第30期 姚骏等：电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略 65 磁发电机不脱网运行的改进励磁控制技术正受到广 由于故障瞬间转子暂态磁场分量只能经过定子绕组 泛关注和研究0-1 的漏磁路，因此当定子磁链直流分量较大时，转子 文献[I1]提出的方案实际上是传统“crowbar 绕组中必然感应出较大的电流才能产生足够的磁链 protection”方案的一种改进。该方案在旁路保护电 来平衡定子磁链，这将可能导致转子出现过电流。 阻切除后控制转子电流实现软启动，从而缓解了暂 如果电网发生不对称短路故障引起发电机定子 态电磁冲击。然而该方案仅能在一定程度上缓解保 电压骤降，定子电压中将出现负序电压分量，则定 护电阻切除后对系统产生的暂态冲击，无法解决保 子电流中也将含有负序电流分量，并由此产生相应 护电阻投入时冲击较大的问题，且尚未见该方案在 的定子磁链负序分量。发电机转子切割定子负序磁 电网不对称短路故障时励磁控制效果的研究报道。 场时，转子绕组中将感应出(2-S)倍额定频率的电流 文献[12-18]对电网三相对称短路故障时发电机不脱 分量（相对于转子）。若定子磁链负序分量以及转子 网运行的励磁控制进行了研究。文献14]提出通过 和定子负序磁场的相对速度较大时，转子绕组中的 适当提高励磁控制器中PI调节器的控制系数，能够 (2-)倍额定频率电流分量将可能较大，这也可能导 实现在发电机母线电压轻度骤降时保持发电机不脱 致转子出现过电流。 网运行。文献[17刀则考虑了发电机的精确数学模型， 由此可见，定子电压骤降时在定子磁链中引起 提出了计及定子励磁电流动态过程的改进励磁控制 的直流分量和负序分量是可能造成转子过电流的重 策略。上述文献提出的改进控制方法仅适用于电网 要原因之一。另一方面，故障过程中发电机定子电 故障引起发电机母线电压轻度骤降的场合，对于引 流中的正序分量也可能较大，当发电机转子切割定 起发电机定子电压严重骤降的电网短路故障，上述 子正序磁场时，转子绕组中也将产生较大的转差频 方案会由于转子侧变换器无法提供足够高的励磁电 率电流分量，这是可能导致转子出现过电流的另一 压而失去对转子电流的控制。 个重要原因。为说明定子正序电流较大的原因，本 本文首先以发电机定子电压骤降和“crowbar 文以传统“crowbar protection”方案为例进行分析。 protection”保护方案为例对转子过电流的原因进行 根据文献[19]的分析，参照异步电机的分析方 了分析，以此为基础提出了电网故障时限制由定子 法，将交流励磁发电机等效电路中的R/s分解为 电流工频分量引起的转子电流交流分量的改进励磁 R+(1-s)R/s、U/s分解为U+(1-s)UIs,其 控制策略。针对一台2MW商用交流励磁风力发电 中，R为转子电阻；心为转子励磁电压相量：s为 机在电网对称和非对称短路故障条件下进行了仿真 转差率。可得如图1所示的交流励磁发电机等效电 对比计算，仿真结果验证了本文所提改进励磁控制 路1)，设转子电流相量为，则经气隙传递的电磁 策略的正确性和有效性。 功率用转子方的功率表示为 U 1 电网短路故障时发电机工作状态分析 Rd. (1) 假设电网三相对称短路故障发生在发电机机 根据对R/s、U/s的分解，式(1)又可表示为 端，发电机定子电压骤降至零。根据磁链守恒原理， P=-R_-R+ 定子短路电流中将出现暂态直流分量，并由此产生 定子磁链暂态直流分量，其初始值与故障前瞬间发 RelU:.I"]+Re[ -s0.ir门 (2) 电机的运行状态有关。