对低电压穿越控制下DFIG的短路电流进行研究以及计算方法

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网重庆市电力公司电力科学研究院的研究人员欧阳金鑫、唐挺、郑迪、任文君、熊小伏、钟家勇，在2017年第22期《电工技术学报》上撰文指出，双馈风电机组（DFIG）的规模化应用使得电力系统的故障特性发生了变化，极大制约了电力系统继电保护的实施。

针对现有研究未计及低电压穿越（LVRT）措施对DFIG故障特性的影响问题，对低电压穿越控制下DFIG的短路电流进行研究，重点考虑DFIG无功功率输出通过改变机端电压对机组故障输出特性的影响。

着眼于DFIG定转子绕组反应、变换器LVRT控制的相互耦合，通过构建LVRT控制下的DFIG矢量模型，导出了LVRT控制启动前和启动后的DFIG短路电流表达式，从无功功率输出和LVRT控制启动延时两个方面分析LVRT控制对DFIG短路电流的影响，建立LVRT控制启动前和启动后的DFIG故障等效模型，提出考虑LVRT控制影响的DFIG并网系统短路电流的计算方法。

以双馈发电机组（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）为主的变速恒频风电机组是当前风力发电的主力装备。变速风电机组依赖于电力电子变换器提供励磁控制或并网接口，在电网故障下风电机组可能出现脱网运行，造成电网功率出现严重缺额[1]。

随着风力发电的大规模开发，世界各国电网均制定了风电并网导则，要求并网风电机组具有低电压穿越（Lower VoltageRide Through, LVRT）能力，不仅能够保持在电网故障期间不脱网连续运行一段时间，还能向电网注入无功功率以支持电网电压快速恢复[2,3]。

变速风电机组在电网故障期间的暂态过程和输出特性与同步发电机相比具有很大区别[4]。在电网故障下，DFIG转子绕组中产生较大的过电流，为了避免转子侧变换器（Rotor SideConverter, RSC）受到损害，常投入Crowbar电路短接RSC为转子过电流提供通路[5]。

Crowbar保护能够实现DFIG在故障期间不脱网连续运行，但是Crowbar动作后，DFIG实质上是转子电阻较大的常规感应发电机，不能向电网提供无功功率，无法满足新的风电LVRT要求[6]。因此，在电网故障期间保持RSC与转子绕组相连，在变换器允许电流范围内调节定子输出无功功率成为DFIG实现LVRT的有效选择[5,7]。

电网故障期间，风电机组保持并网运行，大量风电机组向电网注入短路电流，并提供无功功率改变电网电压，使得电网故障特性发生改变[8,9]。DFIG输出短路电流的特性及影响已受到关注。

相关研究者对Crowbar保护动作后DFIG的最大短路电流的计算方法[10]、定转子短路电流的计算式[11]以及电力系统短路计算的DFIG等效模型进行了研究[12]。部分文献研究了Crowbar未动作时DFIG输出的短路电流，但是假设故障期间DFIG保持正常运行时的控制方式[13]。

由于DFIG在故障期间需采用新的控制策略以实现持续不脱网运行，因而已有研究并不能准确反映LVRT下DFIG短路电流的特征。文献[14]考虑了LVRT控制对DFIG故障过程的影响，但是忽略了故障过渡过程。此外，现有研究均假设故障后的DFIG机端电压为恒定值，并未考虑无功功率输出造成的电压变化的影响。

本文对电网对称短路下DFIG短路电流的特性与计算方法进行研究，重点考虑LVRT控制通过改变转子励磁电压和机端电压对定子短路电流的影响。

基于LVRT控制下的DFIG矢量模型，推导DFIG短路电流的表达式，分析LVRT控制对DFIG暂态过程的影响；针对DFIG定转子反应、RSC的LVRT控制通过机端电压相互耦合的问题，通过将DFIG故障过程划分为LVRT控制启动前和启动后两个阶段并分别建立故障等效模型，提出DFIG短路电流的计算方法。

图1 LVRT控制启动后DFIG系统工频等效电路

结论

现有双馈风力发电系统故障分析未计及新的LVRT标准下DFIG输出无功功率的影响，因此本文分析了LVRT控制及其启动延时对DFIG短路过程和输出特性的影响，建立了LVRT控制启动前和启动后的DFIG故障等效模型，提出了考虑LVRT控制影响的DFIG短路电流计算方法，得到以下结论：

1）新的LVRT控制下，故障期间DFIG输出无功功率支撑电网暂态电压，使得DFIG机端故障电压变化，进而通过电枢反应和RSC控制进一步影响转子绕组暂态过程，使得DFIG输出的短路电流发生变化。

2）LVRT控制的启动延迟于故障瞬间机端电压的动作，会造成电网故障期间DFIG的机端电压和短路电流出现两次变化，LVRT控制的启动速度影响了DFIG短路电流的大小和变化规律。

3）未考虑无功功率输出和LVRT控制启动延时影响的短路电流分析难以准确反映新的LVRT标准下DFIG的故障特征，本文提出的计算方法能准确反映短路电流的变化规律和数值特征，满足电力系统故障分析的需求。