曾皓冬，李華強(qiáng)，謝超

（四川大學(xué)電氣工程系，四川 成都 610000）

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型，研究DFIG的穩(wěn)定可靠運(yùn)行勢(shì)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(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究發(fā)生SWITSC故障的DFIG運(yùn)行特性具有重要意義；另一方面，DFIG定子繞組與電網(wǎng)直接相連，使其對(duì)電壓故障尤為敏感，電網(wǎng)電壓驟降引起定子側(cè)過電流，由于定、轉(zhuǎn)子磁鏈的相互耦合，轉(zhuǎn)子側(cè)也會(huì)出現(xiàn)過電壓和過電流現(xiàn)象，損壞變頻器和電機(jī)本身。各地電力部門規(guī)定，電壓故障時(shí)，DFIG需不間斷供電，且為電網(wǎng)提供相應(yīng)的無(wú)功支持，要求DFIG具備一定的故障穿越能力[4-5]。

目前，電網(wǎng)故障時(shí)，常規(guī)的DFIG低電壓穿越問題受到了廣泛關(guān)注，但DFIG的HVRT問題研究甚少；且在SWITSC情況下，DFIG機(jī)組的HVRT問題鮮有研究。實(shí)現(xiàn)DFIG故障穿越方法有：改進(jìn)控制策略和增加硬件電路。文獻(xiàn)[6-7]提出一種基于定子磁鏈消磁和現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的改進(jìn)控制策略，用于抑制電壓故障時(shí)的暫態(tài)過電流和過電壓，但由于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（rotor side converter，RSC）容量限制，當(dāng)電網(wǎng)急劇變化時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)DFIG的故障穿越；文獻(xiàn)[8-10]提出將撬棒保護(hù)電路串入轉(zhuǎn)子側(cè)來(lái)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(yīng)。文獻(xiàn)[11]提出一種將撬棒電路與改進(jìn)控制策略相結(jié)合的控制方法，用以保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。以上文獻(xiàn)只研究了常規(guī)DFIG機(jī)組的故障穿越問題，但并未考慮DFIG常見的SWITSC故障，且對(duì)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(jī)組，SWITSC故障下的三相諧波電流更加不利于故障穿越的實(shí)現(xiàn)。本文在分析SWITSC故障下的電磁特性和電壓驟升時(shí)的暫態(tài)特性基礎(chǔ)上，提出一種撬棒電路和直流斬波電路相結(jié)合的HVRT控制策略。SWITSC故障惡化了電網(wǎng)電壓上升對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)電流和直流母線電壓的影響，增加了HVRT難度。轉(zhuǎn)子撬棒電路和直流側(cè)斬波電路顯著提高了SWITSC故障機(jī)組的HVRT能力。本文的研究對(duì)掌握SWITSC的DFIG的動(dòng)態(tài)過程具有一定的參考價(jià)值，為今后更好、更有效地研究風(fēng)電機(jī)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(gè)線圈中，假設(shè)A相繞組第一個(gè)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(shù)顯著減少，定子三相繞組不對(duì)稱。圖2給出了DFIG工作在額定狀態(tài)（V=15 m/s，ωr=1.2（標(biāo)幺值）），SWITSC故障在t=2 s時(shí)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(duì)稱造成三相電流不對(duì)稱，進(jìn)而在磁動(dòng)勢(shì)中產(chǎn)生大量諧波分量，且各磁動(dòng)勢(shì)幅值和相位差變化很大。DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；D為鐵心內(nèi)徑；L為鐵心長(zhǎng)度；P為極對(duì)數(shù)；δ為氣隙長(zhǎng)度；F1，F(xiàn)2分別為定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)；θ12為定、轉(zhuǎn)子間的空間角。

由于磁動(dòng)勢(shì)正比于定子電流，因此，在SWITSC故障后，電磁轉(zhuǎn)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(shù)。

此時(shí)f(θ,t)為

式中：kyv為短轉(zhuǎn)節(jié)距系數(shù)；θ為定子坐標(biāo)系下機(jī)械角；φ為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下機(jī)械角；s為轉(zhuǎn)差率。

因此，將f(θ,t)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下為

f(φ,t)產(chǎn)生的er為

式中：Erv為轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的v次諧波有效值。

轉(zhuǎn)子側(cè)線圈感應(yīng)的諧波電流分量為

式中：f1為轉(zhuǎn)子側(cè)電流基頻。

1.2 HVRT故障下暫態(tài)特性分析

采用電機(jī)慣例的DFIG電壓和磁鏈方程為

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

由于Rs較小，忽略Rs后，Us=dΨs/dt。電網(wǎng)正常時(shí)，Us恒定，Ψs勻速旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)行軌跡為圓形，即Ψs=Ψmejω1tt，Ψm為Ψs的幅值，ω1為旋轉(zhuǎn)角速度。因此Us和Ψs間的關(guān)系為

