考虑变流器限流与GSC电流的双馈风力发电机暂态全电流计算与分析
新能源系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网浙江省电力公司台州供电公司、国网北京市电力公司的研究人员王增平、李菁等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文指出，目前在双馈风力发电机（DFIG）短路暂态特性研究中，未充分考虑变流器限流与网侧变流器（GSC）电流的影响，综合考虑以上两种因素，推导了包含定子电流与GSC电流的DFIG暂态全电流精细化解析表达式。
在此基础上，通过分析转子电流矢量变化轨迹，给出了转子电流峰值估算公式，量化了变流器励磁状态与撬棒保护投入状态的边界条件；考虑限流环节推导了DFIG最大稳态短路电流的具有普适性的估算公式。
结合仿真试验与现场实测数据验证了理论分析与数学模型的精确性。所得结论可为优化低电压穿越控制策略及发电机参数提供理论参考，为与风电场相关联的开关及断路器的容量校核提供依据。
双馈风力发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）因制造成本低、效率和可靠性高等优势，成为风电机组制造商及风电场的首选机型之一，在市场中得到广泛应用[1]。随着风电并网容量的增加，电网故障后DFIG向电网提供的短路电流对相关保护整定及设备选型的影响已不能再忽略不计[2,3]。DFIG短路电流受电机电磁方程与变流器控制策略的双重约束，表现出复杂的暂态特性，引起国内外学者的广泛关注。
三相短路故障的分析是研究其他短路暂态过程的基础，且设备选型和校验采用的是三相短路实验数据，因此本文研究重点在三相短路故障的情形，所提方法也适用于不对称故障。当电网发生三相短路故障后，DFIG可能处于两种不同的状态：①撬棒保护投入，变流器闭锁；②撬棒保护未投入，变流器发挥励磁调节作用。
对撬棒投入后的情况，大量文献[4-9]通过提出不同的解析算法建立了DFIG的短路电流计算模型。文献[5-8]在推导中忽略定子电阻，得到类似异步电机的短路电流模型。文献[9]考虑了定子电阻影响，提出计及定转子间磁链耦合的暂态解析修正模型。考虑撬棒投入的DFIG短路计算模型研究趋向于向更少的假设条件和更精细化的方向发展。
对变流器励磁控制下的情况，短路后风电机组暂态短路电流受电机与变流器的电磁耦合影响，对短路电流的精确解析更为复杂和困难，与撬棒投入后的情况相比相关研究较少。撬棒投入后变流器闭锁，DFIG短路电流仅包含定子电流，但在变流器励磁控制下，DFIG短路电流包含定子短路电流与GSC的短路电流。
在定子暂态短路电流解析方面，文献[10]以转子电压为耦合电机和变流器的中间变量，通过求解时域的二阶微分方程建立了定子电流解析模型，但该方法是将变流器的输入输出特性做线性化处理，未能考虑变流器内部的暂态响应。
文献[11,12]考虑变流器内部结构，建立了控制系统的传递函数模型，基于幅频特性分析，通过对传递函数进行简化得到定子电流解析模型，但由于化简中忽略了变流器的采样延迟和PWM的小惯性特性，导致计算的短路电流初值较故障前会发生突变，影响故障初始阶段暂态电流计算的精确性。
上述文献皆未考虑故障后控制策略由稳态运行控制至低电压穿越中的无功补偿控制的切换，且都忽略了变流器限流环节的影响。文献[13]计及了控制策略的切换及限流，针对短路电流基频分量有效值建立了计算模型，但由于忽略了定子磁链的动态过程且假设转子电压在故障后为阶跃突变，所建模型对于暂态全电流不能实现精确拟合，也未具体研究限流环节给短路电流计算带来的影响。现有文献虽然采用不同方法对定子短路电流解析模型进行了探索，但解析模型的精度仍有待提高。
在GSC短路电流解析方面，文献[14]基于不同控制目标建立了计及GSC电流影响的DFIG稳态短路电流模型，但该模型不能揭示短路电流的暂态特性。文献[15]定性分析了GSC短路电流的影响因素，但未明确给出GSC暂态短路电流的解析模型。
由于GSC电流的暂态特性受GSC和RSC的控制策略、直流母线电压暂态波动特性以及发电机的电磁暂态响应等多方面因素的交互影响，现有针对DFIG暂态短路电流的研究皆未计及GSC电流，且对于忽略GSC电流会对暂态短路全电流计算造成误差的程度缺乏理论依据。
因此，为了建立更精确的DFIG暂态短路全电流计算模型，本文计及控制器限流环节的影响及低电压穿越（Low Voltage Ride Through, LVRT）无功补偿，在考虑RSC/GSC控制器的采样环节和PWM小惯性环节的基础上，推导了包含定子电流与GSC电流的DFIG暂态全电流解析式，揭示了电网故障后DFIG内部电气量暂态过程的演化机理及短路电流的频率成分和影响因素；基于所得暂态电流解析式及特性分析，得出转子电流峰值估算公式，以量化变流器励磁调控状态与撬棒保护投入状态的边界条件；并进一步提出了考虑限流影响的DFIG稳态短路电流最大值估算公式，该式不依赖控制策略，具有普适性。最后结合仿真实验与低电压穿越测试数据验证了理论分析的正确性。
图1 RSC电流内环控制框图
针对现有双馈风电机组短路电流研究未考虑GSC暂态电流与变流器限流环节影响，导致变流器励磁调控作用下短路电流计算不精确的问题，本文基于双闭环矢量控制策略及并网准则对低电压穿越期间无功补偿的要求，推导了包含定子电流与GSC电流的DFIG暂态全电流精细化解析表达式。揭示了风电机组内部电气量波动特性的电磁传递机理，明确了短路电流频率成分、关键影响参数及衰减特性。
通过仿真试验与现场低穿测试数据验证了理论分析与数学推导的精确性。所得主要结论如下：
1）归纳出RSC电流内环电压扰动项是引起转子电流波动的主要原因，结合转子电流瞬时矢量轨迹的变化特性分析，提出了转子电流峰值估算模型，为优化低电压穿越控制策略及发电机参数提供理论参考。
2）计及变流器限流影响分析了DFIG稳态短路电流的非线性特征，提出了不依赖具体控制策略的最大稳态短路电流估算公式，为与风电机组及风电场相关联的开关及断路器的容量校核提供依据。
3）推导出GSC暂态电流表达式，结合仿真与实测数据分析，得出DFIG短路电流计算中应计及GSC电流的影响，否则将造成较大误差的结论。
4）风电机组短路电流精确计算是研究风电场故障特性及短路模型的基础，考虑风速分布与场内集电线路阻抗下的风电场故障特性分析将是下一步研究的方向。