具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障暂态特性分析

第41卷第2期2013年1月16曰电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLVO141NO2JAN162O13具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障暂态特性分析毕天姝，刘素梅，薛安成，杨奇逊新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，北京102206摘要对目前广泛应用的双馈风电机组来说，其故障电磁暂态特性相对较复杂，不仅与发电机本身暂态特性有关，也与变换器相关控制与保护策略密切联系。已有双馈风电机纽故障特性的分析多数基于较多假设条件，不足以全面评估和认识大量风电接入对电网故障特性的影响。基于典型并网控制和低电压穿越控制策略，在理论上推导了故障初始阶段CROWBAR投入、故障发生一段时间后CROWBAR切除且转子变换器控制作用以及故障期间CROWBAR始终未投入等情况下双馈发电机的短路电流计算公式。同时，从定量仿真分析角度揭示了双馈风力发电机组在故障发生、切除全过程中的暂态响应特性。所得研究结论将能为大规模风电接入电网后现有保护适应性分析及其新原理研究提供较好的理论支撑。关键词双馈风力发电机；电磁暂态特性；短路电流；低电压穿越；风力发电FAULTANALYSISOFDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORWINDTURBINESWITHLOWVOLTAGERIDETHROUGHCAPABILITYBITIANSHU，LIUSUMEI，XUEANCHENG，YANGQIXHNSTATEKEYLABORATORYOFALTERNATEELECTRICALPOWERSYSTEMWITHRENEWABLEENERGYSOURCES，NOAHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITYBEIJING102206，CHINAABSTRACTFORTHEWIDELYEMPLOYEDWINDTURBINESWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDFIG，THEIRFAULTBEHAVIORSAREDIFFERENTFROMTHEONESOFTHETRADITIONALSYNCHRONOUSGENERATORSTHEFAULTCHARACTERISTICSARENOTONLYRELATEDTOTHETRANSIENTRESPONSESOFDFIG,BUTTOTHECONTROLANDPROTECTIONSCHEMESOFTHEINTERFACEDCONVERTERSHOWEVER,THEEXISTINGFAULTANALYSESAREBASEDONSOMEIDEALASSUMPTIONS，ANDTHEYARENOTENOUGHTOCOMPLETELYREVEALTHEIMPACTSOFLARGESCALEWINDPOWERPENETRATIONONTHEFAULTCHARACTERISTICSOFTHEPOWERGRIDINTHISPAPER,THEDETAILEDWINDTURBINEWITHDFIGMODELISFIRSTLYOUTLINEDINCLUDINGTHETYPICALINTEGRATIONANDLOWVOLTAGERIDETHROUGHLVRT、CONTROLSCHEMEANDTHENTHESHORTCIRCUITCURRENTEXPRESSIONSOFDFIGWITHLVRTCAPABILITYAREDERIVEDATDIFFERENTTIMESEGMENTOFAFAULTMOREOVER,FROMTHEPERSPECTIVESOFQUANTITATIVEANALYSISTHETRANSIENTFAULTRESPONSEOFTHEWINDTURBINEWIT1DFIGISCLARIFIEDDURINGTHEENTIREPERIODFROMTHEOCCURRENCEOFTHEFAULTSTOITSCLEARANCETHERESULTSAREAVAILABLEFOREVALUATINGTHEADAPTATIONOFTHEEXISTINGPROTECTIONSCHEMESANDDEVELOPINGTHENEWPROTECTIONPRINCIPLESTHISWORKISSUPPORTEDBYNATIONALHIGHTECHRESEARCHANDDEVELOPMENTPROGRAMOFCHINA863PROGRAMNO2012AA050208KEYWORDSDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDFIG；FAULTCHARACTERISTICS；SHORTCIRCUITCURRENTS；LOWVOLTAGERIDETHROUGH；WINDPOWER中图分类号TM77文献标识码A文章编号167434152013020026060引言近年来世界风电发展十分迅猛，白2010年中国已成为风电装机容量最多的国家。截止2011年底，我国风电累积装机容量已达62364GW，占世界风电总装机容量的25。预计到2015年，风电装机将达到100GW。尤其是内蒙、甘肃、辽宁等地区风电发展很快，但其大规模接入对当地电网的基金项目国家高技术研究发展计划863计划2012AA050208；高等学校学科创新引智计划B08013影响越来越明显，其中风电机组脱网事故及其对电网安全运行的影响已成为电力系统领域当前备受关注的热点问题L2J。尽管我国已出台相关风电并网导则，明确规定风电机组必须具备低电压穿越能力PJ。但为保证故障下风电机组能不脱网运行，需研究其所接电网保护能否与保护风电机组本身为目标的低电压穿越策略相配合I4J。而大量风电机组对所接电网保护影响评估是建立在全面理解和认识风电机组故障特性基础上的。对于目前应用广泛的双馈风电机组来说，其故障特性与常规同步发电机有较大区别，是发电毕天姝，等具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障暂态特性分析27机本身和变换器控制与保护策略的综合响应5击。但是现有双馈风力发电机组故障特性分析多数是基于故障期间转子绕组一直经CROWBAR电阻短接7S或转子CROWBAR电路未投入运行910两种假定情形。在故障持续时间较长情况下，认为转子绕组始终经CROWBAR电阻短接的故障分析思路与风电机组低电压穿越运行要求并不相符。而未投入转子CROWBAR电路的故障分析思路仅适用于电网远端故障时双馈发电机端电压跌落较小的情况。为此，本文在简述双馈风力发电机组电磁暂态模型的基础上，从理论角度推导了具有低电压穿越能力的双馈风力发电机组在故障不同时间段的短路电流计算公式；并通过实时仿真分析揭示了从故障发生到其切除全时间尺度下双馈风力发电机组的运行机理及各主要电气量的变化规律与相互影响关系，为所接电网相关保护问题研究奠定理论基础。1双馈风力发电机组电磁暂态模型含转子CROWBAR电路和直流卸荷电路的并网型双馈风力发电机组的主电路拓扑结构如图1所示。一C图1双馈风力发电机组主电路拓扑结构FIG1TOPOLOGYOFGRIDCONNECTEDDFIG静止坐标系下双馈发电机定转子电压、电流和磁链矢量之间表达式为DD1【URRRIRDDFJ晓J，SLMI【LMLRLR2式中、为发电机定转子电压、电流和磁链矢量；09为转子电角速度。发电机的电磁转矩方程为15PIM3风力机发出的机械转矩为詈CP。4式中积为风轮机面积；P为空气密度；为风能利用系数；VW为风速；为风力机转速。正常运行时，双馈发电机受由背靠背变换器构成的励磁电源控制，其发出的有功和无功功率可独立调节。其中，网侧变换器多采用基于电网电压定向的矢量控制策略，由直流母线电压外环和网侧电流内环构成双闭环控制回路，实现维持直流母线电压恒定和变换器交流侧单位功率因数运行的目标。转子侧变换器采用基于定子磁链定向的矢量控制策略，由发电机转速外环和转子电流内环构成双闭环控制回路，实现发电机最优转速追踪和单位功率因数运行的目标。电网故障时，由于机端电压突然跌落，双馈发电机转子绕组中将感应产生较大暂态电压和电流，转子侧变换器将极易损坏。为此，目前商用的主流技术是在直流母线处增设卸荷电路、在转子绕组侧引入CROWBAR电路59，以保证双馈风力发电机组具有电网所要求的低电压穿越运行能力。