曾皓冬，李華強，謝超

（四川大學電氣工程系，四川 成都 610000）

雙饋感應發(fā)電機（doubly-fed induction generator，DFIG）已成為風力發(fā)電機的主流機型，研究DFIG的穩(wěn)定可靠運行勢在必行。一方面，定子繞組匝間短路（stator winding inter-turn short circuit，SWITSC）故障是DFIG常見的絕緣故障，且故障率較高[1-3]。DFIG從SWITSC故障發(fā)生到發(fā)展為相間短路、接地短路故障，會持續(xù)較長的時間，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，研究發(fā)生SWITSC故障的DFIG運行特性具有重要意義；另一方面，DFIG定子繞組與電網直接相連，使其對電壓故障尤為敏感，電網電壓驟降引起定子側過電流，由于定、轉子磁鏈的相互耦合，轉子側也會出現過電壓和過電流現象，損壞變頻器和電機本身。各地電力部門規(guī)定，電壓故障時，DFIG需不間斷供電，且為電網提供相應的無功支持，要求DFIG具備一定的故障穿越能力[4-5]。

目前，電網故障時，常規(guī)的DFIG低電壓穿越問題受到了廣泛關注，但DFIG的HVRT問題研究甚少；且在SWITSC情況下，DFIG機組的HVRT問題鮮有研究。實現DFIG故障穿越方法有：改進控制策略和增加硬件電路。文獻[6-7]提出一種基于定子磁鏈消磁和現代控制理論相結合的改進控制策略，用于抑制電壓故障時的暫態(tài)過電流和過電壓，但由于轉子側變流器（rotor side converter，RSC）容量限制，當電網急劇變化時，無法實現DFIG的故障穿越；文獻[8-10]提出將撬棒保護電路串入轉子側來限制故障期間的過電流和過電壓，但卻忽略了直流母線電壓的鉗位效應。文獻[11]提出一種將撬棒電路與改進控制策略相結合的控制方法，用以保護轉子側變流器。以上文獻只研究了常規(guī)DFIG機組的故障穿越問題，但并未考慮DFIG常見的SWITSC故障，且對發(fā)生SWITSC故障的HVRT控制策略也并未提及。因此，研究發(fā)生SWITSC故障的DFIG暫態(tài)特性和HVRT控制策略具有重要意義。

相比于常規(guī)DFIG機組，SWITSC故障下的三相諧波電流更加不利于故障穿越的實現。本文在分析SWITSC故障下的電磁特性和電壓驟升時的暫態(tài)特性基礎上，提出一種撬棒電路和直流斬波電路相結合的HVRT控制策略。SWITSC故障惡化了電網電壓上升對轉子側電流和直流母線電壓的影響，增加了HVRT難度。轉子撬棒電路和直流側斬波電路顯著提高了SWITSC故障機組的HVRT能力。本文的研究對掌握SWITSC的DFIG的動態(tài)過程具有一定的參考價值，為今后更好、更有效地研究風電機組的故障穿越提供了新的方向。

1 DFIG電磁特性分析

1.1 SWITSC電磁特性分析

SWITSC故障主要發(fā)生在定子繞組的第一個線圈中，假設A相繞組第一個線圈短路，如圖1所示。

圖1 SWITSC故障Fig.1 SWITSC fault

SWITSC故障后，A相有效繞組匝數顯著減少，定子三相繞組不對稱。圖2給出了DFIG工作在額定狀態(tài)（V=15 m/s，ωr=1.2（標幺值）），SWITSC故障在t=2 s時發(fā)生后的DFIG的定子電流isa，isb，isc和短路電流ig波形圖。

圖2 SWITSC故障波形Fig.2 SWITSC fault waveforms

三相繞組不對稱造成三相電流不對稱，進而在磁動勢中產生大量諧波分量，且各磁動勢幅值和相位差變化很大。DFIG的電磁轉矩為

式中：μ0為真空磁導率；D為鐵心內徑；L為鐵心長度；P為極對數；δ為氣隙長度；F1，F2分別為定、轉子磁動勢；θ12為定、轉子間的空間角。

由于磁動勢正比于定子電流，因此，在SWITSC故障后，電磁轉矩急劇上升。

式中：kdv為單匝線圈的節(jié)距因子；α為兩匝線圈間的空間電角度；v為諧波階數。

此時f(θ,t)為

式中：kyv為短轉節(jié)距系數；θ為定子坐標系下機械角；φ為轉子坐標系下機械角；s為轉差率。

因此，將f(θ,t)轉換到轉子坐標系下為

f(φ,t)產生的er為

式中：Erv為轉子側感應電動勢的v次諧波有效值。

轉子側線圈感應的諧波電流分量為

式中：f1為轉子側電流基頻。

1.2 HVRT故障下暫態(tài)特性分析

采用電機慣例的DFIG電壓和磁鏈方程為

式中：Us，Ur分別為定、轉子電壓；Is，Ir分別為定、轉子電流；Ψs，Ψr分別為定、轉子磁鏈；Rs，Rr為定、轉子電阻；Ls，Lr為定、轉子電感；Lm為定轉子間互感；ωr為轉子旋轉角速度。

