雙饋風力發(fā)電機機端三相短路電流分析

張 崇，張馨月，李 喬

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，黑龍江大慶163000)

隨著風力發(fā)電機組單機容量的增大和控制技術的提高，風力發(fā)電從原來的分布式能源向集中式的大規(guī)模風電場發(fā)展［1－2］。目前很多標準要求風電機組具有一定的低電壓穿越能力，即在電網發(fā)生故障時，風電場能夠繼續(xù)并網運行。而雙饋風力發(fā)電機因具有變頻器功率小、具有無功控制能力、效率高、投資小等優(yōu)點，所以已成為目前最廣泛運用的機型［3］。雙饋風力發(fā)電機組中，發(fā)電機采用繞線式異步機，其定子側直接與電網相連，轉子側通過PWM變換器與電網相連。傳統的風電場在并網點電壓跌落時，由于轉子繞組過電流，可能損害機組和變流器，因而必須切除。切除后引起的功率缺額會給電網的穩(wěn)定帶來影響。具備低電壓穿越能力的雙饋式發(fā)電機組能夠在并網點發(fā)生電壓跌落時繼續(xù)保持并網運行，大大提高了電網的穩(wěn)定運行能力。雙饋發(fā)電機一般采用在電機轉子側安裝crowbar保護電路，當電壓發(fā)生跌落時，通過crowbar保護電路將轉子側短路，從而起到保護變流器的作用［4］。在文獻［5－13］基礎上，本文研究了雙饋風力發(fā)電機的低壓穿越問題及風電場的繼電保護問題。

1 雙饋機空載下短路電流分析

1.1 雙饋感應發(fā)電機數學模型

用空間矢量描述的雙饋風機的電壓及磁鏈方程如下:

式中:us，ur，is，ir，Rs，Rr，˙ψs，˙ψr分別為雙饋發(fā)電機定、轉子的電壓、電流、電阻和磁鏈;ωs為電網同步角頻率，ωr為轉子角速度;Ls，Lr，Lm分別為定子電感、轉子電感和定、轉子互感。

將式(1)和式(2)聯立得到發(fā)電機定、轉子電流表達式為

由此可以看出定、轉子電流的大小主要由磁鏈的變化決定。為了研究故障后雙饋風機的電流變化特性，首先應分析定、轉子磁鏈的變化。

1.2 雙饋發(fā)電機定、轉子磁鏈變化

發(fā)生三相短路故障后，定子端電壓變?yōu)榱悖收习l(fā)生瞬間定子磁鏈將仍以原值恒定不變。由于定子電阻的作用，定子磁鏈的直流分量會緩慢衰減，由于定子電阻的存在，定子磁鏈中還存在較小的交流分量。

發(fā)生三相短路故障后，雙饋風力發(fā)電機通過Crowbar保護裝置將轉子側變換器關閉，從而實現保護轉子的目的。故障后，轉子端電壓下降為零，轉子磁鏈的直流分量緩慢衰減;由于轉子電阻的存在，因此轉子磁鏈中還存在較小的交流分量。雙饋發(fā)電機等效電感如圖1所示。

