SWITSC的双馈发电机暂态特性及高电压穿越控制策略研究

曾皓冬，李华强，谢超

（四川大学电气工程系，四川 成都 610000）

双馈感应发电机（doubly-fed induction generator，DFIG）已成为风力发电机的主流机型，研究DFIG的稳定可靠运行势在必行。一方面，定子绕组匝间短路（stator winding inter-turn short circuit，SWITSC）故障是DFIG常见的绝缘故障，且故障率较高[1-3]。DFIG从SWITSC故障发生到发展为相间短路、接地短路故障，会持续较长的时间，严重影响系统的稳定运行。因此，研究发生SWITSC故障的DFIG运行特性具有重要意义；另一方面，DFIG定子绕组与电网直接相连，使其对电压故障尤为敏感，电网电压骤降引起定子侧过电流，由于定、转子磁链的相互耦合，转子侧也会出现过电压和过电流现象，损坏变频器和电机本身。各地电力部门规定，电压故障时，DFIG需不间断供电，且为电网提供相应的无功支持，要求DFIG具备一定的故障穿越能力[4-5]。

目前，电网故障时，常规的DFIG低电压穿越问题受到了广泛关注，但DFIG的HVRT问题研究甚少；且在SWITSC情况下，DFIG机组的HVRT问题鲜有研究。实现DFIG故障穿越方法有：改进控制策略和增加硬件电路。文献[6-7]提出一种基于定子磁链消磁和现代控制理论相结合的改进控制策略，用于抑制电压故障时的暂态过电流和过电压，但由于转子侧变流器（rotor side converter，RSC）容量限制，当电网急剧变化时，无法实现DFIG的故障穿越；文献[8-10]提出将撬棒保护电路串入转子侧来限制故障期间的过电流和过电压，但却忽略了直流母线电压的钳位效应。文献[11]提出一种将撬棒电路与改进控制策略相结合的控制方法，用以保护转子侧变流器。以上文献只研究了常规DFIG机组的故障穿越问题，但并未考虑DFIG常见的SWITSC故障，且对发生SWITSC故障的HVRT控制策略也并未提及。因此，研究发生SWITSC故障的DFIG暂态特性和HVRT控制策略具有重要意义。

相比于常规DFIG机组，SWITSC故障下的三相谐波电流更加不利于故障穿越的实现。本文在分析SWITSC故障下的电磁特性和电压骤升时的暂态特性基础上，提出一种撬棒电路和直流斩波电路相结合的HVRT控制策略。SWITSC故障恶化了电网电压上升对转子侧电流和直流母线电压的影响，增加了HVRT难度。转子撬棒电路和直流侧斩波电路显著提高了SWITSC故障机组的HVRT能力。本文的研究对掌握SWITSC的DFIG的动态过程具有一定的参考价值，为今后更好、更有效地研究风电机组的故障穿越提供了新的方向。

1 DFIG电磁特性分析

1.1 SWITSC电磁特性分析

SWITSC故障主要发生在定子绕组的第一个线圈中，假设A相绕组第一个线圈短路，如图1所示。

图1 SWITSC故障Fig.1 SWITSC fault

SWITSC故障后，A相有效绕组匝数显著减少，定子三相绕组不对称。图2给出了DFIG工作在额定状态（V=15 m/s，ωr=1.2（标幺值）），SWITSC故障在t=2 s时发生后的DFIG的定子电流isa，isb，isc和短路电流ig波形图。

图2 SWITSC故障波形Fig.2 SWITSC fault waveforms

三相绕组不对称造成三相电流不对称，进而在磁动势中产生大量谐波分量，且各磁动势幅值和相位差变化很大。DFIG的电磁转矩为

式中：μ0为真空磁导率；D为铁心内径；L为铁心长度；P为极对数；δ为气隙长度；F1，F2分别为定、转子磁动势；θ12为定、转子间的空间角。

由于磁动势正比于定子电流，因此，在SWITSC故障后，电磁转矩急剧上升。

式中：kdv为单匝线圈的节距因子；α为两匝线圈间的空间电角度；v为谐波阶数。

此时f(θ,t)为

式中：kyv为短转节距系数；θ为定子坐标系下机械角；φ为转子坐标系下机械角；s为转差率。

因此，将f(θ,t)转换到转子坐标系下为

f(φ,t)产生的er为

式中：Erv为转子侧感应电动势的v次谐波有效值。

转子侧线圈感应的谐波电流分量为

式中：f1为转子侧电流基频。

1.2 HVRT故障下暂态特性分析

采用电机惯例的DFIG电压和磁链方程为

式中：Us，Ur分别为定、转子电压；Is，Ir分别为定、转子电流；Ψs，Ψr分别为定、转子磁链；Rs，Rr为定、转子电阻；Ls，Lr为定、转子电感；Lm为定转子间互感；ωr为转子旋转角速度。