由于Rs較小，忽略Rs后，Us=dΨs/dt。電網正常時，Us恒定，Ψs勻速旋轉，其運行軌跡為圓形，即Ψs=Ψmejω1tt，Ψm為Ψs的幅值，ω1為旋轉角速度。因此Us和Ψs間的關系為

電壓故障時，為分析HVRT對Ur和Ir的影響，假設轉子開路，即ir=0。由式（6）、式（7）可知定子磁鏈的一階微分方程為

電網電壓驟升后，根據磁鏈守恒原則，Ψs不能突變。電壓上升后，線圈上的感應電流會產生一個反向磁場來抵消磁通變化。因此，定子磁通由兩部分組成：與電壓有關的旋轉分量和暫態(tài)衰減直流分量，即

假設Us和Ψs在故障前后為

由式（12）可知，Ψs0ejω1t正比于電壓幅值；直流分量與dUs/ω1有關，且由電網電壓驟升程度d決定，同步旋轉角決定了直流分量的初始相位。當電壓急劇上時，ΨsDCe-t/τ大大增加，導致Is增大。

為研究HVRT下Ψs對Ur和Ir的影響，根據式（6）、式（7）、式（9）得：

式中：σ為泄漏系數。

HVRT故障時Ur的第一項與Ψs有關，第二項與Ir有關。僅考慮Ψs的影響，Ur為

根據式（8）可知：

根據HVRT前后Ψs的動態(tài)變化，也可以將Ur寫為旋轉分量、直流分量的形式：

電壓上升后，由Ψs引起的Ur為Ur1=Ur0+UrDC。忽略Rs/Ls，Ur簡化為

由以上分析可知，Ur1也分為兩部分。其中，Ur0與轉差率s和(1+d)成正比；UrDC與電壓驟升幅度和（1-s）成正比，較Ur0大得多。當轉子轉速接近同步轉速時，Ur1迅速增大，若超過轉子控制電壓上限值時，RSC將失去控制，導致Ir瞬間增大，直流母線電壓大幅升高。

由DFIG電磁特性分析發(fā)現，SWITSC故障時電流和磁動勢的諧波分量加劇了HVRT時Ir和直流母線電壓Udc的振蕩幅度，不利于HVRT的實現。

2 改進控制方案

撬棒電路由電橋電路（二極管/晶閘管）、控制開關（GTO/IGBT）和旁路電阻組成。本文選用IGBT作為撬棒電路的控制開關。當電壓大幅度上升時，必須采用硬件電路來實現DFIG的HVRT。

2.1 開關控制策略

本文選擇了一種同時檢測Udc和Ir的保護方案。當Ir或Udc超過允許限值時，輸入撬棒電路，其控制原理如圖3所示。當撬棒保護電路輸入后，RSC失去控制，轉子短路，相當于高轉差率的鼠籠式異步電動機，不利于電網電壓恢復。轉子過電流是幾十ms內最嚴重的故障，因此在這段時間內實現快速地開關切換控制對撬棒保護電路至關重要。同時，為加強故障期間對Udc的有效控制，在直流側增加了直流斬波電路，充分考慮了直流電壓的鉗位效應，與撬棒電路一起實現DFIG的HVRT。

圖3 直流卸荷電路Fig.3 DC chopper control circuit

若檢測到轉子過電流或過電壓時，D觸發(fā)器用于控制電網故障后幾ms內投入撬棒電路。RSC閉鎖，旁路電阻吸收多余的能量，使暫態(tài)過電流迅速衰減；當轉子電流衰減到極值以下時，切除撬棒電路，RSC恢復工作，調節(jié)電機勵磁向電網提供有功和無功功率，幫助電網電壓恢復，其中限制電流決定撬棒電路的投切時間，其上限由變換器所能承受的最大電流決定，下限由DFIG提供的無功功率決定。值越小，對轉子側變流器的保護越強，撬棒電路的投入時間越長，但不利于電壓的恢復，反之亦然。當斬波電路檢測到Udc高于其允許限值時，IGBT開關控制直流斬波電路輸入，直流放電電阻消耗直流母線的過電壓。當Udc在允許范圍時，斬波電路自動切除。同樣，電壓變化限值U*決定斬波電路的輸入時間，且該值越大，斬波電路輸入時間越短。

2.2 電阻選擇

撬棒保護電路中的電阻影響著Ur。文獻[12]指出，當電網電壓因系統(tǒng)故障變化時，轉子電壓峰值隨撬棒電阻的增加單調增大，因此需合理選擇其值。當其值過大時，會引起直流母線和開關元件的過電壓，甚至可能擊穿直流電容和電力電子器件。因此，應在變換器電壓允許范圍內盡可能的增大撬棒電阻，以加快故障衰減速度。根據文獻[4，13]可知，定、轉子短路電流的峰值通常出現在短路后的半個周期內，因此，Ir.max的估值為

