电网不对称故障时双馈风电机组的运行特性仿真分析∗

牟文涛，李凤婷

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

0 引言

电力系统中风电机组装机容量和风电场规模逐渐增大，电网与风电机组之间的相互影响日益突出[1,2].双馈风电机组（DFIG）做为风电场的主流机型，在电网发生故障时，定、转子磁链会产生大幅度变化，进而引起定、转子回路产生过电流和过电压等复杂的暂态过程[3,4].电力系统并网导则要求风电机组具有LVRT能力，常用的方法是转子侧串联Crowbar保护电路[5].很多文献对加Crowbar保护电路的DFIG机组的电磁过程和穿越能力进行了研究，但多数研究针对电网发生对称故障过程中或者故障清除后[6−8].与对称故障相比，电网运行时发生不对称故障概率更大[9]，不对称故障除了引起电网电压跌落，还会产生负序分量，故障时机组定子磁链变化比较复杂，有必要进行进一步研究.

为了分析电网发生不对称故障过程中采用Crowbar保护电路的DFIG运行特性，本文首先研究了不对称故障情况下DFIG定子磁链的动态特性，推导了故障后风电机组的正、负序定子磁链表达式，分析了定子磁链的构成.以PSCAD/EMTDC为平台构建了双馈风电机组并网模型，仿真分析了电网不对称故障时风电机组定子磁链的动态响应过程，研究了由定子磁链的负序成分引起的电流不平衡、电磁转矩振荡、功率波动等一系列动态响应过程.研究了Crowbar保护电路在限制过电流，保护变换器方面的积极作用及应对不对称故障时存在的缺陷.

1 双馈风电机组的数学模型

转子侧含有Crowbar电路的双馈风电机组的结构如图1所示.

图1 含Crowbar电路的DFIG风电机组的结构

同步旋转坐标系中DFIG的电压和磁链方程的矢量形式为

由式（1）、（2）得

2 电网不对称故障时DFIG定子磁链的动态特性

2.1 DFIG定子磁链动态特性的研究

考虑DFIG采用三相三线制系统与电网连接，线路系统中无零序分量通路，所以，电网发生不对称故障时，将忽略零序分量的存在，只需要考虑正、负序分量.正、反向同步旋转坐标系矢量如图2所示[10].

图2 定子磁链在正、反向同步旋转坐标中的矢量图

根据图2可将定子磁链分解为正、反向同步旋转坐标系中正、负序分量，不对称故障时DFIG在正向坐标系中定子磁链为

式中的“+”、“-”，下标表示正、负序分量，上标表示在正、反向旋转坐标系的矢量.

式（5）展开得

设定故障前系统稳定运行，DFIG的机端电压幅值为Us0，定子磁链幅值为ψs0=Us0/ω，故障后电压幅值为Uf，对式（6）的微分方程进行求解得正、反转坐标系下的正、负序定子磁链

由式（4）可知，电网发生不对称故障时，负序分量导致DFIG定子磁链会发生二倍频振荡，由式（7）可知，定子磁链的振荡幅值由负序电压幅值Uf−决定.

2.2 DFIG定子磁链动态特性的仿真

为研究采用Crowbar电路的DFIG在电网发生不对称故障时的运行特性，本文以PSCAD/EMTDC为平台，构建了双馈风电机组的并网模型（如图3所示）.模型中相关参数如下：单台风电机组的容量1.5 MW，额定风速13 m/s，定子电阻Rs=0.005 876（p.u.），转子电阻Rr=0.006 613（p.u.），定子电抗X=0.097 6(p.u.)，转子电抗X=0.163 4(p.u.).

图3 双馈风电机组并网模型

基于构建的双馈风电机组并网模型，分别对电网发生单相接地故障、两相短路故障和两相接地故障时机组的定子磁链和运行特性进行仿真.设定风电系统稳定运行2 s时F点发生故障，Crowbar电路投入运行，转子侧变换器回路被短接，退出运行.故障持续0.5 s，故障后Crowbar电路切出，转子侧变换器重新投入运行，控制双馈风电机组恢复正常运行.

