考虑撬棒保护动作的双馈风机故障暂态特性分析

柳 鑫，刘晓华，吕文芳，陆 可（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）



考虑撬棒保护动作的双馈风机故障暂态特性分析

柳 鑫，刘晓华，吕文芳，陆 可
（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）

摘要：从电网的角度来看，风电场表现出来的故障特性不可忽视，尤其是在目前电网低电压穿越的要求下，风电机组表现出更加复杂的故障暂态特性，对电网自身的故障特性造成复杂的影响，给电网继电保护的研究带来挑战。针对目前广泛应用的双馈风力发电机组，对其电网故障下的短路过程进行了数学推导，得出了其短路电流计算表达式，并根据双馈风力发电机组近端严重故障下撬棒保护两种不同的投切控制策略，通过PSCAD／EMTDC仿真平台进行了仿真分析。仿真结果对比分析了撬棒保护两种投切方式对双馈风机故障暂态特性的影响，验证了推导表达式的正确性，对含风电场的电力系统故障分析诊断及继电保护问题的研究提供了一定依据。

关键词：双馈风力发电机；撬棒保护；故障特性；短路电流；继电保护

0 引言

近年来，随着风电技术和产业的发展，国内很多地区大量风电并入电网。按照国内并网导则和设计规范的规定，电网故障期间风电必须保证一定条件下的并网运行，因此其提供的短路电流必然会对电网保护装置和设备安全造成影响［1－3］。尤其是对目前应用广泛的双馈风机来说，其运行工况对电网变化较为敏感，并且由于其复杂的控制方式和策略，传统的同步发电机组建模和故障分析不能简单的用于风力发电机组，因此分析双馈风机的电磁暂态过程及其故障电流特性对电力系统继电保护的影响具有重要意义［4－6］。

目前国内外关于并网双馈风机的故障暂态特性的研究已经有一定的进展。文献［7］分析了撬棒保护并非瞬时动作，而是考虑了一定时间的延时的情况下双馈风机非对称故障情况下的短路特性。文献［8］分析了网侧电压跌落到零的情况下，双馈风力发电机定子侧和转子侧的电磁暂态过程，并分析了定子电流的直流分量和稳态分量组成。本文在理论上推导了双馈风机的故障电流表达式，并通过实时仿真分析了在Crowbar不同投切方式下双馈风机的电磁暂态特性，验证了理论推导和分析的正确性。

1 双馈型风机电磁暂态建模

由图1可以看出，双馈发电机组模型主要分为机械部分、异步电机部分和变流器三部分。其定子侧直接与电网相连，转子侧由变流器提供可控制励磁电压。变频器主要分为转子侧变流器和网侧变流器部分，通过这两部分的功能调节发电机转子的相位和频率，实现发电机的变速运行，并通过调节转子电流来改变定子侧输入电网的功率和功率因数的大小。为了应对电网故障对风机转子回路的冲击，并同时满足电网对风机低电压穿越运行的要求，目前双馈风机普遍采用的措施是在转子绕组侧引入Crowbar电路，在直流母线处引入缷荷电路。

图1　双馈风机主电路结构图

在同步旋转坐标系下双馈风力发电机的定转子电压和电流及磁链表达式为［9］：

式中：ψs、Is和Us为定子磁链、电流和电压矢量；ψr、Ir和Ur为转子磁链、电流和电压矢量；ws和wr分别为风机同步角速度和转子角速度。

当风机正常运行和电网发生不严重故障时，转子侧通过变流器的励磁电源控制其发出的有功和无功功率。而当电网严重故障时，出于对风机自身的保护及考虑到电网低电压穿越运行能力的要求，转子Crowbar需投入运行，同时转子侧变换器闭锁，此时Crowbar有两种切除控制方案：其一是经过60～120 ms，考虑到转子电流已经降至安全范围以内，此时重新投入转子变换器；其二是待电网故障排除后重新投入转子侧变换器，期间双馈风机作为异步发电机运行，并从电网吸收无功功率。

2 考虑Crowbar保护的短路电流分析

假设双馈风电机组正常运行时，其定子电压幅值为Us，在t＝t0时刻，电网发生三相对称短路，机端电压跌落至原来的k倍，即：

根据式（1）和式（3）可以得出定子磁链表达式为［10］：

考虑到电网严重故障情况下Crowbar电路投入后，双馈风电转子侧被短接，转子励磁电压失去对转子回路的控制，转子侧电流主要由定子磁链感应产生，此时忽略转子感应电流对定子磁连表达式的影响。此时定子磁链表达式变为：

