考慮變流器限流與GSC電流的雙饋風力發電機暫態全電流計算與分析

新能源系統國家重點實驗室（華北電力大學）、國網浙江省電力公司臺州供電公司、國網北京市電力公司的研究人員王增平、李菁等，在2018年第17期《電工技術學報》上撰文指出，目前在雙饋風力發電機（DFIG）短路暫態特性研究中，未充分考慮變流器限流與網側變流器（GSC）電流的影響，綜合考慮以上兩種因素，推導了包含定子電流與GSC電流的DFIG暫態全電流精細化解析表達式。

在此基礎上，通過分析轉子電流矢量變化軌跡，給出了轉子電流峰值估算公式，量化了變流器勵磁狀態與撬棒保護投入狀態的邊界條件；考慮限流環節推導了DFIG最大穩態短路電流的具有普適性的估算公式。

結合仿真試驗與現場實測數據驗證了理論分析與數學模型的精確性。所得結論可為優化低電壓穿越控制策略及發電機參數提供理論參考，為與風電場相關聯的開關及斷路器的容量校核提供依據。

雙饋風力發電機（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）因制造成本低、效率和可靠性高等優勢，成為風電機組制造商及風電場的首選機型之一，在市場中得到廣泛應用[1]。隨著風電并網容量的增加，電網故障后DFIG向電網提供的短路電流對相關保護整定及設備選型的影響已不能再忽略不計[2,3]。DFIG短路電流受電機電磁方程與變流器控制策略的雙重約束，表現出復雜的暫態特性，引起國內外學者的廣泛關注。

三相短路故障的分析是研究其他短路暫態過程的基礎，且設備選型和校驗采用的是三相短路實驗數據，因此本文研究重點在三相短路故障的情形，所提方法也適用于不對稱故障。當電網發生三相短路故障后，DFIG可能處于兩種不同的狀態：①撬棒保護投入，變流器閉鎖；②撬棒保護未投入，變流器發揮勵磁調節作用。

對撬棒投入后的情況，大量文獻[4-9]通過提出不同的解析算法建立了DFIG的短路電流計算模型。文獻[5-8]在推導中忽略定子電阻，得到類似異步電機的短路電流模型。文獻[9]考慮了定子電阻影響，提出計及定轉子間磁鏈耦合的暫態解析修正模型。考慮撬棒投入的DFIG短路計算模型研究趨向于向更少的假設條件和更精細化的方向發展。

對變流器勵磁控制下的情況，短路后風電機組暫態短路電流受電機與變流器的電磁耦合影響，對短路電流的精確解析更為復雜和困難，與撬棒投入后的情況相比相關研究較少。撬棒投入后變流器閉鎖，DFIG短路電流僅包含定子電流，但在變流器勵磁控制下，DFIG短路電流包含定子短路電流與GSC的短路電流。

在定子暫態短路電流解析方面，文獻[10]以轉子電壓為耦合電機和變流器的中間變量，通過求解時域的二階微分方程建立了定子電流解析模型，但該方法是將變流器的輸入輸出特性做線性化處理，未能考慮變流器內部的暫態響應。

文獻[11,12]考慮變流器內部結構，建立了控制系統的傳遞函數模型，基于幅頻特性分析，通過對傳遞函數進行簡化得到定子電流解析模型，但由于化簡中忽略了變流器的采樣延遲和PWM的小慣性特性，導致計算的短路電流初值較故障前會發生突變，影響故障初始階段暫態電流計算的精確性。

上述文獻皆未考慮故障后控制策略由穩態運行控制至低電壓穿越中的無功補償控制的切換，且都忽略了變流器限流環節的影響。文獻[13]計及了控制策略的切換及限流，針對短路電流基頻分量有效值建立了計算模型，但由于忽略了定子磁鏈的動態過程且假設轉子電壓在故障后為階躍突變，所建模型對于暫態全電流不能實現精確擬合，也未具體研究限流環節給短路電流計算帶來的影響。現有文獻雖然采用不同方法對定子短路電流解析模型進行了探索，但解析模型的精度仍有待提高。

在GSC短路電流解析方面，文獻[14]基于不同控制目標建立了計及GSC電流影響的DFIG穩態短路電流模型，但該模型不能揭示短路電流的暫態特性。文獻[15]定性分析了GSC短路電流的影響因素，但未明確給出GSC暫態短路電流的解析模型。

由于GSC電流的暫態特性受GSC和RSC的控制策略、直流母線電壓暫態波動特性以及發電機的電磁暫態響應等多方面因素的交互影響，現有針對DFIG暫態短路電流的研究皆未計及GSC電流，且對于忽略GSC電流會對暫態短路全電流計算造成誤差的程度缺乏理論依據。

因此，為了建立更精確的DFIG暫態短路全電流計算模型，本文計及控制器限流環節的影響及低電壓穿越（Low Voltage Ride Through, LVRT）無功補償，在考慮RSC/GSC控制器的采樣環節和PWM小慣性環節的基礎上，推導了包含定子電流與GSC電流的DFIG暫態全電流解析式，揭示了電網故障后DFIG內部電氣量暫態過程的演化機理及短路電流的頻率成分和影響因素；基于所得暫態電流解析式及特性分析，得出轉子電流峰值估算公式，以量化變流器勵磁調控狀態與撬棒保護投入狀態的邊界條件；并進一步提出了考慮限流影響的DFIG穩態短路電流最大值估算公式，該式不依賴控制策略，具有普適性。最后結合仿真實驗與低電壓穿越測試數據驗證了理論分析的正確性。