双馈式发电机的电网故障恢复过程分析

1  简介

在过去的几十年里，风能的普及率正在快速增长。由于具有可控调速和对有功无功的解耦控制等优点，双馈感应发电机（DFIG）是在MW级风力发电系统中被广泛使用。而且，其变流器工作在电机额定功率的25%-30%间，使得它具有体型小、重量轻、功耗少，对比与直驱风电系统的全功率变流器，有更小的损耗。

传统上一旦检测到电网故障，双馈系统会断开以保护转子侧变流器，这在风力发电在电力系统里面所占比重较小时是可以接受的。但是随着风能的利用率持续增长，风电场需要在电网故障时依旧能够与电网保持连接，这就是低电压穿越（LVRT）的要求。

双馈式风力发电机系统满足低电压穿越的要求显得尤为困难。双馈电机的定子直接与电网连接，对称电网故障在定子磁链上产生一个直流分量，对于不对称电网压故障，会产生一个额外的负序定子磁链.这个定子负序磁链和直流分量在转子回路中感应出很大的电压，使得转子侧变流器过调制。如果转子侧变流器不能补偿这种感应电压，大的感应电压会引起在转子回路中的大电流，损害变流器并导致风力发电系统的脱网。

现有解决低电压穿越问题的办法是在转子端安装一个撬棒电路,它的保护方式非常保守，使得双馈感应发电机变成一个普通的感应电机，从电网中吸收无功，更不利的是这往往发生在电网需要无功的时候。因此我们有时在双馈式感应电机端口安装一个动态无功补偿装置来提供给电网无功。

有两个条件决定了撬棒电阻阻值的选取。一方面，阻值要较大才可以限制住短路电流，另一方面，阻值要较小以避免在转子回路产生过高的电压.所以分析双馈式发电机在故障和恢复过程中的动态过程是很有意义的。对双馈电机在对称和不对称电压跌落的瞬态响应做了完善的理论分析。但是对恢复过程中的动态过程却缺乏详细的理论分析。本文给出在对称和不对称故障中电压故障恢复的动态过程的详细理论分析，给出在电压恢复过程中的最大转子感应电压。分析显示在双馈式风力发电系统转子电压在电网对称故障持续半个周期时恢复瞬间有最大的感应电压。仿真验证了理论分析的正确性。

2  传统模型

本文使用静止坐标系下感应电机Park模型：

第二部分是转子回路的压降。由于转子电路的阻抗比较小，转子电压主要取决于第一部分。

根据在式（1）中的定子电压和定子磁链的关系，且定子阻值很小可以忽略，定子磁链 的强制响应由电网电压决定。故障前和故障恢复后的强制响应定子磁链值记为 和 ,可以用式（10）计算：

A. 对称电网故障

在对称电网故障和其恢复过程中，定子侧只有正序电压没有负序电网电压，因此定子磁链只包含正序分量和直流分量，式（13），式（14）和式（20）简化为：

3  结论

本文在理论上详细阐述了双馈式发电机在电网故障恢复过程中的动态响应，对于转子侧电压的有效估计对撬棒的设计和控制具有积极意义。仿真结果与理论值基本吻合，验证了分析。