身引起的電壓升高。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，因風(fēng)電場(chǎng)HVRT能力不足導(dǎo)致風(fēng)機(jī)相繼脫網(wǎng)，使得風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)功功率過(guò)高，即便低壓引起的脫網(wǎng)過(guò)程結(jié)束，風(fēng)機(jī)由于不具備HVRT能力而引起更大范圍的脫網(wǎng)，因而說(shuō)風(fēng)機(jī)的高低壓穿越是彼此關(guān)聯(lián)的。除此之外，在電網(wǎng)正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)也可能由于無(wú)功電壓調(diào)整能力不足、電容器投切不當(dāng)而引起電壓驟升。

(2) 接入電網(wǎng)引起的電壓升高。電網(wǎng)正常運(yùn)行下，負(fù)載的突然變化會(huì)引起風(fēng)電場(chǎng)電壓的升高。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)非故障相電壓升高至線電壓；當(dāng)發(fā)生兩相接地故障時(shí)非故障相電壓可升高至其額定值的1.5倍?？梢?jiàn)，風(fēng)電場(chǎng)電壓驟升現(xiàn)象普遍存在，研究雙饋風(fēng)機(jī)的HVRT性能對(duì)整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

2. 2 HVRT標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述分析，為增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)及其對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行功能，風(fēng)機(jī)在具備HVRT能力的同時(shí)也必須具備HVRT能力。目前，由于國(guó)內(nèi)的HVRT技術(shù)研究還不太成熟，對(duì)HVRT的標(biāo)準(zhǔn)未作出具體要求，但對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的電壓范圍有所規(guī)定： 當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱電壓的90%～110%時(shí)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能正常工作；當(dāng)高于110%時(shí)則由機(jī)組運(yùn)行性能而定。各國(guó)對(duì)風(fēng)機(jī)HVRT的要求標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。圖4為澳洲HVRT標(biāo)準(zhǔn)： 電壓達(dá)1.3p.u.時(shí)機(jī)組應(yīng)在60ms內(nèi)不脫網(wǎng)，開(kāi)始降落至1.1p.u.的過(guò)程中能持續(xù)1s不脫網(wǎng)。其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)不再一一介紹。

圖4 澳洲高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

2. 3 電網(wǎng)電壓升高下DFIG暫態(tài)過(guò)程分析

(1) 定子磁鏈暫態(tài)分析。DFIG在電網(wǎng)電壓上升過(guò)程中基于三相靜止坐標(biāo)系對(duì)定子磁鏈暫態(tài)過(guò)程加以分析。定、轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓磁鏈方程如下：

us=rsis+pψs

(19)

ur=rrir+pψr-jωrψr

(20)

ψs=Lsis+Mir

(21)

ψr=Lrir+Mis

(22)

式中：M——定、轉(zhuǎn)子互感。

為簡(jiǎn)化分析，在式(20)中忽略轉(zhuǎn)子側(cè)電流，即視轉(zhuǎn)子開(kāi)路，由式(18)和式(19)可得

(23)

假設(shè)電網(wǎng)電壓在t=t0時(shí)刻驟升，則風(fēng)機(jī)定子側(cè)電壓相應(yīng)從Us1上升到了Us2，定子側(cè)電壓方程可表示為

(24)

式中：m=(Us2-Us)/Us——定子側(cè)電壓升高幅值。

(25)

由式(24)可知，在電壓上升前，定子磁鏈取決于電網(wǎng)電壓，是一強(qiáng)制分量；在電網(wǎng)電壓上升后，定子磁鏈包含強(qiáng)制分量和直流分量，強(qiáng)制分量與升高后的電網(wǎng)電壓成正比，且以同步角速度旋轉(zhuǎn)，直流分量是用來(lái)在電網(wǎng)電壓上升過(guò)程中維持定子磁鏈連續(xù)的瞬態(tài)分量，其幅值隨時(shí)間逐漸衰減。

(2) 直流母線電壓暫態(tài)分析。風(fēng)電場(chǎng)得以穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要條件就是直流側(cè)母線電壓的恒定。電網(wǎng)電壓的突升將會(huì)引起定子磁鏈瞬態(tài)分量的變化使轉(zhuǎn)子電流瞬間增大，轉(zhuǎn)子電流和電壓的波動(dòng)最終會(huì)引起直流母線電壓的上升，不利于風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。究其根本原因，就是因?yàn)镈FIG風(fēng)電機(jī)組的功率輸入輸出不平衡導(dǎo)致的。直流母線功率消耗方程為

(26)

式中:Udc——直流母線電壓；Pr——轉(zhuǎn)子側(cè)流向直流側(cè)的功率；Pg——網(wǎng)側(cè)流向轉(zhuǎn)子側(cè)的功率。

易知直流母線電壓與轉(zhuǎn)子d軸電壓電流、網(wǎng)側(cè)輸出功率都有關(guān)，電壓上升暫態(tài)過(guò)程中，Pg變化不明顯，轉(zhuǎn)子d軸電壓電流迅速上升，進(jìn)而引起直流母線電壓的躍升。SWITSC故障加劇了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的變化，使得直流母線電壓躍變更加嚴(yán)重。

