双馈型电源短路电流统一解析方法及特性分析研究

摘要

国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、强电磁与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、广东电网有限责任公司阳江供电局的研究人员肖繁、张哲等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文指出，新能源电源故障电流特性研究是电网故障分析和保护原理研究的重要基础。

双馈型电源由于结构特殊且暂态特性复杂，特别是在不对称故障条件下，与低电压穿越控制策略有关，且控制策略多样化，导致其故障电流特性理论分析较为薄弱。针对此，建立双馈型电源在电网不对称故障条件下的数学模型，考虑陷波器和RSC励磁调节特性的影响，建立转子电流内环控制系统简化的等效模型。

在此基础上，推导PI控制器参数的解析表达式，分析控制系统相位裕度和穿越频率取值范围，建立双馈型电源转子电流的简化计算模型，最后形成适用于不同控制策略的双馈型电源短路电流统一解析表达式，为含新能源电源接入的电网故障分析方法和继电保护新原理的提出奠定了重要基础。利用PSCAD/EMTDC搭建仿真平台，证明了建立的双馈型电源短路电流统一解析表达式的正确性。

近年来，为了减少对化石能源的过度消耗，实现经济、社会、生态的协调可持续发展，新能源发电技术得到了广泛发展。然而，随着新能源电源并网容量的不断增加，其对电网安全稳定运行的风险日益凸显。为了防止电网故障期间新能源电源大规模脱网给电网造成的冲击，以及保证电网的安全稳定运行，并网规程中明确要求新能源电源应具备良好的低电压穿越运行能力。

新能源电源实施低电压穿越运行后，将在电网故障期间向外馈出短路电流。与传统的交流同步发电机相比，新能源电源的短路电流与其并网方式、低压运行控制策略以及本体保护方式等诸多因素有关，其特性及其复杂，对电网的故障特性和继电保护产生了严重影响。因此，亟待研究新能源电源的故障电流特性，为含新能源电源接入的电网故障分析和继电保护原理的研究奠定基础。

根据新能源电源的基本工作原理，可将其分为双馈型电源和逆变型电源两种基本形式。对于逆变型电源故障电流特性，国内外已有学者对此展开了全面和深入的研究，并取得了诸多研究成果[1-4]。但对于双馈型电源，由于变频器容量较小，其一般配置撬棒保护。当外部发生严重故障，可能导致转子过电流或直流母线过电压，此时，撬棒保护动作，通过撬棒电阻将转子回路短接，以保证变频器运行安全。

当外部故障距离较远时，双馈型电源仍将保持励磁状态并网运行。由于撬棒保护的动作行为直接影响双馈型电源的短路电流特性，因此，双馈型电源的故障特性研究需从考虑撬棒保护动作和计及励磁调节特性影响两方面进行[5]。

在双馈型电源撬棒保护动作后的短路电流分析方面，国内外学者对此开展了大量的研究工作[6-8]。但对于电网故障条件下双馈感应发电机（Doubly- Fed Induction Generator, DFIG）撬棒保护未动作的情况，DFIG仍由转子变频器进行励磁，励磁变频器的响应特性及不对称故障条件下不同低电压穿越控制策略将对DFIG的故障电流特性有较大的影响，这使得DFIG在励磁调节状态下的故障电流特性分析更为困难。

目前，现有研究主要侧重于三相对称故障，文献[9]考虑转子励磁调节特性的影响，对机端电压对称跌落下DFIG故障电流特性进行了深入研究，推导了DFIG定子电流的理论解析表达式。文献[5]将转子电流内环控制系统设计成典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统，给出了转子电流的简化等效模型，并得到了机端电压对称跌落条件下的故障电流解析解。

但上述研究主要针对电网对称故障，并未考虑电网不对称故障条件下转子励磁调节特性和低电压穿越控制策略的影响。特别是在电网不对称故障条件下，DFIG包括多种不同控制策略的低电压穿越方案[10-13]，缺乏适用于不同控制策略的DFIG故障电流统一解析模型。

此外，在工程实际中，双馈型电源一般采用陷波器来分离正序和负序分量，进而提高其在电网不对称故障条件下的低电压穿越运行能力[14-17]。然而，陷波器的增加改变了双馈型电源控制系统的原有结构，也影响了PI控制器的动态响应性能，使得双馈型电源的故障电流特性分析更为复杂。

针对此，本文首先建立双馈型电源在电网不对称故障条件下的数学模型，并考虑陷波器和转子变流器（Rotor-Side Converter, RSC）励磁调节特性的影响，建立了转子电流内环控制系统简化的等效模型。在此基础上，推导PI控制器参数的解析表达式，分析控制系统相位裕度和穿越频率取值范围，建立了双馈型电源转子电流的简化计算模型，并形成了适用于不同控制策略的双馈型电源短路电流统一解析表达式。最后，利用PSCAD/EMTDC搭建仿真平台，验证了建立的双馈型电源短路电流统一解析表达式的正确性。

图1  电网电压不平衡条件下RSC控制原理框图

结论

本文针对目前双馈型电源故障电流特性研究方面存在的不足，提出了双馈型电源在励磁调节状态下的故障电流分析方法，建立了适用于不同控制策略的双馈型电源故障电流统一解析表达式，为后续含新能源电源接入的电网故障分析及保护研究奠定了重要基础。主要研究结论如下：

1）陷波器的加入将影响DFIG定子磁链的幅值和相位，也使得PI控制器参数的取值范围也发生了较大的变化，进而影响转子变换器的动态特性。

2）DFIG定子磁链d轴分量中只包含衰减的基频分量而不含直流分量，而定子磁链q轴分量中包含直流分量和衰减的基频分量。其中，直流分量的大小与机端电压幅值相关，但基频分量在正转同步坐标系中的幅值和相位与机端电压大小有关，而在反转同步速旋转坐标系中则只有幅值与机端电压大小相关。

3）在不对称故障条件下，DFIG故障电流特性远较传统同步发电机复杂，与机端跌落电压及所采用的控制策略相关，其组成包括稳态基频分量和衰减的直流分量。其中，衰减直流分量的幅值与机端跌落电压和故障前电流相位有关。而稳态基频分量则与机端跌落电压及所采用的控制策略有关。特别是当DFIG采用平衡的定子电流控制策略时，其负序电流中只含有衰减的直流分量而不含稳态基频分量。

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