考慮轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制的雙饋風(fēng)機(jī)故障特性分析

柳 鑫1，廖 茜2，鄒景澍，王遠(yuǎn)波

(1.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300250；2.國網(wǎng)重慶萬州供電公司，重慶 萬州 404100；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

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考慮轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制的雙饋風(fēng)機(jī)故障特性分析

柳 鑫1，廖 茜2，鄒景澍3，王遠(yuǎn)波3

(1.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300250；2.國網(wǎng)重慶萬州供電公司，重慶 萬州 404100；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

雙饋風(fēng)機(jī)大量并網(wǎng)后，電網(wǎng)故障特性發(fā)生明顯變化，給電網(wǎng)設(shè)備選型及電網(wǎng)繼電保護(hù)問題帶來挑戰(zhàn)。 非嚴(yán)重故障情況下，撬棒保護(hù)未達(dá)到動(dòng)作閾值時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器繼續(xù)投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)子變換器勵(lì)磁控制很大程度上改變雙饋風(fēng)機(jī)的故障特性。通過建立雙饋風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，理論分析了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制下雙饋風(fēng)電機(jī)組的磁鏈變化、轉(zhuǎn)子電流和定子電流的暫態(tài)特性。并通過PSCAD/MATLAB仿真軟件對DFIG磁鏈和定轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制；故障電流

0 引 言

目前，風(fēng)力發(fā)電類型和風(fēng)機(jī)型號(hào)多樣化，而雙饋風(fēng)電機(jī)組由于其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)成為國際上應(yīng)用最為廣泛的機(jī)型。根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性，其轉(zhuǎn)速與由電網(wǎng)運(yùn)行頻率決定的同步發(fā)電機(jī)不同，即具有異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)；另一方面，雙饋風(fēng)電機(jī)組具有獨(dú)立的可調(diào)節(jié)功率因數(shù)的勵(lì)磁繞組，又具備同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。考慮到電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和變換器復(fù)雜的控制策略，電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流明顯異于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)[1-2]，其規(guī)模化并網(wǎng)下提供的短路電流對電網(wǎng)的電氣量變化特征產(chǎn)生復(fù)雜的影響，因此雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性的分析對以故障特征為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)研究具有重要意義。

針對電網(wǎng)遠(yuǎn)端非嚴(yán)重故障時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變換器繼續(xù)進(jìn)行勵(lì)磁，雙PWM變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將對雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性造成較大影響。文獻(xiàn)[3-4]考慮了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的勵(lì)磁控制對雙饋風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)特性的影響，建立了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制下的轉(zhuǎn)子回路動(dòng)態(tài)模型；分析了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器與雙饋電機(jī)的耦合特征，通過時(shí)域仿真驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制方式對雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)行為的影響。文獻(xiàn)[5-6]按照功率外環(huán)閉鎖的思想，故障暫態(tài)過程分析中只考慮了轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制器的影響。按典型的I型和II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制器，并分析了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性。文獻(xiàn)[7-9]采用數(shù)字仿真定性分析了遠(yuǎn)端故障下考慮DFIG轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性下的故障電流特征，但缺少定量分析且并未推導(dǎo)出雙饋風(fēng)機(jī)故障電流的表達(dá)式。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組建模

雙饋風(fēng)電機(jī)組模型主要分為變流器部分、異步電動(dòng)機(jī)部分以及機(jī)械部分。由圖1可知，雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過背靠背PWM變換器與電網(wǎng)相連，機(jī)械部分通過齒輪箱連接異步電動(dòng)機(jī)，雙饋風(fēng)機(jī)通過升壓變壓器并入電網(wǎng)。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器控制模型

網(wǎng)側(cè)變換器通常采用電網(wǎng)電壓定向的控制策略，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)公式可表示為

(1)

式中：L為網(wǎng)側(cè)變換器電感；R為回路電阻；isd、isq為變流器交流側(cè)電流的d、q軸分量；usd、usq為變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量；ω1為同步轉(zhuǎn)速。具體控制結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 DFIG網(wǎng)側(cè)變換器控制模型