撬棒電路輸入后轉子最大電壓為

考慮到RSC中電流和GSC中電壓的影響，Ur.max應符合：Ur.max＜Ur.lim。此時撬棒的最大阻值為

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中編制DFIG正常和SWITSC故障下的s函數，建立增加轉子側撬棒電路和直流斬波電路的DFIG系統(tǒng)模型。其中雙饋感應發(fā)電機參數為：額定功率1.5 MW，額定頻率60 Hz，定子額定電壓575 V，直流母線額定電壓1 200 V，定子電阻0.023（標幺值），轉子電阻0.016（標幺值），定子漏感0.18（標幺值），轉子漏感0.16（標幺值），定轉子間的互感為2.9（標幺值），匝間短路比μ=0.15，短路電阻Rg=0.01 Ω，撬棒限流電阻Rcrow=10 Ω，直流斬波電阻Rdc=2 Ω。由于MW級DFIG轉動慣量較大，且電網電壓驟升暫態(tài)過程較短，因此在整個過程中認為DFIG轉速不變。

3.1 HVRT時無保護電路投入

假設電壓在t=1 s時驟升至1.3（標幺值），故障持續(xù)時間為0.1 s，撬棒電路和直流斬波電路未投入下DFIG在正常和SWITSC故障情況下的運行特性如圖4a～圖4f所示?？梢钥闯觯娋W電壓驟升故障前DFIG穩(wěn)定運行，電壓、電流波形良好，DFIG輸出有功功率為1（標幺值），直流母線電壓基本穩(wěn)定在1（標幺值）。電壓上升后，正常和SWITSC故障的DFIG的Udc分別增加到1.3（標幺值）和1.35（標幺值）；正常DFIG的定子電流和轉子電流分別增大到1.9（標幺值）和2.2（標幺值）；SWITSC故障時，有效匝數減小，等效阻抗減小，電網電壓驟升時電流明顯增大，DFIG的定子電流和轉子電流則分別增大到2.3（標幺值）和2.6（標幺值）。此外，故障期間DFIG的有功輸出在正常和SWITSC故障情況下分別降低到0.5（標幺值）和0.28（標幺值），且SWITSC故障的DFIG較正常的DFIG無功支撐能力變弱?？梢姡琒WITSC故障下的三相不平衡電流加劇了電網電壓故障下的暫態(tài)故障分量，惡化了電網電壓驟升對DFIG的影響，增加了HVRT的難度。

圖4 DFIG運行特性Fig.4 DFIG operating characteristics

3.2 HVRT時撬棒和斬波電路投入

電壓在t=1 s時驟升至1.3（標幺值），故障持續(xù)時間為0.1 s，撬棒電路和直流斬波電路投入后發(fā)生SWITSC的DFIG運行情況如圖5a～圖5g所示。

圖5 改進控制策略下DFIG運行特性Fig.5 DFIG operating characteristics under improved control strategy

電壓驟升時，在撬棒電路和直流斬波電路投入后對Is和Ir有一定抑制作用，內部撬棒電阻吸收電機多余的能量，抑制瞬時故障電流的交流分量，并迅速衰減瞬時直流分量，SWITSC故障的DFIG的Is和Ir僅分別增大至1.4（標幺值）和1.3（標幺值）；高電壓穿越過程中，由于功率的不平衡，造成Udc驟升，但在控制電路投入的情況直流母線電壓峰值由1.35（標幺值）降至1.2（標幺值）；此外，由于撬棒保護電路抑制轉子過電流，避免多余的能量流入直流母線，改善了DFIG的功率不平衡現象，DFIG輸出的有功功率隨保護電路的投入有所增加；定子三相不對稱電流的有效抑制也減緩了電磁轉矩的振動幅度；此外，由撬棒電流波形可以看出，撬棒電路的切換時間足夠短，縮小了轉子側變流器的失控時間，有利于電網電壓的恢復。

4 結論

本文對SWITSC故障下的電磁特性和HVRT時的暫態(tài)特性進行了詳細分析，在此基礎上，提出一種撬棒電路和直流斬波電路相結合的HVRT控制策略，得出以下結論：

1）SWITSC故障引起的三相不平衡電流造成Ir突增、Te振蕩幅度增加；

2）轉子諧波電流分量加劇了HVRT期間轉子過電流和直流母線過電壓，SWITSC故障惡化了電壓驟升對DFIG的影響，增加了HVRT難度；

3）轉子側撬棒電路和直流側斬波電路顯著提高了SWITSC故障機組的高電壓穿越能力。

本文的研究對掌握SWITSC的DFIG的動態(tài)過程具有一定的參考價值，為今后更好、更有效地研究風電機組的故障穿越提供了新的方向。