68 中国电机工程学报 第27卷 在电力系统中通常考虑的短路故障主要包括： 1满载稳定运行。对于“crowbar protection”方案， 三相对中点短路、两相对中点短路、单相对中点短 当检测到定子电压骤降时，立即将励磁主回路切断， 路以及两相相间短路。三相对中点短路对系统危害 将旁路保护电阻接入转子回路，随着定子电压恢复 最大，属于对称短路，其他几类短路则属于不对称 至正常值，在仁4s时重新接入励磁主回路恢复正常 短路。本文以三相对称短路故障和两相对中点短路 励磁控制：对于本文所提方案，当检测到定子电压 故障为例，利用图3构建的仿真模型进行仿真研究。 骤降时，立即将基于定子磁链定向的矢量控制算 表1MW商用交流励磁风力发电机参数 法20切换为电网故障时的励磁控制算法。由于故障 Tab.1 Parameters of megawatt level commercial AC 切除时发电机的电磁暂态过程与电网故障时类似， excited wind-power generator 参数 数值 因此故障切除时的励磁控制策略与电网故障时相 额定容量/MW 2 同。随着定子电压恢复至正常值，在仁4s时将控制 额定频率Hz 50 极对数 2 算法重新切换为矢量控制算法，电网故障励磁控制 联接方式 Y/Y 结束，发电机重新恢复正常运行。 定子额定线电压N 690 定转子匝比 0.45 图4为电网三相对称短路故障时，采用 定子电阻/pu 0.00488 “crowbar protection”方案的发电机仿真结果。由 定子漏感pu 0.1386 转子电阻（折算至定子方）pu 0.00549 图4可知，虽然在故障时转子接入保护电阻限制电 转子漏感（折算至定子方）pu 0.1493 流，但故障发生后发电机的电磁转矩峰值仍旧达到 定、转子互感pu 3.9527 转动惯量时间常数s 3.5 2.22pu,发电机定子方输出较大的有功功率，这就 表2升压变压器与双回输电线参数 使发电机产生较大的定子电流（最大值为3.09pu)和 Tab.2 Parameters of step-up transformer and 转子电流（最大值为3.21pu),这将极易损坏励磁电 double transmission lines 参数 数值 源的功率器件：当故障切除，定子电压恢复后，发 额定容量MW 2.5 电机作感应发电机运行，从系统吸收大量无功励磁， 额定频率Hz 50 原方绕组 20kV-Delta 同时产生较大的定、转子电流和有功功率。 副方绕组 690V-Yg 图5为电网三相对称短路故障时，采用本文方 短路阻抗pu Z=0.0098+i0.09241 输电线阻抗/pu Z1=Z2+Z3=0.01+i0.1 案的仿真结果。由图5可知，故障发生时，在故障 发电机母线 风电场母线 励磁控制算法作用下，发电机电磁转矩峰值为 无穷大电网 1.52pu,定子有功功率输出迅速减小，无功功率有 磁发电 ① 一定波动而随即恢复至零左右。定子电流中的工频 升压变压器 交流分量立即减小，定子电流中主要含有自由衰减 故障 的暂态直流分量，故障发生约50s后定子电流直 图3交流励磁发电机的系统连接图 Fig.3 Configuration of ACEG system 流分量基本衰减为零。定子电流最大值为1.93pu, 在仿真中作如下假定：考虑到电网短路故障过 转子电流最大值为1.94pu,被有效限制在2倍额定 程较为短暂，可假设发电机在故障过程中转速基本 峰值电流以内。正常运行时的转子励磁电压峰值为 保持不变：故障过程中采用“crowbar protection” 400V,当故障发生后，转子励磁电压最大值被限制 方案时，为避免转子出现过电压，旁路保护电阻取 为690V,如果提高转子励磁电压的限幅值还可进一 为0.12：为输出足够的励磁控制电压，假设双PWM 步提高故障时励磁控制的效果。当电网故障切除后， 励磁电源直流侧设定电压为1200V,则采用 定子电压重新恢复至额定值，由于此前己经成功地 SVPWM调制方式时可输出的正弦波励磁电压最大 限制了定子电流工频分量，因此发电机定子电流中 值为690V,选择该电压值作为转子励磁控制电压 含有一定的直流分量且其迅速衰减，转子电流也因 矢量的限幅值。两种控制方案的仿真步骤设定如下： 此被限制在安全范围之内。发电机有功和无功功率 假设电网三相短路故障在=3.5s时发生，并于 经过一定波动后逐步达到稳定，发电机从电网吸收 仁3.61s时切除故障线路，短路发生后发电机定子电 的无功功率较小，且能提供一定的有功功率支持。 压骤降至大约0.3pu,故障前发电机以最高转速 图6和图7分别给出了故障时两种控制方案下 1950rmin(假设最大运行范围为s=±0.3)按功率因数 电磁转矩和定子无功功率的响应对比曲线，其中“1” C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net68 中 国 电 机 工 程 学 报 第 27 卷 在电力系统中通常考虑的短路故障主要包括： 三相对中点短路、两相对中点短路、单相对中点短 路以及两相相间短路。