作为后续故障特性分析的基础模型，本文所采用的低电压穿越控制策略如图2所示。蓄藿L转子电流越限判断I直流电压越限判断I坚塑堕型R一图2转子CROWBAR电路控制逻辑图FIG2CONTROLSCHEMEFORTHECROWBARCIRCUITS电网故障后，当转子电流大于CROWBAR电路门槛值时，转子CROWBAR将投入，同时闭锁转子变换器；当转子电流小于变换器最大允许电流值且CROWBAR电路投入时长为时，CROWBAR电路闭锁，转子变换器在重启控制策略作用下运行。为保证故障期间发电机不失控，转子电流无功分量参考值应逐步增大，使发电机向电网提供所需的无功支撑。故障切除后，恢复控制策略作用于转子侧变换器，以使风电机组能够迅速恢复到正常状态。另外，故障过程中，由于电网电压跌落经网侧和转子侧变换器流入或流出直流母线的功率不平衡，导致直流电压波动，直流卸荷电路用于保证直流电压在安全范围之内。2故障特性理论分析当风速或定子电压跌落程度不同时，双馈发电警一LLL重策一28电力系统保护与控制机故障运行模式不同。当转子电流小于CROWBAR电路门槛值时，发电机的故障特性主要由其本身暂态响应特性和转子变换器正常运行控制策略决定。当转子电流增大到能够启动CROWBAR电路时，发电机故障特性与其本身暂态特性、CROWBAR投切控制策略、转子侧变换器重启和恢复控制策略等有关。故障后尚未投入转子CROWBAR电路情况下，忽略定子电压突变引起的发电机暂态响应过程，单位功率因数运行发电机提供的稳态故障电流幅值为RUS5式中尸S为故障前发电机输出的有功功率；为故障前定子电压幅值；Y为电压跌落系数。若转子CROWBAR电路投入，转子绕组被短接，其电压矢量0，根据式1和式2，可得到发电机故障电流的拉氏表达式为12生二2一SEALSAO61一J叫S21SA0式中，LF，【0，。分别为故障前双馈发电机定子磁链和电流矢量。ATLRL一三RRC，LLS一RS；A111一J，A。一一1LO“RJ。根据式6，发电机故障电流时域表达式为AE一BE一FU7其中，和为式6的特征根，计算公式为11ERR1OJ80SDROSDP_1O；一杀1一J1L,9式中，1LM。进一步，根据式6可以得到定子电流各分量表达式为FVSLRORJSOLR等EF1。J，生二生二1YUMEJE11一11JJFU0一00E一12所以，故障初始阶段转子CROWBAR投入期间，发电机定子电流中包含衰减时间常数接近OS的分量。接近直流分量，时间常数接近的周期衰减分量频率接近发电机转速角频率和周期为O4的稳态分量AUST。因此，发电机故障电流大小与定子电压跌落程度、故障前运行状态、故障期间转速、转子CROWBAR阻值以及电机参数等紧密相关。故障期间转子CROWBAR切除后，发电机受控于转子变换器重启控制策略作用，转子电压不再等于零。且在其初始阶段定予磁链的直流分量仍相对较大，同时式6中应替换为CROWR，由于R，所以双馈发电机故障电流仍主要由式7中项决定。实际上，在重启控制策略下由于转子电流的有功参考值为0，无功电流分量从0逐渐增加到发电机低电压穿越运行要求值。所以，随着转子无功电流参考值增加和定子磁链直流分量的衰减，发电机定子电流表达式为C，一LML上13式中，YEJJCO。若重启控制下电流控制回路闭环带宽足够大，转子电流能无差地跟踪其参考值，转子电流矢量为IZRDREE14故障切除后，由于发电机定子电压突然上升，定子磁链中又将产生较大直流分量，流过定转子绕组电流也迅速增大。若转子电流始终小于CROWBAR电路门槛值，双馈发电机的故障特性主要受转子变换器的恢复控制策略影响。而当转子电流大于CROWBAR门槛值时，CROWBAR电路投入运行，双馈发电机的故障特性将不仅受恢复控制策略影响，还与CROWBAR投切控制策略相关。故障切除后初始阶段，为保证发电机不失控，在恢复控制策略中转速控制环输入差信号的变化率需受限，此情况下发电机故障电流与该变化率的限制值有关。当转速恢复为正常值附近时，发电机故障电流将主要由转速决定，转速又与风电机组惯性时间常数、风速大小等有关。以上主要讨论了双馈发电机组的故障特性，对于网侧变换器而言，由于其容量仅为发电机额定容量的2030，从电网侧看其所提供的故障电流相对很小。因此，双馈风力发电机组的故障电流可仅考虑发电机本身提供的故障电流。