電壓故障時(shí)，為分析HVRT對(duì)Ur和Ir的影響，假設(shè)轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓驟升后，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t，Ψs不能突變。電壓上升后，線圈上的感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向磁場(chǎng)來(lái)抵消磁通變化。因此，定子磁通由兩部分組成：與電壓有關(guān)的旋轉(zhuǎn)分量和暫態(tài)衰減直流分量，即

假設(shè)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(guān)，且由電網(wǎng)電壓驟升程度d決定，同步旋轉(zhuǎn)角決定了直流分量的初始相位。當(dāng)電壓急劇上時(shí)，ΨsDCe-t/τ大大增加，導(dǎo)致Is增大。

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

式中：σ為泄漏系數(shù)。

HVRT故障時(shí)Ur的第一項(xiàng)與Ψs有關(guān)，第二項(xiàng)與Ir有關(guān)。僅考慮Ψs的影響，Ur為

根據(jù)式（8）可知：

根據(jù)HVRT前后Ψs的動(dòng)態(tài)變化，也可以將Ur寫為旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)化為

由以上分析可知，Ur1也分為兩部分。其中，Ur0與轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，Ur1迅速增大，若超過轉(zhuǎn)子控制電壓上限值時(shí)，RSC將失去控制，導(dǎo)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(xiàn)，SWITSC故障時(shí)電流和磁動(dòng)勢(shì)的諧波分量加劇了HVRT時(shí)Ir和直流母線電壓Udc的振蕩幅度，不利于HVRT的實(shí)現(xiàn)。

2 改進(jìn)控制方案

撬棒電路由電橋電路（二極管/晶閘管）、控制開關(guān)（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(guān)。當(dāng)電壓大幅度上升時(shí)，必須采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)DFIG的HVRT。

2.1 開關(guān)控制策略

本文選擇了一種同時(shí)檢測(cè)Udc和Ir的保護(hù)方案。當(dāng)Ir或Udc超過允許限值時(shí)，輸入撬棒電路，其控制原理如圖3所示。當(dāng)撬棒保護(hù)電路輸入后，RSC失去控制，轉(zhuǎn)子短路，相當(dāng)于高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，不利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)。轉(zhuǎn)子過電流是幾十ms內(nèi)最嚴(yán)重的故障，因此在這段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速地開關(guān)切換控制對(duì)撬棒保護(hù)電路至關(guān)重要。同時(shí)，為加強(qiáng)故障期間對(duì)Udc的有效控制，在直流側(cè)增加了直流斬波電路，充分考慮了直流電壓的鉗位效應(yīng)，與撬棒電路一起實(shí)現(xiàn)DFIG的HVRT。

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

若檢測(cè)到轉(zhuǎn)子過電流或過電壓時(shí)，D觸發(fā)器用于控制電網(wǎng)故障后幾ms內(nèi)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(dāng)轉(zhuǎn)子電流衰減到極值以下時(shí)，切除撬棒電路，RSC恢復(fù)工作，調(diào)節(jié)電機(jī)勵(lì)磁向電網(wǎng)提供有功和無(wú)功功率，幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，其中限制電流決定撬棒電路的投切時(shí)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(wú)功功率決定。值越小，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的保護(hù)越強(qiáng)，撬棒電路的投入時(shí)間越長(zhǎng)，但不利于電壓的恢復(fù)，反之亦然。當(dāng)斬波電路檢測(cè)到Udc高于其允許限值時(shí)，IGBT開關(guān)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(dāng)Udc在允許范圍時(shí)，斬波電路自動(dòng)切除。同樣，電壓變化限值U*決定斬波電路的輸入時(shí)間，且該值越大，斬波電路輸入時(shí)間越短。

2.2 電阻選擇

撬棒保護(hù)電路中的電阻影響著Ur。文獻(xiàn)[12]指出，當(dāng)電網(wǎng)電壓因系統(tǒng)故障變化時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓峰值隨撬棒電阻的增加單調(diào)增大，因此需合理選擇其值。當(dāng)其值過大時(shí)，會(huì)引起直流母線和開關(guān)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(yīng)在變換器電壓允許范圍內(nèi)盡可能的增大撬棒電阻，以加快故障衰減速度。根據(jù)文獻(xiàn)[4，13]可知，定、轉(zhuǎn)子短路電流的峰值通常出現(xiàn)在短路后的半個(gè)周期內(nèi)，因此，Ir.max的估值為

