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)電機組裝機容量和風(fēng)電場規(guī)模逐漸增大，電網(wǎng)與風(fēng)電機組之間的相互影響日益突出[1,2].雙饋風(fēng)電機組（DFIG）做為風(fēng)電場的主流機型，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，定、轉(zhuǎn)子磁鏈會產(chǎn)生大幅度變化，進而引起定、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)電機組具有LVRT能力，常用的方法是轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)Crowbar保護電路[5].很多文獻對加Crowbar保護電路的DFIG機組的電磁過程和穿越能力進行了研究，但多數(shù)研究針對電網(wǎng)發(fā)生對稱故障過程中或者故障清除后[6?8].與對稱故障相比，電網(wǎng)運行時發(fā)生不對稱故障概率更大[9]，不對稱故障除了引起電網(wǎng)電壓跌落，還會產(chǎn)生負序分量，故障時機組定子磁鏈變化比較復(fù)雜，有必要進行進一步研究.

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

1 雙饋風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型

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

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

同步旋轉(zhuǎn)坐標系中DFIG的電壓和磁鏈方程的矢量形式為

由式（1）、（2）得

2 電網(wǎng)不對稱故障時DFIG定子磁鏈的動態(tài)特性

2.1 DFIG定子磁鏈動態(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)生不對稱故障時，將忽略零序分量的存在，只需要考慮正、負序分量.正、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標系矢量如圖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)坐標系中正、負序分量，不對稱故障時DFIG在正向坐標系中定子磁鏈為

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

式（5）展開得

設(shè)定故障前系統(tǒng)穩(wěn)定運行，DFIG的機端電壓幅值為Us0，定子磁鏈幅值為ψs0=Us0/ω，故障后電壓幅值為Uf，對式（6）的微分方程進行求解得正、反轉(zhuǎn)坐標系下的正、負序定子磁鏈

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

2.2 DFIG定子磁鏈動態(tài)特性的仿真

為研究采用Crowbar電路的DFIG在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時的運行特性，本文以PSCAD/EMTDC為平臺，構(gòu)建了雙饋風(fēng)電機組的并網(wǎng)模型（如圖3所示）.模型中相關(guān)參數(shù)如下：單臺風(fēng)電機組的容量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)電機組并網(wǎng)模型

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

電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障與不對稱故障時DFIG的機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：相比三相對稱故障，發(fā)生不對稱故障時機端電壓和DFIG的定子磁鏈均出現(xiàn)振蕩，這是由于定子磁鏈中包含負序成分，振蕩幅值與故障時機端負序電壓的幅值有關(guān).其原因是Crowbar電路無法抑制負序分量，在發(fā)生不對稱故障時系統(tǒng)中一直存在著負序分量，影響風(fēng)電機組運行.考慮到定子磁鏈的負序成分是故障期間引起雙饋風(fēng)電機組電流不平衡、功率和電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的根本原因[11]，下面將對其定子電流、轉(zhuǎn)子電流、功率和電磁轉(zhuǎn)矩等進行研究.

3 電網(wǎng)不對稱故障時雙饋風(fēng)電機組的運行特性仿真分析

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2 s時發(fā)生A相接地故障，DFIG的運行特性的仿真結(jié)果如圖5所示.

（1）分析單相接地故障時定、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，機組的定、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.同時由于定子磁鏈負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；整個故障過程中由于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被切除，系統(tǒng)無法對有功、無功功率進行控制，不能限制輸出電流的大小，這對風(fēng)電系統(tǒng)的故障選相和相應(yīng)的電流保護產(chǎn)生一定的影響[12].

（2）分析單相接地故障時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保護短接，DFIG以異步發(fā)電機的方式運行，在輸出有功的同時，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，影響電網(wǎng)穩(wěn)定.

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

圖5 單相接地故障時DFIG運行特性

3.2 兩相短路故障

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

圖6 兩相短路故障時DFIG運行特性

3.3 兩相接地故障

F點發(fā)生A、B兩相接地故障時的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DFIG運行仿真結(jié)果

4 結(jié)論

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