3故障全过程电磁暂态特性仿真分析本文基于RTDS仿真平台搭建如图3所示含双馈风力发电机组的电网模型，其中双馈风力发电机组通过变压器T2接于电压等级为10KV的母线D处，线路OA、BC、CD长度分别为20KM、55KM、16KM，主要相关参数如下。变压器T1、T2的变比分别为12110KV、06910KV；双馈发电机额定容量为15MW，定子电阻和漏感分别为000806PU和0168PU，转子电阻和漏感为0006PULJ0152PU，毕天姝，等具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障暂态特性分析29励磁电感为348PU；直流母线电压为126KV，网侧滤波器等效电感为00004H；直流侧卸荷电路中电阻值为2Q，转子CROWBAR电阻值为05Q。图3含双馈风力发电机组的系统仿真模型FIG3SIMULATIONMODELOFGRIDINTERFACEDWITHDFIG因为故障期间双馈风力发电机组由正常运行控制策略作用的模式相对较简单，这里将不再獒述，本文主要分析双馈风力发电机组运行于低电压穿越控制模式下的故障特性。设故障前双馈风力发电机组处于额定运行状态输出功率为1PU，TO5S时线路BC末端发生三相短路故障持续065S。图4A为定子电压跌落曲线，故障初始时刻电压跌落到005PU，在重启控制策略无功补偿作用下，定子电压逐渐增加，故障期间最大约增加至036PU。1210。080L6O40200L210J0806O4O20OB定子磁链图4发电机定子侧故障响应FIG4FAULTRESPONSEATTHESTATORSIDEOFDFIG图4为故障发生及切除全过程中，定子磁链幅值的变化曲线，其中曲线振荡部分的包络线为磁链中包含的衰减直流分量。可以看出，在故障发生和切除初始阶段定子磁链中均存在直流分量。但是由于故障发生时刻定子电压的变化量大于故障切除时刻电压变化量，所以故障发生初始阶段定子磁链的直流分量相对较大。图5为上述故障下转子电流幅值的变化规律，可看出，故障初始阶段转子电流迅速增大。T052S时，该电流值超过转子CROWBAR电路门槛值15PU，CROWBAR电路将转子绕组短接。CROWBAR电路投入时长30MS后，T055S时，转子侧变换器重启控制策略作用，但此时由于定子磁链直流量仍相对较大，通过变换器提供的无功补偿电流较小，转子电流主要受定子磁链直流分量影响，其值逐渐减小。在图5中T064S后，随着定子磁链直流分量的衰减和转子无功电流参考值的增加，转子电流将逐渐增加，T086S后转子电流基本维持为恒定值，其大小与故障期间电网要求的无功功率注入量有关。T115S时故障切除，定子电压迅速回升，转子电流快速增大，T117S时转子CROWBAR电路投入，30MS后退出，恢复控制策略发生作用。2015OO500一ZCROWBAR投入一一_012345S图5转子电流FIG5ROTORCURRENT在恢复控制策略作用初始阶段，由于定子磁链直流分量相对较大，转子电流主要与该直流分量有关。随着定子磁链直流分量衰减，转子电流有功分量主要受发电机转速差实际值与参考值之差及变化率、实际转速影响，而无功分量恢复为故障前运行值。由于故障切除前在重启控制策略作用下转子电流有功分量为0，发电机转速大于故障前转速，所以故障切除后发电机转速偏离参考转速较大，如图5TI25S后转子电流将快速增大，发电机发出的有功功率随之增加。当该有功功率大于风力机发出的机械功率时，发电机转速减小，如图5中TI388S转子电流也随之减小。经过一段调整时间后，转子电流最终恢复正常。从图6可看出，故障全过程中直流母线电压也会相应发生变化，在本文采用的低电压穿越控制策略作用下，其变化范围并未超过直流电压的临界允许值1015PU。事实上，直流母线电压的变化趋势与其两侧所接网侧变换器和转子侧变换器之间的功率大小及方向直接相关。故障初始阶段，由于电网电压跌落，网侧变换器送出的功率减小。而此时从转子侧变换器流向直流母线侧的功率基本不变，多余的能量将在直流母线电容上积累，使直流电压迅速增大。当该电压大于直流卸荷电路门槛值11PU时，卸荷电路投入运行，直流电压将逐渐减小。TO71S后，卸荷电路退电力系统保护与控制出运行，直流母线电压主要由网侧变换器控制策略调节。故障切除后，在恢复控制策略作用，由转子侧变换器流入直流侧的功率迅速增加，直流电压增加，TI163S时卸荷电路再次投入，直流电压随之减小，T1985S后该电压基本达到故障前运行值。