雙饋式發(fā)電機(jī)的電網(wǎng)故障恢復(fù)過(guò)程分析

1 簡(jiǎn)介

在過(guò)去的幾十年里，風(fēng)能的普及率正在快速增長(zhǎng)。由于具有可控調(diào)速和對(duì)有功無(wú)功的解耦控制等優(yōu)點(diǎn)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）是在MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中被廣泛使用。而且，其變流器工作在電機(jī)額定功率的25%-30%間，使得它具有體型小、重量輕、功耗少，對(duì)比與直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的全功率變流器，有更小的損耗。

傳統(tǒng)上一旦檢測(cè)到電網(wǎng)故障，雙饋系統(tǒng)會(huì)斷開以保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，這在風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)里面所占比重較小時(shí)是可以接受的。但是隨著風(fēng)能的利用率持續(xù)增長(zhǎng)，風(fēng)電場(chǎng)需要在電網(wǎng)故障時(shí)依舊能夠與電網(wǎng)保持連接，這就是低電壓穿越（LVRT）的要求。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)滿足低電壓穿越的要求顯得尤為困難。雙饋電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)連接，對(duì)稱電網(wǎng)故障在定子磁鏈上產(chǎn)生一個(gè)直流分量，對(duì)于不對(duì)稱電網(wǎng)壓故障，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的負(fù)序定子磁鏈.這個(gè)定子負(fù)序磁鏈和直流分量在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出很大的電壓，使得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器過(guò)調(diào)制。如果轉(zhuǎn)子側(cè)變流器不能補(bǔ)償這種感應(yīng)電壓，大的感應(yīng)電壓會(huì)引起在轉(zhuǎn)子回路中的大電流，損害變流器并導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的脫網(wǎng)。

現(xiàn)有解決低電壓穿越問(wèn)題的辦法是在轉(zhuǎn)子端安裝一個(gè)撬棒電路,它的保護(hù)方式非常保守，使得雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)變成一個(gè)普通的感應(yīng)電機(jī)，從電網(wǎng)中吸收無(wú)功，更不利的是這往往發(fā)生在電網(wǎng)需要無(wú)功的時(shí)候。因此我們有時(shí)在雙饋式感應(yīng)電機(jī)端口安裝一個(gè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)提供給電網(wǎng)無(wú)功。

有兩個(gè)條件決定了撬棒電阻阻值的選取。一方面，阻值要較大才可以限制住短路電流，另一方面，阻值要較小以避免在轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過(guò)高的電壓.所以分析雙饋式發(fā)電機(jī)在故障和恢復(fù)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程是很有意義的。對(duì)雙饋電機(jī)在對(duì)稱和不對(duì)稱電壓跌落的瞬態(tài)響應(yīng)做了完善的理論分析。但是對(duì)恢復(fù)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程卻缺乏詳細(xì)的理論分析。本文給出在對(duì)稱和不對(duì)稱故障中電壓故障恢復(fù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的詳細(xì)理論分析，給出在電壓恢復(fù)過(guò)程中的最大轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓。分析顯示在雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電壓在電網(wǎng)對(duì)稱故障持續(xù)半個(gè)周期時(shí)恢復(fù)瞬間有最大的感應(yīng)電壓。仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

2 傳統(tǒng)模型

本文使用靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)Park模型：

第二部分是轉(zhuǎn)子回路的壓降。由于轉(zhuǎn)子電路的阻抗比較小，轉(zhuǎn)子電壓主要取決于第一部分。

根據(jù)在式（1）中的定子電壓和定子磁鏈的關(guān)系，且定子阻值很小可以忽略，定子磁鏈 的強(qiáng)制響應(yīng)由電網(wǎng)電壓決定。故障前和故障恢復(fù)后的強(qiáng)制響應(yīng)定子磁鏈值記為 和 ,可以用式（10）計(jì)算：

A. 對(duì)稱電網(wǎng)故障

在對(duì)稱電網(wǎng)故障和其恢復(fù)過(guò)程中，定子側(cè)只有正序電壓沒(méi)有負(fù)序電網(wǎng)電壓，因此定子磁鏈只包含正序分量和直流分量，式（13），式（14）和式（20）簡(jiǎn)化為：

3 結(jié)論

本文在理論上詳細(xì)闡述了雙饋式發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)故障恢復(fù)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的有效估計(jì)對(duì)撬棒的設(shè)計(jì)和控制具有積極意義。仿真結(jié)果與理論值基本吻合，驗(yàn)證了分析。