由于Rs较小，忽略Rs后，Us=dΨs/dt。电网正常时，Us恒定，Ψs匀速旋转，其运行轨迹为圆形，即Ψs=Ψmejω1tt，Ψm为Ψs的幅值，ω1为旋转角速度。因此Us和Ψs间的关系为

电压故障时，为分析HVRT对Ur和Ir的影响，假设转子开路，即ir=0。由式（6）、式（7）可知定子磁链的一阶微分方程为

电网电压骤升后，根据磁链守恒原则，Ψs不能突变。电压上升后，线圈上的感应电流会产生一个反向磁场来抵消磁通变化。因此，定子磁通由两部分组成：与电压有关的旋转分量和暂态衰减直流分量，即

假设Us和Ψs在故障前后为

由式（12）可知，Ψs0ejω1t正比于电压幅值；直流分量与dUs/ω1有关，且由电网电压骤升程度d决定，同步旋转角决定了直流分量的初始相位。当电压急剧上时，ΨsDCe-t/τ大大增加，导致Is增大。

为研究HVRT下Ψs对Ur和Ir的影响，根据式（6）、式（7）、式（9）得：

式中：σ为泄漏系数。

HVRT故障时Ur的第一项与Ψs有关，第二项与Ir有关。仅考虑Ψs的影响，Ur为

根据式（8）可知：

根据HVRT前后Ψs的动态变化，也可以将Ur写为旋转分量、直流分量的形式：

电压上升后，由Ψs引起的Ur为Ur1=Ur0+UrDC。忽略Rs/Ls，Ur简化为

由以上分析可知，Ur1也分为两部分。其中，Ur0与转差率s和(1+d)成正比；UrDC与电压骤升幅度和（1-s）成正比，较Ur0大得多。当转子转速接近同步转速时，Ur1迅速增大，若超过转子控制电压上限值时，RSC将失去控制，导致Ir瞬间增大，直流母线电压大幅升高。

由DFIG电磁特性分析发现，SWITSC故障时电流和磁动势的谐波分量加剧了HVRT时Ir和直流母线电压Udc的振荡幅度，不利于HVRT的实现。

2 改进控制方案

撬棒电路由电桥电路（二极管/晶闸管）、控制开关（GTO/IGBT）和旁路电阻组成。本文选用IGBT作为撬棒电路的控制开关。当电压大幅度上升时，必须采用硬件电路来实现DFIG的HVRT。

2.1 开关控制策略

本文选择了一种同时检测Udc和Ir的保护方案。当Ir或Udc超过允许限值时，输入撬棒电路，其控制原理如图3所示。当撬棒保护电路输入后，RSC失去控制，转子短路，相当于高转差率的鼠笼式异步电动机，不利于电网电压恢复。转子过电流是几十ms内最严重的故障，因此在这段时间内实现快速地开关切换控制对撬棒保护电路至关重要。同时，为加强故障期间对Udc的有效控制，在直流侧增加了直流斩波电路，充分考虑了直流电压的钳位效应，与撬棒电路一起实现DFIG的HVRT。

图3 直流卸荷电路Fig.3 DC chopper control circuit

若检测到转子过电流或过电压时，D触发器用于控制电网故障后几ms内投入撬棒电路。RSC闭锁，旁路电阻吸收多余的能量，使暂态过电流迅速衰减；当转子电流衰减到极值以下时，切除撬棒电路，RSC恢复工作，调节电机励磁向电网提供有功和无功功率，帮助电网电压恢复，其中限制电流决定撬棒电路的投切时间，其上限由变换器所能承受的最大电流决定，下限由DFIG提供的无功功率决定。值越小，对转子侧变流器的保护越强，撬棒电路的投入时间越长，但不利于电压的恢复，反之亦然。当斩波电路检测到Udc高于其允许限值时，IGBT开关控制直流斩波电路输入，直流放电电阻消耗直流母线的过电压。当Udc在允许范围时，斩波电路自动切除。同样，电压变化限值U*决定斩波电路的输入时间，且该值越大，斩波电路输入时间越短。

2.2 电阻选择

撬棒保护电路中的电阻影响着Ur。文献[12]指出，当电网电压因系统故障变化时，转子电压峰值随撬棒电阻的增加单调增大，因此需合理选择其值。当其值过大时，会引起直流母线和开关元件的过电压，甚至可能击穿直流电容和电力电子器件。因此，应在变换器电压允许范围内尽可能的增大撬棒电阻，以加快故障衰减速度。根据文献[4，13]可知，定、转子短路电流的峰值通常出现在短路后的半个周期内，因此，Ir.max的估值为