图6直流母线电压FIG6DCLINKVOLTAGE图7为发电机定子电流变化曲线，故障发生初始阶段，定子电流迅速增大，其增加量主要是直流分量。在T052S转子CROWBAR电路投入时，定子电流快速衰减，在30MS内定子电流直流分量衰减为01KA，基频分量减小为014KA。T055S时重启控制策略开始作用，定子电流中出现了较大的接近直流的衰减分量，其大小随时间周期性波动，但幅值以较快速度衰减，这与式7式12的理论分析结果一致。642戛0一24606O8101214TSA三相定子电流FSB定予电流主要成分图7定子电流FIG7STATORCURRENTT064S后发电机定子电流的基波分量随着转子电流无功分量的增加而明显增加。T086S以后发电机输出电流幅值恒为143KA，该电流略小于风力发电机故障前的额定运行值，其大小主要与重启控制策略下转子电流的无功分量参考值有关。而转子电流无功分量的大小又与风电机组低电压穿越无功功率要求值直接相关。这里需要特别指出的是，该电流无功分量受转子变换器的最大允许电流限制。故障切除后初始阶段，发电机定子电流迅速增大，TI17S时由于转子CROWBAR电路投入，定子电流快速减小。T120S时，尽管转子变换器在重启控制策略下开始作用，但是定子磁链中较大直流分量使定子绕组中感应产生相对较大的直流电流。随着定子磁链直流分量的衰减，定子电流中基频分量将增加，在TI3S以后，发电机定子电流主要包含基频分量，其大小与转速有关。4结论本文在综合考虑典型并网控制和低电压穿越控制的基础上，从理论定性和定量两个角度，全面分析并揭示了双馈风电机组在故障发生、切除全过程中的电磁暂态特性，得到如下结论1双馈风力发电机的故障运行模式有两种。当风速或定子电压跌落程度较小时，故障下双馈风力发电机组仍主要由正常运行控制策略作用。在风速较大或定子电压跌落较严重情况下，双馈发电机组故障特性主要与其低电压穿越控制策略有关。2故障发生或切除后初始阶段，由于定子磁链直流分量较大，任意一种故障运行模式下的双馈风电机组的故障电流特性均主要与定子磁链有关。3故障发生或切除一段时间后，发电机故障特性与转子侧变换器控制策略直接相关。故障发生后在重启控制策略作用下，发电机定转子电流与转子无功电流参考值的变化率及电网低电压穿越要求的无功补偿量有关。故障切除后在恢复控制策略作用下，发电机定转子电流与转速调节模式有关。参考文献1国家电监会风电、光伏发电情况监管报告R2011E2何世恩，董新洲大规模风电机组脱网原因分析及对策J电力系统保护与控制，2012，401131137HESHIEN,DONGXINZHOUCAUSEANALYSISONLARGESCALEWINDTURBINETRIPPINGANDITSCOUNTERMEASURESJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2012，4011311373中国电科院GBT199632011风电场接入电力系统技术规定S】北京中国标准出版社，20114张保会，王进，李光辉，等具有低电压穿越能力的风电接入电力系统继电保护的配合J】电力自动化设备，2012，32316毕天姝，等具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障暂态特性分析31567ZHANGBAOHUI，WANGJIN，LIGUANGHUI，ETA1COOPERATIONOFRELAYPROTECTIONFORGRIDCONNECTEDWINDPOWERWITHLOWVOLTAGERIDETHROUGHCAPABILITYJELECTRICPOWERAUTOMATIONEQUIPMENT，2012，32316郭家虎，张鲁华，蔡旭双馈风力发电系统在电网三相短路故障下的响应与保护电力系统保护与控制J电力系统保护与控制，2010，3864048GUOJIAHU，ZHANGLUHUA，CAIXURESPONSEANDPROTECTIONOFDFIGSYSTEMUNDERTHREEPHASESHORTCIRCUITFAULTOFGRIDJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，3864048吕志强，许国东兆瓦级双馈风电机组电网故障时的暂态分析J电力系统保护与控制，2010，3823112116LUZHI