撬棒電路輸入后轉(zhuǎn)子最大電壓為

考慮到RSC中電流和GSC中電壓的影響，Ur.max應(yīng)符合：Ur.max＜Ur.lim。此時(shí)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(shù)，建立增加轉(zhuǎn)子側(cè)撬棒電路和直流斬波電路的DFIG系統(tǒng)模型。其中雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)參數(shù)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(biāo)幺值），轉(zhuǎn)子電阻0.016（標(biāo)幺值），定子漏感0.18（標(biāo)幺值），轉(zhuǎn)子漏感0.16（標(biāo)幺值），定轉(zhuǎn)子間的互感為2.9（標(biāo)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(jí)DFIG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，且電網(wǎng)電壓驟升暫態(tài)過程較短，因此在整個(gè)過程中認(rèn)為DFIG轉(zhuǎn)速不變。

3.1 HVRT時(shí)無(wú)保護(hù)電路投入

假設(shè)電壓在t=1 s時(shí)驟升至1.3（標(biāo)幺值），故障持續(xù)時(shí)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(yùn)行特性如圖4a～圖4f所示?？梢钥闯觯娋W(wǎng)電壓驟升故障前DFIG穩(wěn)定運(yùn)行，電壓、電流波形良好，DFIG輸出有功功率為1（標(biāo)幺值），直流母線電壓基本穩(wěn)定在1（標(biāo)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(biāo)幺值）和1.35（標(biāo)幺值）；正常DFIG的定子電流和轉(zhuǎn)子電流分別增大到1.9（標(biāo)幺值）和2.2（標(biāo)幺值）；SWITSC故障時(shí)，有效匝數(shù)減小，等效阻抗減小，電網(wǎng)電壓驟升時(shí)電流明顯增大，DFIG的定子電流和轉(zhuǎn)子電流則分別增大到2.3（標(biāo)幺值）和2.6（標(biāo)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(biāo)幺值）和0.28（標(biāo)幺值），且SWITSC故障的DFIG較正常的DFIG無(wú)功支撐能力變?nèi)??？梢?，SWITSC故障下的三相不平衡電流加劇了電網(wǎng)電壓故障下的暫態(tài)故障分量，惡化了電網(wǎng)電壓驟升對(duì)DFIG的影響，增加了HVRT的難度。

圖4 DFIG運(yùn)行特性Fig.4 DFIG operating characteristics

3.2 HVRT時(shí)撬棒和斬波電路投入

電壓在t=1 s時(shí)驟升至1.3（標(biāo)幺值），故障持續(xù)時(shí)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(yùn)行情況如圖5a～圖5g所示。

圖5 改進(jìn)控制策略下DFIG運(yùn)行特性Fig.5 DFIG operating characteristics under improved control strategy

電壓驟升時(shí)，在撬棒電路和直流斬波電路投入后對(duì)Is和Ir有一定抑制作用，內(nèi)部撬棒電阻吸收電機(jī)多余的能量，抑制瞬時(shí)故障電流的交流分量，并迅速衰減瞬時(shí)直流分量，SWITSC故障的DFIG的Is和Ir僅分別增大至1.4（標(biāo)幺值）和1.3（標(biāo)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(biāo)幺值）降至1.2（標(biāo)幺值）；此外，由于撬棒保護(hù)電路抑制轉(zhuǎn)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(xiàn)象，DFIG輸出的有功功率隨保護(hù)電路的投入有所增加；定子三相不對(duì)稱電流的有效抑制也減緩了電磁轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)幅度；此外，由撬棒電流波形可以看出，撬棒電路的切換時(shí)間足夠短，縮小了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的失控時(shí)間，有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

4 結(jié)論

本文對(duì)SWITSC故障下的電磁特性和HVRT時(shí)的暫態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上，提出一種撬棒電路和直流斬波電路相結(jié)合的HVRT控制策略，得出以下結(jié)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(zhuǎn)子諧波電流分量加劇了HVRT期間轉(zhuǎn)子過電流和直流母線過電壓，SWITSC故障惡化了電壓驟升對(duì)DFIG的影響，增加了HVRT難度；

3）轉(zhuǎn)子側(cè)撬棒電路和直流側(cè)斬波電路顯著提高了SWITSC故障機(jī)組的高電壓穿越能力。

本文的研究對(duì)掌握SWITSC的DFIG的動(dòng)態(tài)過程具有一定的參考價(jià)值，為今后更好、更有效地研究風(fēng)電機(jī)組的故障穿越提供了新的方向。