考慮撬棒保護動作的雙饋風機故障暫態特性分析

柳 鑫，劉曉華，呂文芳，陸 可（西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031）

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考慮撬棒保護動作的雙饋風機故障暫態特性分析

柳 鑫，劉曉華，呂文芳，陸 可
（西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031）

摘要：從電網的角度來看，風電場表現出來的故障特性不可忽視，尤其是在目前電網低電壓穿越的要求下，風電機組表現出更加復雜的故障暫態特性，對電網自身的故障特性造成復雜的影響，給電網繼電保護的研究帶來挑戰。針對目前廣泛應用的雙饋風力發電機組，對其電網故障下的短路過程進行了數學推導，得出了其短路電流計算表達式，并根據雙饋風力發電機組近端嚴重故障下撬棒保護兩種不同的投切控制策略，通過PSCAD／EMTDC仿真平臺進行了仿真分析。仿真結果對比分析了撬棒保護兩種投切方式對雙饋風機故障暫態特性的影響，驗證了推導表達式的正確性，對含風電場的電力系統故障分析診斷及繼電保護問題的研究提供了一定依據。

關鍵詞：雙饋風力發電機；撬棒保護；故障特性；短路電流；繼電保護

0 引言

近年來，隨著風電技術和產業的發展，國內很多地區大量風電并入電網。按照國內并網導則和設計規范的規定，電網故障期間風電必須保證一定條件下的并網運行，因此其提供的短路電流必然會對電網保護裝置和設備安全造成影響［1－3］。尤其是對目前應用廣泛的雙饋風機來說，其運行工況對電網變化較為敏感，并且由于其復雜的控制方式和策略，傳統的同步發電機組建模和故障分析不能簡單的用于風力發電機組，因此分析雙饋風機的電磁暫態過程及其故障電流特性對電力系統繼電保護的影響具有重要意義［4－6］。

目前國內外關于并網雙饋風機的故障暫態特性的研究已經有一定的進展。文獻［7］分析了撬棒保護并非瞬時動作，而是考慮了一定時間的延時的情況下雙饋風機非對稱故障情況下的短路特性。文獻［8］分析了網側電壓跌落到零的情況下，雙饋風力發電機定子側和轉子側的電磁暫態過程，并分析了定子電流的直流分量和穩態分量組成。本文在理論上推導了雙饋風機的故障電流表達式，并通過實時仿真分析了在Crowbar不同投切方式下雙饋風機的電磁暫態特性，驗證了理論推導和分析的正確性。

1 雙饋型風機電磁暫態建模

由圖1可以看出，雙饋發電機組模型主要分為機械部分、異步電機部分和變流器三部分。其定子側直接與電網相連，轉子側由變流器提供可控制勵磁電壓。變頻器主要分為轉子側變流器和網側變流器部分，通過這兩部分的功能調節發電機轉子的相位和頻率，實現發電機的變速運行，并通過調節轉子電流來改變定子側輸入電網的功率和功率因數的大小。為了應對電網故障對風機轉子回路的沖擊，并同時滿足電網對風機低電壓穿越運行的要求，目前雙饋風機普遍采用的措施是在轉子繞組側引入Crowbar電路，在直流母線處引入缷荷電路。

圖1　雙饋風機主電路結構圖

在同步旋轉坐標系下雙饋風力發電機的定轉子電壓和電流及磁鏈表達式為［9］：

式中：ψs、Is和Us為定子磁鏈、電流和電壓矢量；ψr、Ir和Ur為轉子磁鏈、電流和電壓矢量；ws和wr分別為風機同步角速度和轉子角速度。

當風機正常運行和電網發生不嚴重故障時，轉子側通過變流器的勵磁電源控制其發出的有功和無功功率。而當電網嚴重故障時，出于對風機自身的保護及考慮到電網低電壓穿越運行能力的要求，轉子Crowbar需投入運行，同時轉子側變換器閉鎖，此時Crowbar有兩種切除控制方案：其一是經過60～120 ms，考慮到轉子電流已經降至安全范圍以內，此時重新投入轉子變換器；其二是待電網故障排除后重新投入轉子側變換器，期間雙饋風機作為異步發電機運行，并從電網吸收無功功率。

2 考慮Crowbar保護的短路電流分析

假設雙饋風電機組正常運行時，其定子電壓幅值為Us，在t＝t0時刻，電網發生三相對稱短路，機端電壓跌落至原來的k倍，即：

根據式（1）和式（3）可以得出定子磁鏈表達式為［10］：

考慮到電網嚴重故障情況下Crowbar電路投入后，雙饋風電轉子側被短接，轉子勵磁電壓失去對轉子回路的控制，轉子側電流主要由定子磁鏈感應產生，此時忽略轉子感應電流對定子磁連表達式的影響。此時定子磁鏈表達式變為：

解出式（8）所示的一階微分方程，可以得到短路前后的定子磁鏈表達式：

將式（10）代入式（3）可以近似得到Crow?bar保護投入后，雙饋風電機組定子側短路電流表達式為［11］：

由式（11）可以看出，此時定子電流包含受定子回路衰減時間常數Ls／Rs影響的直流分量和周期為ws的穩態分量。

3 仿真分析

為了驗證考慮Crowbar保護的雙饋風機電磁暫態特性，本文通過PSCAD／EMTDC仿真軟件建立了雙饋風機模型，對電網三相對稱故障下雙饋風機的電磁暫態過程進行了仿真，驗證了Crowbar保護對雙饋風機故障特性的影響。

