翟學，曲名新，齊清

(1.湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040；2.國網北京市電力公司，北京 100031)

清潔能源是當前以及未來的發(fā)展趨勢，而風電在清潔能源中占有重要的地位。隨著風電的發(fā)展，風電在產生清潔電能的同時也給電網帶來了一定的影響。在“十三五”之前，風電場大多以單體大容量接入電網，其接入電壓通常為110 kV或220 kV。近年來,由于國家政策和風電行業(yè)發(fā)展方向的調整，越來越多的小型風電，如分散式風電接入配電網[1-2]，使單電源輻射型配電網變?yōu)槎嚯娫淳W絡[3]，增加了配電網的復雜性。雙饋異步風力發(fā)電機(doubly fed induction generator，DFIG)的運行需要變流器，而變流器的控制方式對DFIG的短路電流特性有著直接的影響[4-6]，因此含風電場的配電網故障計算及其定位方案變得較為復雜。

對于DFIG短路電流特性的研究文獻較多，部分研究考慮故障時的變流器閉鎖，從而將DFIG等效為異步電動機，借助異步電動機的計算模型進行分析，并得出了發(fā)生三相短路時DFIG的短路電流計算公式[7]。但是目前風電場均要求具備一定的低電壓穿越能力，在電網故障時還需要風電場提供一定的無功功率來支撐電網電壓，因此變流器可能不再閉鎖。文獻[8]研究了在電網故障不嚴重且變流器未閉鎖時DFIG的短路電流計算方法，文獻[9]在研究中將DFIG等效為電勢源和阻抗的串聯等值電路，但是上述都是假設故障前后轉子電流保持不變，且沒有考慮DFIG的低電壓穿越控制策略，導致計算值和仿真值存在較大誤差；另一方面，當電網發(fā)生不對稱故障時，會導致DFIG產生不均衡發(fā)熱，轉矩產生脈動[10]。為了解決該問題，文獻[11]提出了消除交流側的負序電流的策略，這樣使得DFIG的短路電流特性更加復雜。

目前，國內外對于含分布式電源的配電網故障定位研究已取得一些成果。文獻[12-15]對已有的算法進行了一定的改進，使得改進的配電網故障定位算法能夠適應分布式電源的接入，但是以上研究都是以同步發(fā)電機為分布式電源模型，且沒有考慮分布式電源的控制策略帶來的影響。文獻[16]在研究中考慮了光伏電站的短路電流特性，沒有對其他類型分布式電源進行分析，且其定位精度不高。

為了DFIG的穩(wěn)定并網，其控制策略更加完善，抑制負序電流的控制策略成為其中不可缺少的關鍵控制技術[11]，而對考慮該控制策略計算DFIG的短路電流的研究較少。同時，根據電力系統(tǒng)故障的分析與計算原理，電網中節(jié)點的故障電壓是關于短路電流的數學函數，在含風電的配電網故障定位的現有研究中未充分考慮其影響。

本文在考慮抑制DFIG負序電流策略的基礎上，對DFIG的短路電流特性進行分析。假定配電網中某節(jié)點故障，對含風電接入的配電網進行故障計算分析，通過比較節(jié)點的電壓計算值和監(jiān)測值，搜索使得相關節(jié)點誤差值最小的假定故障節(jié)點，再將故障定位于一定范圍內。

1 考慮抑制負序電流策略的DFIG短路電流特性分析

如圖1所示，DFIG的定子繞組和轉子繞組分別與電網相連，電網通過變流器向DFIG提供勵磁電流，實現風電機組的變速恒頻運行。

ir—轉子電流；is、ig—分別為風電機組定子和電網側變流器提供的短路電流；us、ug—分別為定子側電壓和電網側變流器電壓；uDFIG—機端電壓。

圖1 DFIG的結構
Fig.1 DFIG structure

當變流器正常運行時，由其結構可知DFIG輸出的短路電流

if=-is-ig.