解出式（8）所示的一阶微分方程，可以得到短路前后的定子磁链表达式：

将式（10）代入式（3）可以近似得到Crow⁃bar保护投入后，双馈风电机组定子侧短路电流表达式为［11］：

由式（11）可以看出，此时定子电流包含受定子回路衰减时间常数Ls／Rs影响的直流分量和周期为ws的稳态分量。

3 仿真分析

为了验证考虑Crowbar保护的双馈风机电磁暂态特性，本文通过PSCAD／EMTDC仿真软件建立了双馈风机模型，对电网三相对称故障下双馈风机的电磁暂态过程进行了仿真，验证了Crowbar保护对双馈风机故障特性的影响。

3. 1 Crowbar始终投入双馈风机的电磁暂态特性

当双馈风机并入的电网出现近端三相短路故障时，双馈风机网侧电压会出现较大幅度的跌落，转子侧回路会感应出现很大的过电流，随后在几十毫秒内交流Crowbar装置被激活投入，保护变流器受到过电流损害。在此期间，双馈风机以并网异步电机方式工作，运行转差率增大，从电网吸收较多的无功功率，并导致双馈风机定子侧电压进一步的跌落。

图2所示的仿真中，t＝1. 0 s时，电网侧电压出现较大幅度的跌落，随后转子Crowbar装置投入，保护转子侧变流器免受过电流损害。t＝1. 2 s时，定子侧故障清除，期间Crowbar装置一直投入运行，故障清除后的70 ms后，Crowbar装置切出，恢复转子变换器控制策略。与图3对比可以看出，1. 2 s时刻，由于图2所示双馈风机作异步电机运行并从电网吸收无功，定子电压没有立即恢复到正常电压，同时由于没有转子变换器的控制作用，1. 2 s电压恢复时刻其转子过电流高于包含转子变换器控制的双馈风机转子过电流。从图2定子电流波形可以看出，故障发生的t＝1. 0时刻，定子电流有很大的增幅，由前述短路电流分析及公式11可知，其电流增大的成份主要是直流分量，之后Crowbar装置投入运行，定子电流直流分量快速衰减，时间常数由Ls／Rs决定。t＝1. 2 s时故障切除时，同样由于定子磁链直量分量的作用，短路电流迅速增大，故障消失后Crowbar保护装置退出运行，转子变换器控制下，定子电流恢复正常运行。

图2　Crowbar始终投入的双馈风机暂态特性

3. 2 Crowbar切出运行的双馈风机的电磁暂态特性

由于双馈风机Crowbar电路一直投入运行导致从电网吸收无功不利于电网电压的恢复，因此图3所示的仿真中，考虑在故障发生一段时间后，切出Crowbar装置，转子变换器重新投入工作，转子电流可以被控制在安全范围以内。但此种情况下，待网侧电压恢复时，转子侧变换器又会通过很大的瞬时过电流，此时Crowbar装备会重新投入运行，对比图2可以看出，由于转子变换器控的作用，此种方式更加有利于电网电压的恢复，其电网电压恢复时双馈风机提供给电网侧的故障电流小于双馈风机作异步电机运行时提供给电网侧的故障电流。由图3所示的定子电流波形可以看出，故障发生一段时间后t＝1. 1 s时，Crowbar保护切出运行，转子变换器恢复控制作用，对比图2可以看出，其定子电流更快的恢复正常运行。

图3　故障恢复后Crowbar再次投入的双馈风机暂态特性

4 结论

（1）双馈风机在电网故障情况下，由于电网低电压穿越的要求，转子Crowbar装置的投入能够有效保护转子变换器，并使双馈风机以异步电机的方式低电压穿越运行。转子Crowbar保护装置的投切方式会对双馈风机故障暂态特性产生不同的影响，故障过程中Crowbar装备始终投入时，定子电流由于没有转子变换器控制作用，其定子电流恢复过程较慢。

（2）故障期间Crowbar始终投入运行不利于电网电压的恢复。而在故障前切除Crowbar装置，恢复转子变换器的控制作用有利于电网电压的恢复，但是在故障清除时刻，转子侧变换器又会瞬间过电流，其Crowbar装置会再次投入运行，双馈风机提供给电网的故障电流与其控制策略相关。

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［9］贺益康，胡家兵，徐烈．并网双馈异步风力发电机运行控制［M］．北京：中国电力出版社，2012．

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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

作者简介：柳鑫（1984－），男，硕士研究生，研究方向为含风电的电力系统继电保护研究，E⁃mail：glasoso＠sina. com。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（SWJTU12CX031）。

收稿日期：2015－09－11。

中图分类号：TM76

文献标识码：A

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