撬棒电路输入后转子最大电压为

考虑到RSC中电流和GSC中电压的影响，Ur.max应符合：Ur.max＜Ur.lim。此时撬棒的最大阻值为

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中编制DFIG正常和SWITSC故障下的s函数，建立增加转子侧撬棒电路和直流斩波电路的DFIG系统模型。其中双馈感应发电机参数为：额定功率1.5 MW，额定频率60 Hz，定子额定电压575 V，直流母线额定电压1 200 V，定子电阻0.023（标幺值），转子电阻0.016（标幺值），定子漏感0.18（标幺值），转子漏感0.16（标幺值），定转子间的互感为2.9（标幺值），匝间短路比μ=0.15，短路电阻Rg=0.01 Ω，撬棒限流电阻Rcrow=10 Ω，直流斩波电阻Rdc=2 Ω。由于MW级DFIG转动惯量较大，且电网电压骤升暂态过程较短，因此在整个过程中认为DFIG转速不变。

3.1 HVRT时无保护电路投入

假设电压在t=1 s时骤升至1.3（标幺值），故障持续时间为0.1 s，撬棒电路和直流斩波电路未投入下DFIG在正常和SWITSC故障情况下的运行特性如图4a～图4f所示。可以看出，电网电压骤升故障前DFIG稳定运行，电压、电流波形良好，DFIG输出有功功率为1（标幺值），直流母线电压基本稳定在1（标幺值）。电压上升后，正常和SWITSC故障的DFIG的Udc分别增加到1.3（标幺值）和1.35（标幺值）；正常DFIG的定子电流和转子电流分别增大到1.9（标幺值）和2.2（标幺值）；SWITSC故障时，有效匝数减小，等效阻抗减小，电网电压骤升时电流明显增大，DFIG的定子电流和转子电流则分别增大到2.3（标幺值）和2.6（标幺值）。此外，故障期间DFIG的有功输出在正常和SWITSC故障情况下分别降低到0.5（标幺值）和0.28（标幺值），且SWITSC故障的DFIG较正常的DFIG无功支撑能力变弱。可见，SWITSC故障下的三相不平衡电流加剧了电网电压故障下的暂态故障分量，恶化了电网电压骤升对DFIG的影响，增加了HVRT的难度。

图4 DFIG运行特性Fig.4 DFIG operating characteristics

3.2 HVRT时撬棒和斩波电路投入

电压在t=1 s时骤升至1.3（标幺值），故障持续时间为0.1 s，撬棒电路和直流斩波电路投入后发生SWITSC的DFIG运行情况如图5a～图5g所示。

图5 改进控制策略下DFIG运行特性Fig.5 DFIG operating characteristics under improved control strategy

电压骤升时，在撬棒电路和直流斩波电路投入后对Is和Ir有一定抑制作用，内部撬棒电阻吸收电机多余的能量，抑制瞬时故障电流的交流分量，并迅速衰减瞬时直流分量，SWITSC故障的DFIG的Is和Ir仅分别增大至1.4（标幺值）和1.3（标幺值）；高电压穿越过程中，由于功率的不平衡，造成Udc骤升，但在控制电路投入的情况直流母线电压峰值由1.35（标幺值）降至1.2（标幺值）；此外，由于撬棒保护电路抑制转子过电流，避免多余的能量流入直流母线，改善了DFIG的功率不平衡现象，DFIG输出的有功功率随保护电路的投入有所增加；定子三相不对称电流的有效抑制也减缓了电磁转矩的振动幅度；此外，由撬棒电流波形可以看出，撬棒电路的切换时间足够短，缩小了转子侧变流器的失控时间，有利于电网电压的恢复。

4 结论

本文对SWITSC故障下的电磁特性和HVRT时的暂态特性进行了详细分析，在此基础上，提出一种撬棒电路和直流斩波电路相结合的HVRT控制策略，得出以下结论：

1）SWITSC故障引起的三相不平衡电流造成Ir突增、Te振荡幅度增加；

2）转子谐波电流分量加剧了HVRT期间转子过电流和直流母线过电压，SWITSC故障恶化了电压骤升对DFIG的影响，增加了HVRT难度；

3）转子侧撬棒电路和直流侧斩波电路显著提高了SWITSC故障机组的高电压穿越能力。

本文的研究对掌握SWITSC的DFIG的动态过程具有一定的参考价值，为今后更好、更有效地研究风电机组的故障穿越提供了新的方向。