(1)

1.1 抑制定子負序電流控制

當電網發(fā)生不對稱故障時，DFIG定子中會產生負序電流，導致DFIG定子的三相繞組發(fā)熱不均，進而轉矩可能發(fā)生脈動。為了應對上述影響，轉子側變流器采用抑制定子負序電流的控制措施，即令

(2)

根據現有風電并網規(guī)范[17]的要求，風電場在電網故障期間要求具備一定的低電壓穿越控制能力，向電網提供無功功率以支撐電網電壓，具體方法是調整轉子勵磁電流。風電機組注入電網的無功電流

IC≥1.5(0.9-UC)IN, (0.2≤UC≤0.9).

(3)

式中：UC為風電場并網點電壓標幺值；IN為風電機組的額定電流。

根據低電壓穿越控制策略，得到正轉坐標系下轉子電流q軸分量參考值

(4)

(5)

因此，可以得到DFIG定子電流的等值模型如式(6)所示，即

(6)

1.2 抑制網側變流器負序電流

網側變流器也采用抑制負序電流的控制策略，即

(7)

電網不對稱故障條件下，電網側交流電流的等值模型為

(8)

(9)

式(9)為不對稱短路故障的計算公式，同樣適用于三相對稱故障的計算。

因此，在含DFIG的配電網短路電流計算中，要根據低電壓穿越控制策略以及抑制負序電流控制策略來進行處理，為下文的含DFIG配電網故障定位奠定基礎。

2 基于DFIG短路電流計算的故障定位

本文對含DFIG的配電網故障定位進行分析。當配電網中發(fā)生短路故障，可以假定是配電網中的任一節(jié)點發(fā)生故障，計算出相關節(jié)點的電壓相量，與系統(tǒng)監(jiān)測到的電壓相量進行比較；通過多次假定計算能夠得到某一假定點的計算結果與系統(tǒng)監(jiān)測到的電壓量最為吻合，即認為該點是離故障點最近的節(jié)點，通過同樣的方法可以進一步得到故障點的準確定位。

在實際的配電網故障計算中，假定故障節(jié)點后，還需要知道故障的類型。有兩種做法，第一是假定所有的故障類型，即找出使得各節(jié)點電壓計算值與監(jiān)測值誤差最小的故障類型即為真實故障類型，該方法計算時間過長。因此，可以采用第二種方案，即先根據故障特征分析出故障的類型，本文采取基于小波神經網絡故障識別方法來判斷故障類型[19]，然后再通過假定計算的方法來定位故障點。

根據上述定位策略，將裝有質量監(jiān)測儀的節(jié)點處的監(jiān)測電壓與計算電壓差的平方和作為誤差計算函數。

(10)

然后將所有節(jié)點都作為假定的故障點，對每一節(jié)點都進行故障計算得到一個誤差函數ΔU，最后得到故障定位函數

min(ΔUi)=min(min(ΔU(Rf))i),
i=1,2,…,m.

(11)

式中：i為當前假定的節(jié)點；m為節(jié)點總數。

經過上述計算，可以得到故障的類型、離故障點最近的節(jié)點以及故障的過渡電阻，此時根據2個節(jié)點間的距離以及定位的精度要求，可將地點鎖定在更小的范圍內。

若已經將故障地點定位于相距L的兩節(jié)點之間，要求進一步將故障地點定位在長度為l內，此時搜索故障地點的方法同上文中搜索最鄰近節(jié)點相同，只是此時的節(jié)點數為(L/l)+1，相鄰節(jié)點之間的距離為l。

3 仿真驗證

為了驗證上文所述含DFIG的配電網故障定位方法的正確性，在軟件平臺EMTDC中建立了IEEE 34節(jié)點系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行適當變化。如圖2所示，在節(jié)點814上接入DFIG機組，機組容量為1.5 MW，出口額定電壓為0.69 kV，定子電阻標幺值Rs=0.01，轉子電阻標幺值Rr=0.01 ，定子電感標幺值Lls=0.1 ，轉子電感標幺值Llr=0.1，定轉子互感標幺值Lm=3.5。DFIG采用抑制DFIG負序電流策略。

圖2 算例配電網結構Fig.2 Structure of distribution network of test example

圖2中的節(jié)點808、816、834、836和854裝設電能質量檢測儀，用以監(jiān)測相應節(jié)點的電壓信息。在具體的驗證過程中，將仿真與本文方法以及文獻[5](不考慮低電壓穿越和抑制負序電流策略)中的方法結果進行對比。