三相对中点短路对系统危害 最大，属于对称短路，其他几类短路则属于不对称 短路。本文以三相对称短路故障和两相对中点短路 故障为例，利用图 3 构建的仿真模型进行仿真研究。 表 1 MW 商用交流励磁风力发电机参数 Tab. 1 Parameters of megawatt level commercial AC excited wind-power generator 参数 数值 额定容量/MW 2 额定频率/Hz 50 极对数 2 联接方式 Y/Y 定子额定线电压/V 690 定转子匝比 0.45 定子电阻/pu 0.00488 定子漏感/pu 0.1386 转子电阻(折算至定子方)/pu 0.00549 转子漏感(折算至定子方)/pu 0.1493 定、转子互感/pu 3.9527 转动惯量时间常数/s 3.5 表 2 升压变压器与双回输电线参数 Tab. 2 Parameters of step-up transformer and double transmission lines 参数 数值 额定容量/MW 2.5 额定频率/Hz 50 原方绕组 20kV-Delta 副方绕组 690V-Yg 短路阻抗/pu ZT=0.0098+j0.09241 输电线阻抗/pu Z1=Z2+Z3=0.01+j0.1 交流励 磁发电 机 发电机母线 Us 升压变压器 Yg / ∆ 风电场母线 UB 无穷大电网 Z1 Z2 Z3 故障 图 3 交流励磁发电机的系统连接图 Fig. 3 Configuration of ACEG system 在仿真中作如下假定：考虑到电网短路故障过 程较为短暂，可假设发电机在故障过程中转速基本 保持不变；故障过程中采用“crowbar protection” 方案时，为避免转子出现过电压，旁路保护电阻取 为 0.1Ω；为输出足够的励磁控制电压，假设双 PWM 励磁电源直流侧设定电压为 1200 V，则采用 SVPWM 调制方式时可输出的正弦波励磁电压最大 值为 690 V，选择该电压值作为转子励磁控制电压 矢量的限幅值。两种控制方案的仿真步骤设定如下： 假设电网三相短路故障在 t=3.5 s 时发生，并于 t=3.61s 时切除故障线路，短路发生后发电机定子电 压骤降至大约 0.3 pu，故障前发电机以最高转速 1950 r/min(假设最大运行范围为 s=±0.3)按功率因数 1 满载稳定运行。对于“crowbar protection”方案， 当检测到定子电压骤降时，立即将励磁主回路切断， 将旁路保护电阻接入转子回路，随着定子电压恢复 至正常值，在 t=4s 时重新接入励磁主回路恢复正常 励磁控制；对于本文所提方案，当检测到定子电压 骤降时，立即将基于定子磁链定向的矢量控制算 法[20]切换为电网故障时的励磁控制算法。由于故障 切除时发电机的电磁暂态过程与电网故障时类似， 因此故障切除时的励磁控制策略与电网故障时相 同。随着定子电压恢复至正常值，在 t=4s 时将控制 算法重新切换为矢量控制算法，电网故障励磁控制 结束，发电机重新恢复正常运行。 图 4 为电网三相对称短路故障时，采用 “crowbar protection”方案的发电机仿真结果。由 图 4 可知，虽然在故障时转子接入保护电阻限制电 流，但故障发生后发电机的电磁转矩峰值仍旧达到 2.22 pu，发电机定子方输出较大的有功功率，这就 使发电机产生较大的定子电流(最大值为 3.09 pu)和 转子电流(最大值为 3.21 pu)，这将极易损坏励磁电 源的功率器件；当故障切除，定子电压恢复后，发 电机作感应发电机运行，从系统吸收大量无功励磁， 同时产生较大的定、转子电流和有功功率。 图 5 为电网三相对称短路故障时，采用本文方 案的仿真结果。由图 5 可知，故障发生时，在故障 励磁控制算法作用下，发电机电磁转矩峰值为 1.52pu，定子有功功率输出迅速减小，无功功率有 一定波动而随即恢复至零左右。定子电流中的工频 交流分量立即减小，定子电流中主要含有自由衰减 的暂态直流分量，故障发生约 50 ms 后定子电流直 流分量基本衰减为零。定子电流最大值为 1.93pu， 转子电流最大值为 1.94pu，被有效限制在 2 倍额定 峰值电流以内。正常运行时的转子励磁电压峰值为 400 V，当故障发生后，转子励磁电压最大值被限制 为 690 V，如果提高转子励磁电压的限幅值还可进一 步提高故障时励磁控制的效果。当电网故障切除后， 定子电压重新恢复至额定值，由于此前已经成功地 限制了定子电流工频分量，因此发电机定子电流中 含有一定的直流分量且其迅速衰减，转子电流也因 此被限制在安全范围之内。发电机有功和无功功率 经过一定波动后逐步达到稳定，发电机从电网吸收 的无功功率较小，且能提供一定的有功功率支持。 图 6 和图 7 分别给出了故障时两种控制方案下 电磁转矩和定子无功功率的响应对比曲线，其中“1