3 故障DFIG HVRT仿真

本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了一個(gè)包含大電網(wǎng)、線路與DFIG機(jī)組的典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上建立匝間短路故障的S-函數(shù)模塊?；贛ATLAB/Simulink例程進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所建S-函數(shù)模塊的正確性。為了有效驗(yàn)證DFIG機(jī)組在SWITSC故障下對(duì)高壓穿越的影響，分別對(duì)故障前后的仿真結(jié)果做了對(duì)比與分析。本文以額定容量為1.5MVA的DFIG為例，其基本參數(shù)設(shè)置如下： 定子額定電壓575V，定子額定頻率60Hz，短路比μ=0.15，短路回路電阻Rg=0.01Ω，假定風(fēng)機(jī)處于正常風(fēng)速10m/s下，在2s時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組電壓驟升為1.3p.u.，0.5s之后故障切除，待機(jī)組恢復(fù)到故障前狀態(tài)后，在5s時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組電壓再次驟升為1.3p.u.且開(kāi)啟SWITSC故障，設(shè)0.5s之后電壓恢復(fù)且短路故障持續(xù)，仿真時(shí)間為10s。

3. 1 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖5(a)～圖5(k)所示。

圖5 SWITSC故障下DFIG HVRT仿真圖

3. 2 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可知，在電網(wǎng)電壓驟升到1.3p.u.時(shí)，首先影響到定子的電壓和電流，由于定子直接掛接到電網(wǎng)中，因而網(wǎng)側(cè)電壓與電網(wǎng)變化一致，與定子匝間短路故障無(wú)關(guān)，示于圖5(a)。電壓突升使定子電流迅速增大，由圖5(b)可知，正常DFIG下定子電流驟升到1.0p.u.，而SWITSC故障下的機(jī)組定子電流則突升到1.2p.u.，尤其短路A相電流，由于有效匝數(shù)減少，阻抗減小造成該相定子電流增大最明顯，增加了機(jī)組故障穿越的難度。定子側(cè)電壓電流的變化直接導(dǎo)致變流器網(wǎng)側(cè)電流和電壓的突增，使能量全部堆積在直流母線上，造成了直流母線電壓的快速升高，且SWITSC故障在高壓下把Udc抬高到1250V，較正常機(jī)組在高壓下的直流電壓大了許多，示于圖5(d)。若不采取有效措施會(huì)使電流由變流器中的反并聯(lián)二極管通入母線電容，造成網(wǎng)側(cè)變流器失控，給整個(gè)風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)更大的潛在性故障。轉(zhuǎn)子側(cè)電流在高壓故障下也相應(yīng)增大，且SWITCS會(huì)使DFIG高壓穿越后的靜態(tài)穩(wěn)定性變差。圖5(e)表明，匝間短路故障使短路回路電流增大近5p.u.，這是由于短路線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大而阻抗很小引起的。在圖5(f)中，由式(17)可知，電磁轉(zhuǎn)矩受定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的影響，而磁動(dòng)勢(shì)與電流成正比，SWITSC引起的定轉(zhuǎn)子電流變化帶來(lái)電磁轉(zhuǎn)矩的增大，在高壓故障下變化效果更明顯，且在電壓恢復(fù)后仍有很大波動(dòng)，不利于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。高壓穿越過(guò)程增加了定子磁鏈的瞬態(tài)分量，會(huì)迅速增大，SWITSC故障加劇了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，示于圖5(k)。由圖5(h)可知，在高壓故障下，網(wǎng)側(cè)換流器實(shí)施最大無(wú)功電流跟蹤控制，在高壓過(guò)程從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功功率以減弱對(duì)機(jī)組的危害，順利實(shí)現(xiàn)高壓穿越，無(wú)功的變化與匝間短路故障關(guān)系不大。此外，高壓故障下DFIG定子匝間短路同時(shí)會(huì)引起風(fēng)機(jī)輸出有功功率的大幅降低，示于圖5(g)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)定子繞組匝間短路故障，研究DFIG風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力。通過(guò)分析SWITSC過(guò)程的電磁特性和HVRT能力，在仿真平臺(tái)上對(duì)SWITSC故障的DFIG風(fēng)電機(jī)組的HVRT進(jìn)行了仿真，通過(guò)改變短路匝數(shù)比μ及Rg，均可得到相同的結(jié)論，且短路比越大效果越明顯。仿真結(jié)果表明，SWITSC故障對(duì)DFIG風(fēng)電機(jī)組高壓故障下的穿越產(chǎn)生嚴(yán)重破壞作用，使得直流母線電壓、短路支路電流、定子磁鏈等迅猛增加，電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流等的大幅度波動(dòng)，嚴(yán)重降低了DFIG風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力，不利于風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

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High Voltage Ride Through Research of Doubly-Fed Induction Generator System Under Sator Winding Inter-Turn Short Circuit Faulty Condition

HULanqing，SUNLiling

(College of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to study the effect of high voltage ride through (HVRT) of doubly-fed wind power system under sator winding inter-turn short circuit (SWITSC) faulty condition, based on the multi loop theory, a simulation mode of doubly fed induction generator under SWITSC faulty condition was established, the S-function in the MATLAB/Simulink was established. On the basis of fault loop characteristics, mathematical model of DFIG wind turbine on ABC coordinate system anddq0 coordinate system were established under normal and fault condition, and the electromagnetic characteristics was analyzed briefly under SWITSC fault, then the capability of high voltage ride through of DFIG was analyzed, the reason and the transient process of wind farm voltage rise were analyzed. The standard of high voltage ride through was provided. Focused on the simulation results of HVRT of DFIG under SWITSC faulty condition, the explanation was given. The results showed that SWITSC faulty destroyed capability of HVRT of DFIG to a great extent.

doubly-fed induction generator (DFIG)； stator winding inter-turn short circuit (SWITSC)； high voltage ride through (HVRT)； simulation

胡蘭青(1989—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究。 孫麗玲(1972—)，女，副教授，研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

TM 315

A

1673-6540(2017)05- 0108- 08

2016-05-08