3.1 短路電流計算驗證

分別在圖2的節(jié)點824和826線路中點f1處設置三相短路故障、在節(jié)點830(f2)處設置單相接地故障。在軟件平臺EMTDC仿真模型可以得到節(jié)點816處的短路電流，同時分別結合本文DFIG短路電流計算方法和文獻[5]的方法在MATLAB中進行編程計算816處的短路電流，結果見表1。

表1 f1故障時的短路電流比較結果Tab.1 Comparative results of short circuit current in fault f1

表2 f2故障時的短路電流比較結果Tab.2 Comparative results of short circuit current in fault f2

從表1和表2可以看出，通過仿真得到的節(jié)點816處的電流和本文方法計算電流幅值和相位十分接近，而文獻方法與前兩者方法結果相差很大。說明在考慮含DFIG的配電網故障特性時，必須考慮DFIG的控制策略，同時也說明了本文短路電流計算方法的可行性。

3.2 接入DFIG的配電網故障定位分析

分別對2種故障情況進行仿真與計算, 在EMTDC中進行如下設置：

方案A，在節(jié)點830處f2設置三相短路故障，Rf=2，要求將故障定位于2個節(jié)點之間。

方案B，在節(jié)點852和節(jié)點854之間，距離854節(jié)點4.5 km的f3點設置BC兩相短路故障，Rf=5，要求將故障定位于1 km以內。利用本文方法分別搜索離故障點最鄰近的節(jié)點，在MATLAB中進行編程，得到表3的結果。

表3 方案A的故障定位結果Tab.3 Fault location results of scheme A

表 4 方案B的故障定位結果Tab.4 Fault location results of scheme B

從表3和表4中看出，當f2點發(fā)生故障時，通過本文定位算法得到離故障點最近的節(jié)點是830，第二近的節(jié)點是854，說明故障點位于節(jié)點830和854之間且靠近節(jié)點830的地方；當f3點發(fā)生故障時，通過本文定位算法得到離故障點最近的節(jié)點是854，第二近的節(jié)點是852，說明故障點位于節(jié)點854和852之間靠近節(jié)點854的地方，上述計算結果與仿真設置基本吻合；另一方面，采用基于文獻[5]中的DFIG短路電流計算方法的故障定位結果與仿真設置相差較遠，說明DFIG短路電流計算的誤差使得最終定位的誤差也較大。

根據方案B的要求，要求將故障定位于1 km以內。上文中已經將故障鎖定為節(jié)點854和852之間靠近節(jié)點854的地方，進行進一步的定位。

根據前文所述，節(jié)點854和852之間的距離L為11.2 km，此時新的節(jié)點數應為12個，節(jié)點間距l(xiāng)=1 km。在上文中得到的結果顯示，故障地點更靠近于節(jié)點854，因此，為了簡化計算，確定有效節(jié)點數為7個，分別是節(jié)點854和線路854-852上與節(jié)點854相距1 km、2 km、3 km、4 km、5 km、6 km的節(jié)點。

與第3節(jié)基于搜索使計算結果和仿真結果最接近的節(jié)點的方法一樣，對新的7個節(jié)點進行進一步的搜索，得到的使得min(ΔUi)最小的2個節(jié)點為線路854-852上與節(jié)點854相距4 km和相距5 km的節(jié)點，即確定故障位于線路854-852上與節(jié)點854相距4 km和5 km 兩點之間，至此，故障被定位于1 km的范圍內。顯然，若需要將故障定位于更小范圍內，在理論上只需進一步選擇新的節(jié)點，可以將故障鎖定于所需的范圍。

4 結束語

本文在計及抑制DFIG負序電流和低電壓穿越控制策略的基礎上詳細分析了DFIG的短路電流特性，以此為基礎，通過假定計算，得到使得被監(jiān)測節(jié)點電壓的計算值與監(jiān)測值最為吻合的故障點，并通過進一步的計算將故障定位于所需的范圍內，對于含DFIG的配電網故障定位有一定的借鑒意義，仿真算例驗證了本文方法的可行性。