双馈风力发电机机端三相短路电流分析

张 崇，张馨月，李 乔

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2.黑龙江省电力有限公司大庆供电公司，黑龙江大庆163000)

随着风力发电机组单机容量的增大和控制技术的提高，风力发电从原来的分布式能源向集中式的大规模风电场发展［1－2］。目前很多标准要求风电机组具有一定的低电压穿越能力，即在电网发生故障时，风电场能够继续并网运行。而双馈风力发电机因具有变频器功率小、具有无功控制能力、效率高、投资小等优点，所以已成为目前最广泛运用的机型［3］。双馈风力发电机组中，发电机采用绕线式异步机，其定子侧直接与电网相连，转子侧通过PWM变换器与电网相连。传统的风电场在并网点电压跌落时，由于转子绕组过电流，可能损害机组和变流器，因而必须切除。切除后引起的功率缺额会给电网的稳定带来影响。具备低电压穿越能力的双馈式发电机组能够在并网点发生电压跌落时继续保持并网运行，大大提高了电网的稳定运行能力。双馈发电机一般采用在电机转子侧安装crowbar保护电路，当电压发生跌落时，通过crowbar保护电路将转子侧短路，从而起到保护变流器的作用［4］。在文献［5－13］基础上，本文研究了双馈风力发电机的低压穿越问题及风电场的继电保护问题。

1 双馈机空载下短路电流分析

1.1 双馈感应发电机数学模型

用空间矢量描述的双馈风机的电压及磁链方程如下:

式中:us，ur，is，ir，Rs，Rr，˙ψs，˙ψr分别为双馈发电机定、转子的电压、电流、电阻和磁链;ωs为电网同步角频率，ωr为转子角速度;Ls，Lr，Lm分别为定子电感、转子电感和定、转子互感。

将式(1)和式(2)联立得到发电机定、转子电流表达式为

由此可以看出定、转子电流的大小主要由磁链的变化决定。为了研究故障后双馈风机的电流变化特性，首先应分析定、转子磁链的变化。

1.2 双馈发电机定、转子磁链变化

发生三相短路故障后，定子端电压变为零，故障发生瞬间定子磁链将仍以原值恒定不变。由于定子电阻的作用，定子磁链的直流分量会缓慢衰减，由于定子电阻的存在，定子磁链中还存在较小的交流分量。

发生三相短路故障后，双馈风力发电机通过Crowbar保护装置将转子侧变换器关闭，从而实现保护转子的目的。故障后，转子端电压下降为零，转子磁链的直流分量缓慢衰减;由于转子电阻的存在，因此转子磁链中还存在较小的交流分量。双馈发电机等效电感如图1所示。

由图1可得双馈发电机定、转子等效电感为

联立式(5)和式(6)可得定、转子磁链在短路后的衰减时间为

由此可得定、转子电流表达式为

图1 双馈发电机等效电感Fig．1 Equivalent inductance of doubly fed

1.3 短路电流解析表达式

双馈发电机稳定运行时，定、转子磁链保持相对静止。忽略定子绕组的情况下，定子幅值保持不变，则

定子电压可以表示为

假设t=0发生三相短路，由于发电机传动系统的惯性，转子转速在短时间内不发生明显变化，则故障后定、转子磁链为

短路故障后，在定子定向坐标系下，转子磁链可以表示为

三相短路故障后，转子在crowbar保护装置作用下短路，双馈风机进入同步机状态。此时转子以同步转速相对于定子运动，则转子磁链为

将式(9)、式(10)代入式(7)、式(8)可以得到故障后定子短路电流表达式为

双馈机机端发生三相短路后，定、转子短路电流的峰值一般出现在短路后半周期，因此短路后转子最大电流估算式为［14］

2 故障初始条件对双馈机短路电流的影响

2.1 电压跌落程度

为方便研究双馈机机端三相短路电流暂态特性，本文以双馈机直接接入电网为例进行了仿真研究。

双馈机出口端的电压跌落程度直接影响了故障后定、转子电流的大小。当短路点距风机很远或过渡电阻很大时，双馈机机端电压跌落程度很小，双馈机能够继续稳定运行，此时短路电流比稳定运行时略微增大，crowbar保护装置不动作。当双馈机机端三相短路时，双馈机电压跌落至零，crowbar保护装置动作，将转子短路，以达到保护双馈发电机和变流器的目的。此时，双馈机失稳，只提供瞬时的短路电流。

2.2 无功功率对短路电流影响

双馈机能够根据需要调节定子输出无功功率的大小。无功功率的大小直接影响了定、转子磁链的大小，从而影响了双馈机定、转子短路电流的大小［15］。

当双馈机定子输出无功时，双馈机的电枢反应表现为对主磁通的去磁，此时为保持定子磁链的恒定，需要增加转子磁链，由式(3)、式(4)可知，定、转子电流也随之增大。同理，当双馈机定子吸收无功时，双馈机的点数发硬，表现为对主磁通的增磁，此时为保持定子的不变，需要减小转子励磁，因此磁链减小，定、转子电流也随之减小。

2.3 转速对短路电流影响

在正常稳态运行时，转速并没有对双馈机定转子磁链造成直接的影响。在发生短路故障时，转子转速会影响转子磁链直流分量相对转子绕组的转速，即影响了定转子电流到达最大值的时间，根据定、转子磁链衰减公式，必然会对定转子短路电流造成影响。

3 仿真结果

为了验证双馈机机端发生三相短路时定、转子电流的暂态特性，采用PSCAD/Simulink仿真软件，对电压跌落程度、无功功率、转速对短路定转子电流造成的影响进行分析。仿真采用的参数如下:额定功率P=0.85 MW，额定电压690 V，功率因数为0.9，额定运行风速为13 m/s，定子侧电阻Rs=0.0053 Ω，转子侧电阻Rr=0.0125 Ω，转子侧漏抗Lsσ=0.000 23 p.u，转子侧漏抗Lrσ=0.000 37 p.u，双PWM直流变流器直流电容为3 mF。

当风速稳定运行在13 m/s，功率因数为1的初始工况下，t=1 s时，双馈发电机机端发生三相短路。发电机机端电压跌落至90%时，crowbar保护装置不动作;发电机机端电压跌落至0时，crowbar装置动作。仿真结果如图2、图3所示。

图2 电压跌落至90%时Fig．2 Voltage drop to 90%

图3 电压跌落至0时Fig．3 Voltage drop to 0

当双馈机通过解耦控制输出0.25 MVA无功功率时，其短路电流大于3.0 kA，在吸收0.25 MVA无功功率时，其短路电流小于3.0 kA，由此可知，双馈机在输出无功功率时提供的短路电流较大。仿真结果如图4、图5所示。

图4 吸收无功0.5 MVAFig．4 Absorption reaction power 0．5 MVA

图5 输出无功0.5 MVAFig．5 Output withou power 0．5 MVA

当双馈机在风速为10 m/s时，双馈机短路电流小于3.0 kA，当双馈机在风速为15 m/s时，双馈机短路电流大于3.0 kA。仿真结果如图6、图7所示。

图6 风速为15 m/sFig．6 Wind speed is 15 m/s

图7 风速为10 m/sFig．7 Wind speed is 10 m/s

4 结论

1)当双馈风机出口电压跌落较大时，双馈机失稳，此时crowbar保护动作，双馈机只能提供瞬时的短路电流;当双馈机电压跌落程度较小时，短路电流比正常运行时略微增大。

2)双馈机通过控制变流器而实现有功功率和无功功率的解耦，在双馈机输出无功功率时，短路电流略大。

3)转速越快，双馈风机短路电流越大。

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