由圖1可得雙饋發(fā)電機定、轉子等效電感為

聯立式(5)和式(6)可得定、轉子磁鏈在短路后的衰減時間為

由此可得定、轉子電流表達式為

圖1 雙饋發(fā)電機等效電感Fig．1 Equivalent inductance of doubly fed

1.3 短路電流解析表達式

雙饋發(fā)電機穩(wěn)定運行時，定、轉子磁鏈保持相對靜止。忽略定子繞組的情況下，定子幅值保持不變，則

定子電壓可以表示為

假設t=0發(fā)生三相短路，由于發(fā)電機傳動系統的慣性，轉子轉速在短時間內不發(fā)生明顯變化，則故障后定、轉子磁鏈為

短路故障后，在定子定向坐標系下，轉子磁鏈可以表示為

三相短路故障后，轉子在crowbar保護裝置作用下短路，雙饋風機進入同步機狀態(tài)。此時轉子以同步轉速相對于定子運動，則轉子磁鏈為

將式(9)、式(10)代入式(7)、式(8)可以得到故障后定子短路電流表達式為

雙饋機機端發(fā)生三相短路后，定、轉子短路電流的峰值一般出現在短路后半周期，因此短路后轉子最大電流估算式為［14］

2 故障初始條件對雙饋機短路電流的影響

2.1 電壓跌落程度

為方便研究雙饋機機端三相短路電流暫態(tài)特性，本文以雙饋機直接接入電網為例進行了仿真研究。

雙饋機出口端的電壓跌落程度直接影響了故障后定、轉子電流的大小。當短路點距風機很遠或過渡電阻很大時，雙饋機機端電壓跌落程度很小，雙饋機能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行，此時短路電流比穩(wěn)定運行時略微增大，crowbar保護裝置不動作。當雙饋機機端三相短路時，雙饋機電壓跌落至零，crowbar保護裝置動作，將轉子短路，以達到保護雙饋發(fā)電機和變流器的目的。此時，雙饋機失穩(wěn)，只提供瞬時的短路電流。

2.2 無功功率對短路電流影響

雙饋機能夠根據需要調節(jié)定子輸出無功功率的大小。無功功率的大小直接影響了定、轉子磁鏈的大小，從而影響了雙饋機定、轉子短路電流的大小［15］。

當雙饋機定子輸出無功時，雙饋機的電樞反應表現為對主磁通的去磁，此時為保持定子磁鏈的恒定，需要增加轉子磁鏈，由式(3)、式(4)可知，定、轉子電流也隨之增大。同理，當雙饋機定子吸收無功時，雙饋機的點數發(fā)硬，表現為對主磁通的增磁，此時為保持定子的不變，需要減小轉子勵磁，因此磁鏈減小，定、轉子電流也隨之減小。

2.3 轉速對短路電流影響

在正常穩(wěn)態(tài)運行時，轉速并沒有對雙饋機定轉子磁鏈造成直接的影響。在發(fā)生短路故障時，轉子轉速會影響轉子磁鏈直流分量相對轉子繞組的轉速，即影響了定轉子電流到達最大值的時間，根據定、轉子磁鏈衰減公式，必然會對定轉子短路電流造成影響。

3 仿真結果

為了驗證雙饋機機端發(fā)生三相短路時定、轉子電流的暫態(tài)特性，采用PSCAD/Simulink仿真軟件，對電壓跌落程度、無功功率、轉速對短路定轉子電流造成的影響進行分析。仿真采用的參數如下:額定功率P=0.85 MW，額定電壓690 V，功率因數為0.9，額定運行風速為13 m/s，定子側電阻Rs=0.0053 Ω，轉子側電阻Rr=0.0125 Ω，轉子側漏抗Lsσ=0.000 23 p.u，轉子側漏抗Lrσ=0.000 37 p.u，雙PWM直流變流器直流電容為3 mF。

當風速穩(wěn)定運行在13 m/s，功率因數為1的初始工況下，t=1 s時，雙饋發(fā)電機機端發(fā)生三相短路。發(fā)電機機端電壓跌落至90%時，crowbar保護裝置不動作;發(fā)電機機端電壓跌落至0時，crowbar裝置動作。仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 電壓跌落至90%時Fig．2 Voltage drop to 90%

圖3 電壓跌落至0時Fig．3 Voltage drop to 0

當雙饋機通過解耦控制輸出0.25 MVA無功功率時，其短路電流大于3.0 kA，在吸收0.25 MVA無功功率時，其短路電流小于3.0 kA，由此可知，雙饋機在輸出無功功率時提供的短路電流較大。仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 吸收無功0.5 MVAFig．4 Absorption reaction power 0．5 MVA

圖5 輸出無功0.5 MVAFig．5 Output withou power 0．5 MVA

當雙饋機在風速為10 m/s時，雙饋機短路電流小于3.0 kA，當雙饋機在風速為15 m/s時，雙饋機短路電流大于3.0 kA。仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 風速為15 m/sFig．6 Wind speed is 15 m/s

圖7 風速為10 m/sFig．7 Wind speed is 10 m/s

4 結論

1)當雙饋風機出口電壓跌落較大時，雙饋機失穩(wěn)，此時crowbar保護動作，雙饋機只能提供瞬時的短路電流;當雙饋機電壓跌落程度較小時，短路電流比正常運行時略微增大。

2)雙饋機通過控制變流器而實現有功功率和無功功率的解耦，在雙饋機輸出無功功率時，短路電流略大。

3)轉速越快，雙饋風機短路電流越大。

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