考慮撬棒保護(hù)動(dòng)作的雙饋風(fēng)機(jī)故障暫態(tài)特性分析

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

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考慮撬棒保護(hù)動(dòng)作的雙饋風(fēng)機(jī)故障暫態(tài)特性分析

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

摘要：從電網(wǎng)的角度來看，風(fēng)電場表現(xiàn)出來的故障特性不可忽視，尤其是在目前電網(wǎng)低電壓穿越的要求下，風(fēng)電機(jī)組表現(xiàn)出更加復(fù)雜的故障暫態(tài)特性，對電網(wǎng)自身的故障特性造成復(fù)雜的影響，給電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究帶來挑戰(zhàn)。針對目前廣泛應(yīng)用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，對其電網(wǎng)故障下的短路過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了其短路電流計(jì)算表達(dá)式，并根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組近端嚴(yán)重故障下撬棒保護(hù)兩種不同的投切控制策略，通過PSCAD／EMTDC仿真平臺進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果對比分析了撬棒保護(hù)兩種投切方式對雙饋風(fēng)機(jī)故障暫態(tài)特性的影響，驗(yàn)證了推導(dǎo)表達(dá)式的正確性，對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)故障分析診斷及繼電保護(hù)問題的研究提供了一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；撬棒保護(hù)；故障特性；短路電流；繼電保護(hù)

0 引言

近年來，隨著風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)很多地區(qū)大量風(fēng)電并入電網(wǎng)。按照國內(nèi)并網(wǎng)導(dǎo)則和設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，電網(wǎng)故障期間風(fēng)電必須保證一定條件下的并網(wǎng)運(yùn)行，因此其提供的短路電流必然會(huì)對電網(wǎng)保護(hù)裝置和設(shè)備安全造成影響［1－3］。尤其是對目前應(yīng)用廣泛的雙饋風(fēng)機(jī)來說，其運(yùn)行工況對電網(wǎng)變化較為敏感，并且由于其復(fù)雜的控制方式和策略，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組建模和故障分析不能簡單的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，因此分析雙饋風(fēng)機(jī)的電磁暫態(tài)過程及其故障電流特性對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響具有重要意義［4－6］。

目前國內(nèi)外關(guān)于并網(wǎng)雙饋風(fēng)機(jī)的故障暫態(tài)特性的研究已經(jīng)有一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)［7］分析了撬棒保護(hù)并非瞬時(shí)動(dòng)作，而是考慮了一定時(shí)間的延時(shí)的情況下雙饋風(fēng)機(jī)非對稱故障情況下的短路特性。文獻(xiàn)［8］分析了網(wǎng)側(cè)電壓跌落到零的情況下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁暫態(tài)過程，并分析了定子電流的直流分量和穩(wěn)態(tài)分量組成。本文在理論上推導(dǎo)了雙饋風(fēng)機(jī)的故障電流表達(dá)式，并通過實(shí)時(shí)仿真分析了在Crowbar不同投切方式下雙饋風(fēng)機(jī)的電磁暫態(tài)特性，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)和分析的正確性。

1 雙饋型風(fēng)機(jī)電磁暫態(tài)建模

由圖1可以看出，雙饋發(fā)電機(jī)組模型主要分為機(jī)械部分、異步電機(jī)部分和變流器三部分。其定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)由變流器提供可控制勵(lì)磁電壓。變頻器主要分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器部分，通過這兩部分的功能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相位和頻率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行，并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流來改變定子側(cè)輸入電網(wǎng)的功率和功率因數(shù)的大小。為了應(yīng)對電網(wǎng)故障對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路的沖擊，并同時(shí)滿足電網(wǎng)對風(fēng)機(jī)低電壓穿越運(yùn)行的要求，目前雙饋風(fēng)機(jī)普遍采用的措施是在轉(zhuǎn)子繞組側(cè)引入Crowbar電路，在直流母線處引入缷荷電路。

圖1　雙饋風(fēng)機(jī)主電路結(jié)構(gòu)圖

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電壓和電流及磁鏈表達(dá)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(zhuǎn)子磁鏈、電流和電壓矢量；ws和wr分別為風(fēng)機(jī)同步角速度和轉(zhuǎn)子角速度。

當(dāng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行和電網(wǎng)發(fā)生不嚴(yán)重故障時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流器的勵(lì)磁電源控制其發(fā)出的有功和無功功率。而當(dāng)電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)，出于對風(fēng)機(jī)自身的保護(hù)及考慮到電網(wǎng)低電壓穿越運(yùn)行能力的要求，轉(zhuǎn)子Crowbar需投入運(yùn)行，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器閉鎖，此時(shí)Crowbar有兩種切除控制方案：其一是經(jīng)過60～120 ms，考慮到轉(zhuǎn)子電流已經(jīng)降至安全范圍以內(nèi)，此時(shí)重新投入轉(zhuǎn)子變換器；其二是待電網(wǎng)故障排除后重新投入轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，期間雙饋風(fēng)機(jī)作為異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，并從電網(wǎng)吸收無功功率。

2 考慮Crowbar保護(hù)的短路電流分析

假設(shè)雙饋風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其定子電壓幅值為Us，在t＝t0時(shí)刻，電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路，機(jī)端電壓跌落至原來的k倍，即：