3. 1 Crowbar始終投入雙饋風機的電磁暫態特性

當雙饋風機并入的電網出現近端三相短路故障時，雙饋風機網側電壓會出現較大幅度的跌落，轉子側回路會感應出現很大的過電流，隨后在幾十毫秒內交流Crowbar裝置被激活投入，保護變流器受到過電流損害。在此期間，雙饋風機以并網異步電機方式工作，運行轉差率增大，從電網吸收較多的無功功率，并導致雙饋風機定子側電壓進一步的跌落。

圖2所示的仿真中，t＝1. 0 s時，電網側電壓出現較大幅度的跌落，隨后轉子Crowbar裝置投入，保護轉子側變流器免受過電流損害。t＝1. 2 s時，定子側故障清除，期間Crowbar裝置一直投入運行，故障清除后的70 ms后，Crowbar裝置切出，恢復轉子變換器控制策略。與圖3對比可以看出，1. 2 s時刻，由于圖2所示雙饋風機作異步電機運行并從電網吸收無功，定子電壓沒有立即恢復到正常電壓，同時由于沒有轉子變換器的控制作用，1. 2 s電壓恢復時刻其轉子過電流高于包含轉子變換器控制的雙饋風機轉子過電流。從圖2定子電流波形可以看出，故障發生的t＝1. 0時刻，定子電流有很大的增幅，由前述短路電流分析及公式11可知，其電流增大的成份主要是直流分量，之后Crowbar裝置投入運行，定子電流直流分量快速衰減，時間常數由Ls／Rs決定。t＝1. 2 s時故障切除時，同樣由于定子磁鏈直量分量的作用，短路電流迅速增大，故障消失后Crowbar保護裝置退出運行，轉子變換器控制下，定子電流恢復正常運行。

圖2　Crowbar始終投入的雙饋風機暫態特性

3. 2 Crowbar切出運行的雙饋風機的電磁暫態特性

由于雙饋風機Crowbar電路一直投入運行導致從電網吸收無功不利于電網電壓的恢復，因此圖3所示的仿真中，考慮在故障發生一段時間后，切出Crowbar裝置，轉子變換器重新投入工作，轉子電流可以被控制在安全范圍以內。但此種情況下，待網側電壓恢復時，轉子側變換器又會通過很大的瞬時過電流，此時Crowbar裝備會重新投入運行，對比圖2可以看出，由于轉子變換器控的作用，此種方式更加有利于電網電壓的恢復，其電網電壓恢復時雙饋風機提供給電網側的故障電流小于雙饋風機作異步電機運行時提供給電網側的故障電流。由圖3所示的定子電流波形可以看出，故障發生一段時間后t＝1. 1 s時，Crowbar保護切出運行，轉子變換器恢復控制作用，對比圖2可以看出，其定子電流更快的恢復正常運行。

圖3　故障恢復后Crowbar再次投入的雙饋風機暫態特性

4 結論

（1）雙饋風機在電網故障情況下，由于電網低電壓穿越的要求，轉子Crowbar裝置的投入能夠有效保護轉子變換器，并使雙饋風機以異步電機的方式低電壓穿越運行。轉子Crowbar保護裝置的投切方式會對雙饋風機故障暫態特性產生不同的影響，故障過程中Crowbar裝備始終投入時，定子電流由于沒有轉子變換器控制作用，其定子電流恢復過程較慢。

（2）故障期間Crowbar始終投入運行不利于電網電壓的恢復。而在故障前切除Crowbar裝置，恢復轉子變換器的控制作用有利于電網電壓的恢復，但是在故障清除時刻，轉子側變換器又會瞬間過電流，其Crowbar裝置會再次投入運行，雙饋風機提供給電網的故障電流與其控制策略相關。

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Fault Transient Characteristic Analysis of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines Considering Operation of Crowbar Protection

LIU Xin，LIU Xiaohua，LV Wenfang，LU Ke
（College of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：In view of grid operation，the characteristics of the wind farm under fault condition have gained much atten?tion and cannot be ignored．The transient characteristics of wind turbines become more complicated especially in the condition of the low?voltage riding?through imposed by the grid．Moreover，under that condition it may have great influ?ence on the own characteristics of power grid and become a real challenge to the relay protection of power grid．For the doubly fed wind turbine generator which is widely applied currently，this paper makes a mathematical deduction on the grid short circuit process，and gets a short?circuit current calculation expression．Besides，according to the different con?trol strategy of the crowbar protection，PSCAD／EMTDC was used for the simulation analysis．The simulation results veri?fy the effectiveness of crowbar protection on the fault transient characteristic of the doubly fed induction generator wind turbines and provide a foundation for fault diagnosis and research on the issue of relay protection．

Keywords：doubly fed induction generator；crowbar protection；fault characteristics；short circuit currents；relay protection

作者簡介：柳鑫（1984－），男，碩士研究生，研究方向為含風電的電力系統繼電保護研究，E?mail：glasoso＠sina. com。

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助（SWJTU12CX031）。

收稿日期：2015－09－11。

中圖分類號：TM76

文獻標識碼：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 010