1.2 雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模型

將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于定子磁鏈?zhǔn)噶浚梢詫⑥D(zhuǎn)子電壓的d軸和q軸分量表示為

(2)

轉(zhuǎn)子磁鏈ψrd和ψrq可以表示為

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

通過前饋環(huán)節(jié)消除耦合項(xiàng)之后，轉(zhuǎn)子電壓分量可用用轉(zhuǎn)子電流分量表示。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的參考電壓指令值可以表示為

(5)

根據(jù)上述公式可以得到基于定子磁鏈定向的矢量控制框圖，具體詳見圖3。

圖3 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模型

2 雙饋風(fēng)機(jī)定子磁鏈暫態(tài)特性分析

(6)

(7)

式中，k為電壓跌落系數(shù)，可以定義為

k=(Us-Usf)/Us

(8)

式中，Usf為短路故障后定子電壓跌落的穩(wěn)態(tài)值。

電網(wǎng)發(fā)生故障以前，定子磁鏈的值可以表示為

(9)

定子電阻值比較小，通常情況下可以忽略，式(9)可以表示為

(10)

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)電壓瞬時(shí)跌落，定子磁鏈穩(wěn)態(tài)分量減少。依據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阋?guī)律，即故障瞬時(shí)磁鏈不能發(fā)生突變，定子磁鏈將感應(yīng)出暫態(tài)直流分量磁鏈。電網(wǎng)故障愈嚴(yán)重，定子磁鏈感應(yīng)出來的直流磁鏈就越大。可以得出

(11)

3 DFIG轉(zhuǎn)子短路電流分析

雙饋風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)特性比較復(fù)雜，有必要分析轉(zhuǎn)子電流的動(dòng)態(tài)特性。轉(zhuǎn)子磁鏈用定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流可以表示為

(12)

將式(12)代入式(4)可得

(13)

式(13)可以表示為

(14)

可以得到反電動(dòng)勢具體值為

(15)

(16)

(17)

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG轉(zhuǎn)子電壓矢量可通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制回路推導(dǎo)。轉(zhuǎn)子電壓控制公式的矢量模型可以表示為

(18)

式中：kp和kt分別為轉(zhuǎn)子變換器的比例和積分增益常數(shù)。

(19)

(20)

(21)

(22)

式中：η=Rr+kp/σLr；λ=kt/σLr。

求解微分方程可以得到對稱短路故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流表達(dá)公式如下：

(23)

(24)

(25)

(26)

4 DFIG定子短路電流分析

DFIG定子短路電流可以表示為

(27)

(28)

將轉(zhuǎn)子電流公式(23)代入式(28)中即可以得到電網(wǎng)發(fā)生對稱故障時(shí)的DFIG定子短路電流的表達(dá)式為

(29)

(30)

(31)

(32)

5 仿真分析

為了驗(yàn)證故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的定子磁鏈暫態(tài)過程，利用EMTDC/PSCAD仿真軟件搭建風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)暫態(tài)模型平臺(tái)，對電網(wǎng)機(jī)端電壓跌落60%情況下的定子磁鏈變化過程進(jìn)行了仿真，詳見圖4。

圖4 DFIG定子側(cè)電壓跌落50%的定子磁鏈變化過程

由圖4可以看出，外面直徑較大的圓為故障前的穩(wěn)態(tài)磁鏈，里面較小的圓為故障后的穩(wěn)態(tài)磁鏈。定子磁鏈由故障發(fā)生前的穩(wěn)態(tài)過渡到故障發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)有一個(gè)衰減的過程，并沒有發(fā)生突變，過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)的直流分量從而使磁鏈?zhǔn)睾恪?/p>

圖5 DFIG定子α軸磁鏈分量故障暫態(tài)特性

為了對比分析定子磁鏈暫態(tài)過程的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果，通過EMTDC/PSCAD軟件對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，算例設(shè)定故障電壓跌落值為60%，故障發(fā)生時(shí)刻為1.0 s，故障前額定功率為0.5 p.u.。仿真結(jié)果給α、β出軸磁鏈分量的暫態(tài)過程及與理論計(jì)算結(jié)果的對比分析。結(jié)果詳見圖5及圖6所示意。