电网发生三相对称故障与不对称故障时DFIG的机端电压与定子磁链的仿真结果如图4所示.

仿真结果表明：相比三相对称故障，发生不对称故障时机端电压和DFIG的定子磁链均出现振荡，这是由于定子磁链中包含负序成分，振荡幅值与故障时机端负序电压的幅值有关.其原因是Crowbar电路无法抑制负序分量，在发生不对称故障时系统中一直存在着负序分量，影响风电机组运行.考虑到定子磁链的负序成分是故障期间引起双馈风电机组电流不平衡、功率和电磁转矩振荡的根本原因[11]，下面将对其定子电流、转子电流、功率和电磁转矩等进行研究.

3 电网不对称故障时双馈风电机组的运行特性仿真分析

3.1 单相接地故障

基于上节构建的仿真模型，设F点2 s时发生A相接地故障，DFIG的运行特性的仿真结果如图5所示.

（1）分析单相接地故障时定、转子电流仿真曲线（图5（a）、（b））可知，当电网发生单相接地故障时，机组的定、转子电流突增，超过额定电流的3倍，由于Crowbar电路的投入，故障相电流逐渐衰减到一定值后保持稳定.同时由于定子磁链负序分量在故障期间一直存在，DFIG中出现不平衡定子电流，转子电流发生畸变；整个故障过程中由于转子侧变换器被切除，系统无法对有功、无功功率进行控制，不能限制输出电流的大小，这对风电系统的故障选相和相应的电流保护产生一定的影响[12].

（2）分析单相接地故障时定子输出有功功率和无功功率（图5（c））可知，故障过程中，DFIG转子侧变换器被crowbar保护短接，DFIG以异步发电机的方式运行，在输出有功的同时，从系统中吸收大量的无功功率，定子输出有功、无功功率均有波动，影响电网稳定.

（3）从分析单相接地故障时电磁转矩的仿真结果（图5（d））可知，故障期间双馈风电机组的电磁转矩有大幅度的振荡，这不仅会产生噪音，而且会对风电机组的转轴系统造成严重的冲击，影响转轴系统的工作寿命，甚至会损坏风电系统的机械设备[9].

图5 单相接地故障时DFIG运行特性

3.2 两相短路故障

F点发生A、B相间短路故障时DFIG运行特性的仿真结果如图6所示，研究表明相间短路故障时DFIG的各电磁量的变化趋势与单相接地故障相似，但更为严重.DFIG吸收的无功功率比单相接地故障时多，受机端电压跌落程度的影响，定、转子电流比单相接地故障时大.电磁转矩受定子负序磁链的影响振动幅值更大，衰减更快，不利于机组的稳定运行.

图6 两相短路故障时DFIG运行特性

3.3 两相接地故障

F点发生A、B两相接地故障时的DFIG的各电磁量的仿真结果与变化趋势与两相相间故障类似，仿真结果如图7所示.

图7 两相接地故障时DFIG运行仿真结果

4 结论

本文针对电网不对称故障，研究了DFIG定子磁链的动态响应特性，仿真研究了不对称故障对风电机组运行特性的影响.研究发现风电机组的LVRT能力的Crowbar保护电路不能抑制负序分量，电网不对称故障时DFIG的定子磁链含有负序成分，定子磁链有振荡现象，振幅与故障时机端负序电压幅值有关.定子磁链中负序成分的存在，导致三相电流不平衡，若不平衡度超过机组保定定值，将导致机组退出运行.故障期间机组电磁转矩振动较大，会对机组造成一定的冲击；故障后定子输出有功、无功功率存在波动，影响风电系统稳定性.因此，DFIG应该采取抑制负序分量的方法来减小电网不对称故障时对机组的不利影响.