對低電壓穿越控制下DFIG的短路電流進行研究以及計算方法

輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學(xué)）、國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院的研究人員歐陽金鑫、唐挺、鄭迪、任文君、熊小伏、鐘家勇，在2017年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，雙饋風(fēng)電機組（DFIG）的規(guī)?；瘧?yīng)用使得電力系統(tǒng)的故障特性發(fā)生了變化，極大制約了電力系統(tǒng)繼電保護的實施。

針對現(xiàn)有研究未計及低電壓穿越（LVRT）措施對DFIG故障特性的影響問題，對低電壓穿越控制下DFIG的短路電流進行研究，重點考慮DFIG無功功率輸出通過改變機端電壓對機組故障輸出特性的影響。

著眼于DFIG定轉(zhuǎn)子繞組反應(yīng)、變換器LVRT控制的相互耦合，通過構(gòu)建LVRT控制下的DFIG矢量模型，導(dǎo)出了LVRT控制啟動前和啟動后的DFIG短路電流表達式，從無功功率輸出和LVRT控制啟動延時兩個方面分析LVRT控制對DFIG短路電流的影響，建立LVRT控制啟動前和啟動后的DFIG故障等效模型，提出考慮LVRT控制影響的DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)短路電流的計算方法。

以雙饋發(fā)電機組（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）為主的變速恒頻風(fēng)電機組是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的主力裝備。變速風(fēng)電機組依賴于電力電子變換器提供勵磁控制或并網(wǎng)接口，在電網(wǎng)故障下風(fēng)電機組可能出現(xiàn)脫網(wǎng)運行，造成電網(wǎng)功率出現(xiàn)嚴(yán)重缺額[1]。

隨著風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)，世界各國電網(wǎng)均制定了風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則，要求并網(wǎng)風(fēng)電機組具有低電壓穿越（Lower VoltageRide Through, LVRT）能力，不僅能夠保持在電網(wǎng)故障期間不脫網(wǎng)連續(xù)運行一段時間，還能向電網(wǎng)注入無功功率以支持電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)[2,3]。

變速風(fēng)電機組在電網(wǎng)故障期間的暫態(tài)過程和輸出特性與同步發(fā)電機相比具有很大區(qū)別[4]。在電網(wǎng)故障下，DFIG轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生較大的過電流，為了避免轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（Rotor SideConverter, RSC）受到損害，常投入Crowbar電路短接RSC為轉(zhuǎn)子過電流提供通路[5]。

Crowbar保護能夠?qū)崿F(xiàn)DFIG在故障期間不脫網(wǎng)連續(xù)運行，但是Crowbar動作后，DFIG實質(zhì)上是轉(zhuǎn)子電阻較大的常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機，不能向電網(wǎng)提供無功功率，無法滿足新的風(fēng)電LVRT要求[6]。因此，在電網(wǎng)故障期間保持RSC與轉(zhuǎn)子繞組相連，在變換器允許電流范圍內(nèi)調(diào)節(jié)定子輸出無功功率成為DFIG實現(xiàn)LVRT的有效選擇[5,7]。

電網(wǎng)故障期間，風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行，大量風(fēng)電機組向電網(wǎng)注入短路電流，并提供無功功率改變電網(wǎng)電壓，使得電網(wǎng)故障特性發(fā)生改變[8,9]。DFIG輸出短路電流的特性及影響已受到關(guān)注。

相關(guān)研究者對Crowbar保護動作后DFIG的最大短路電流的計算方法[10]、定轉(zhuǎn)子短路電流的計算式[11]以及電力系統(tǒng)短路計算的DFIG等效模型進行了研究[12]。部分文獻研究了Crowbar未動作時DFIG輸出的短路電流，但是假設(shè)故障期間DFIG保持正常運行時的控制方式[13]。

由于DFIG在故障期間需采用新的控制策略以實現(xiàn)持續(xù)不脫網(wǎng)運行，因而已有研究并不能準(zhǔn)確反映LVRT下DFIG短路電流的特征。文獻[14]考慮了LVRT控制對DFIG故障過程的影響，但是忽略了故障過渡過程。此外，現(xiàn)有研究均假設(shè)故障后的DFIG機端電壓為恒定值，并未考慮無功功率輸出造成的電壓變化的影響。

本文對電網(wǎng)對稱短路下DFIG短路電流的特性與計算方法進行研究，重點考慮LVRT控制通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電壓和機端電壓對定子短路電流的影響。

基于LVRT控制下的DFIG矢量模型，推導(dǎo)DFIG短路電流的表達式，分析LVRT控制對DFIG暫態(tài)過程的影響；針對DFIG定轉(zhuǎn)子反應(yīng)、RSC的LVRT控制通過機端電壓相互耦合的問題，通過將DFIG故障過程劃分為LVRT控制啟動前和啟動后兩個階段并分別建立故障等效模型，提出DFIG短路電流的計算方法。

圖1LVRT控制啟動后DFIG系統(tǒng)工頻等效電路

結(jié)論

現(xiàn)有雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障分析未計及新的LVRT標(biāo)準(zhǔn)下DFIG輸出無功功率的影響，因此本文分析了LVRT控制及其啟動延時對DFIG短路過程和輸出特性的影響，建立了LVRT控制啟動前和啟動后的DFIG故障等效模型，提出了考慮LVRT控制影響的DFIG短路電流計算方法，得到以下結(jié)論：

1）新的LVRT控制下，故障期間DFIG輸出無功功率支撐電網(wǎng)暫態(tài)電壓，使得DFIG機端故障電壓變化，進而通過電樞反應(yīng)和RSC控制進一步影響轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)過程，使得DFIG輸出的短路電流發(fā)生變化。

2）LVRT控制的啟動延遲于故障瞬間機端電壓的動作，會造成電網(wǎng)故障期間DFIG的機端電壓和短路電流出現(xiàn)兩次變化，LVRT控制的啟動速度影響了DFIG短路電流的大小和變化規(guī)律。

3）未考慮無功功率輸出和LVRT控制啟動延時影響的短路電流分析難以準(zhǔn)確反映新的LVRT標(biāo)準(zhǔn)下DFIG的故障特征，本文提出的計算方法能準(zhǔn)確反映短路電流的變化規(guī)律和數(shù)值特征，滿足電力系統(tǒng)故障分析的需求。