圖6 DFIG定子β軸磁鏈分量故障暫態(tài)特性

由圖5和圖6可以看出，定子α軸磁鏈和β軸磁鏈仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本匹配，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的正確性。對機(jī)端三相定子電壓40%和60%跌落深度情況下的故障進(jìn)行了仿真分析，DFIG轉(zhuǎn)子短路電流波形見圖7所示，DFIG定子短路電流波形見圖8所示。

圖7 電網(wǎng)故障下的轉(zhuǎn)子短路電流仿真

圖8 電網(wǎng)故障下的定子短路電流仿真

圖7和圖8仿真結(jié)果反映了不同電壓跌落情況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組表現(xiàn)出的故障電流特性。由理論分析可知，雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流受電機(jī)氣隙磁鏈的暫態(tài)變化過程以及雙饋風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制作用的影響。

6 結(jié) 論

1)電網(wǎng)故障下，由于定子磁鏈不能突變，產(chǎn)生由定子電阻和電感決定的時(shí)間常數(shù)衰減的暫態(tài)直流分量，并在最后衰減到0。該分量會(huì)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢，影響轉(zhuǎn)子的暫態(tài)特性。

2)考慮電機(jī)的暫態(tài)過程及變換器控制作用下的轉(zhuǎn)子短路電流成份，其中轉(zhuǎn)子電流分量分別為轉(zhuǎn)子電流參考值決定的周期分量；轉(zhuǎn)子電流對反電動(dòng)勢的響應(yīng)，大小由反電動(dòng)勢的值決定，即受到電壓跌落程度的影響；轉(zhuǎn)子電流的自然分量與變換器的控制參數(shù)有關(guān)。

3)雙饋風(fēng)電機(jī)組定子短路電流分量可以通過定子磁鏈及轉(zhuǎn)子電流表示，其中周期分量與定子磁鏈的周期分量相對應(yīng)，與DFIG初始狀態(tài)無關(guān)；直流暫態(tài)分量與定子磁鏈的直流暫態(tài)分量相對應(yīng)， DFIG故障下定子電壓跌落越嚴(yán)重，該直流暫態(tài)分量越大；轉(zhuǎn)子電流分量暫態(tài)特性受轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制影響，若轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的閉環(huán)控制帶寬足夠大，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供的勵(lì)磁電壓能夠很好地跟隨指令值，在變換器響應(yīng)時(shí)間足夠快的情況下，轉(zhuǎn)子電流周期分量可以近似地認(rèn)為是參考值。

4)考慮到雙饋風(fēng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)及變換器復(fù)雜的控制策略問題，DFIG在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下提供的故障電流明顯異于同步發(fā)電機(jī)，其大規(guī)模并網(wǎng)的情況下，提供的短路電流會(huì)對電網(wǎng)的電氣量變化特性產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，因此雙饋風(fēng)機(jī)故障電流特性的分析對以故障特征為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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High penetration of double-fed induction generator (DFIG) will obviously change the fault characteristics of power grid, which brings the challenge to the equipment type selection and relay protection of power grid. For non-severe fault conditions, the crowbar protection does not reach the action threshold and the rotor side keeps operating, and the excitation control of rotor converter will greatly change the fault characteristics of double-fed induction generator. Based on the mathematical model of double-fed wind generating unit, the flux variation and rotor/stator current transient characteristics of double-fed induction generator under the control of rotor side converter are analyzed theoretically. The simulation of DFIG flux and stator/rotor current is carried out by PSCAD/MATLAB simulation software, which verifies the correctness of the theoretical analysis.

double-fed induction generator; rotor excitation control; fault current

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(SWJTU12CX031)

TM315 <文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-6954(2016)06-0010-04文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a

1003-6954(2016)06-0010-04

A 文章編號(hào)：1003-6954(2016)06-0010-04

2016-09-05)

柳 鑫(1984)，研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。