根據(jù)式（1）和式（3）可以得出定子磁鏈表達(dá)式為［10］：

考慮到電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況下Crowbar電路投入后，雙饋風(fēng)電轉(zhuǎn)子側(cè)被短接，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓失去對轉(zhuǎn)子回路的控制，轉(zhuǎn)子側(cè)電流主要由定子磁鏈感應(yīng)產(chǎn)生，此時(shí)忽略轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流對定子磁連表達(dá)式的影響。此時(shí)定子磁鏈表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

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(dá)式：

將式（10）代入式（3）可以近似得到Crow?bar保護(hù)投入后，雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)短路電流表達(dá)式為［11］：

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

3 仿真分析

為了驗(yàn)證考慮Crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)機(jī)電磁暫態(tài)特性，本文通過PSCAD／EMTDC仿真軟件建立了雙饋風(fēng)機(jī)模型，對電網(wǎng)三相對稱故障下雙饋風(fēng)機(jī)的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了Crowbar保護(hù)對雙饋風(fēng)機(jī)故障特性的影響。

3. 1 Crowbar始終投入雙饋風(fēng)機(jī)的電磁暫態(tài)特性

當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)并入的電網(wǎng)出現(xiàn)近端三相短路故障時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)較大幅度的跌落，轉(zhuǎn)子側(cè)回路會(huì)感應(yīng)出現(xiàn)很大的過電流，隨后在幾十毫秒內(nèi)交流Crowbar裝置被激活投入，保護(hù)變流器受到過電流損害。在此期間，雙饋風(fēng)機(jī)以并網(wǎng)異步電機(jī)方式工作，運(yùn)行轉(zhuǎn)差率增大，從電網(wǎng)吸收較多的無功功率，并導(dǎo)致雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)電壓進(jìn)一步的跌落。

圖2所示的仿真中，t＝1. 0 s時(shí)，電網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)較大幅度的跌落，隨后轉(zhuǎn)子Crowbar裝置投入，保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器免受過電流損害。t＝1. 2 s時(shí)，定子側(cè)故障清除，期間Crowbar裝置一直投入運(yùn)行，故障清除后的70 ms后，Crowbar裝置切出，恢復(fù)轉(zhuǎn)子變換器控制策略。與圖3對比可以看出，1. 2 s時(shí)刻，由于圖2所示雙饋風(fēng)機(jī)作異步電機(jī)運(yùn)行并從電網(wǎng)吸收無功，定子電壓沒有立即恢復(fù)到正常電壓，同時(shí)由于沒有轉(zhuǎn)子變換器的控制作用，1. 2 s電壓恢復(fù)時(shí)刻其轉(zhuǎn)子過電流高于包含轉(zhuǎn)子變換器控制的雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子過電流。從圖2定子電流波形可以看出，故障發(fā)生的t＝1. 0時(shí)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(yùn)行，定子電流直流分量快速衰減，時(shí)間常數(shù)由Ls／Rs決定。t＝1. 2 s時(shí)故障切除時(shí)，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(hù)裝置退出運(yùn)行，轉(zhuǎn)子變換器控制下，定子電流恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖2　Crowbar始終投入的雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性

3. 2 Crowbar切出運(yùn)行的雙饋風(fēng)機(jī)的電磁暫態(tài)特性

由于雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar電路一直投入運(yùn)行導(dǎo)致從電網(wǎng)吸收無功不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，因此圖3所示的仿真中，考慮在故障發(fā)生一段時(shí)間后，切出Crowbar裝置，轉(zhuǎn)子變換器重新投入工作，轉(zhuǎn)子電流可以被控制在安全范圍以內(nèi)。但此種情況下，待網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器又會(huì)通過很大的瞬時(shí)過電流，此時(shí)Crowbar裝備會(huì)重新投入運(yùn)行，對比圖2可以看出，由于轉(zhuǎn)子變換器控的作用，此種方式更加有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，其電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)提供給電網(wǎng)側(cè)的故障電流小于雙饋風(fēng)機(jī)作異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)提供給電網(wǎng)側(cè)的故障電流。由圖3所示的定子電流波形可以看出，故障發(fā)生一段時(shí)間后t＝1. 1 s時(shí)，Crowbar保護(hù)切出運(yùn)行，轉(zhuǎn)子變換器恢復(fù)控制作用，對比圖2可以看出，其定子電流更快的恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖3　故障恢復(fù)后Crowbar再次投入的雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性

4 結(jié)論

（1）雙饋風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障情況下，由于電網(wǎng)低電壓穿越的要求，轉(zhuǎn)子Crowbar裝置的投入能夠有效保護(hù)轉(zhuǎn)子變換器，并使雙饋風(fēng)機(jī)以異步電機(jī)的方式低電壓穿越運(yùn)行。轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)裝置的投切方式會(huì)對雙饋風(fēng)機(jī)故障暫態(tài)特性產(chǎn)生不同的影響，故障過程中Crowbar裝備始終投入時(shí)，定子電流由于沒有轉(zhuǎn)子變換器控制作用，其定子電流恢復(fù)過程較慢。

（2）故障期間Crowbar始終投入運(yùn)行不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。而在故障前切除Crowbar裝置，恢復(fù)轉(zhuǎn)子變換器的控制作用有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，但是在故障清除時(shí)刻，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器又會(huì)瞬間過電流，其Crowbar裝置會(huì)再次投入運(yùn)行，雙饋風(fēng)機(jī)提供給電網(wǎng)的故障電流與其控制策略相關(guān)。

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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?yàn)楹L(fēng)電的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究，E?mail：glasoso＠sina. com。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（SWJTU12CX031）。

收稿日期：2015－09－11。

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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