该定子磁场分量在空间固定 采用传统“crowbar protection”方案时，交流 不动，发电机转子以转速切割这一磁场时，转子绕 励磁发电机作感应电机运行，这时发电机的电磁功 组中将感应出转速频率电流分量（相对于转子），并 率和转子轴上的机械功率可由式(3)和式(4)表示。 由此产生转子磁链暂态直流分量（相对于定子）。故 障瞬间转子磁链直流分量和定子磁链直流分量相抵 B=-RI2-1-5)R 12 (3) 消，维持转子磁链恒定不变。由于定子磁链直流分 量是自由分量，当故障发生后，在定子电阻作用下， P=-1-5)R (4) 该分量将逐渐衰减，相应的转子转速频率电流分量 由于转子上没有励磁电压，则故障时发电机输 也将衰减，其衰减的速度取决于发电机的参数)。 入的机械功率仅由式(4)决定。若发电机输入的机械 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 30 期 姚 骏等： 电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略 65 磁发电机不脱网运行的改进励磁控制技术正受到广 泛关注和研究[10-18]。 文献[11]提出的方案实际上是传统“crowbar protection”方案的一种改进。该方案在旁路保护电 阻切除后控制转子电流实现软启动，从而缓解了暂 态电磁冲击。然而该方案仅能在一定程度上缓解保 护电阻切除后对系统产生的暂态冲击，无法解决保 护电阻投入时冲击较大的问题，且尚未见该方案在 电网不对称短路故障时励磁控制效果的研究报道。 文献[12-18]对电网三相对称短路故障时发电机不脱 网运行的励磁控制进行了研究。文献[14]提出通过 适当提高励磁控制器中 PI 调节器的控制系数，能够 实现在发电机母线电压轻度骤降时保持发电机不脱 网运行。文献[17]则考虑了发电机的精确数学模型， 提出了计及定子励磁电流动态过程的改进励磁控制 策略。上述文献提出的改进控制方法仅适用于电网 故障引起发电机母线电压轻度骤降的场合，对于引 起发电机定子电压严重骤降的电网短路故障，上述 方案会由于转子侧变换器无法提供足够高的励磁电 压而失去对转子电流的控制。 本文首先以发电机定子电压骤降和“crowbar protection”保护方案为例对转子过电流的原因进行 了分析，以此为基础提出了电网故障时限制由定子 电流工频分量引起的转子电流交流分量的改进励磁 控制策略。针对一台 2 MW 商用交流励磁风力发电 机在电网对称和非对称短路故障条件下进行了仿真 对比计算，仿真结果验证了本文所提改进励磁控制 策略的正确性和有效性。 1 电网短路故障时发电机工作状态分析 假设电网三相对称短路故障发生在发电机机 端，发电机定子电压骤降至零。根据磁链守恒原理， 定子短路电流中将出现暂态直流分量，并由此产生 定子磁链暂态直流分量，其初始值与故障前瞬间发 电机的运行状态有关。该定子磁场分量在空间固定 不动，发电机转子以转速切割这一磁场时，转子绕 组中将感应出转速频率电流分量(相对于转子)，并 由此产生转子磁链暂态直流分量(相对于定子)。故 障瞬间转子磁链直流分量和定子磁链直流分量相抵 消，维持转子磁链恒定不变。由于定子磁链直流分 量是自由分量，当故障发生后，在定子电阻作用下， 该分量将逐渐衰减，相应的转子转速频率电流分量 也将衰减，其衰减的速度取决于发电机的参数[18]。 由于故障瞬间转子暂态磁场分量只能经过定子绕组 的漏磁路，因此当定子磁链直流分量较大时，转子 绕组中必然感应出较大的电流才能产生足够的磁链 来平衡定子磁链，这将可能导致转子出现过电流。 如果电网发生不对称短路故障引起发电机定子 电压骤降，定子电压中将出现负序电压分量，则定 子电流中也将含有负序电流分量，并由此产生相应 的定子磁链负序分量。发电机转子切割定子负序磁 场时，转子绕组中将感应出(2-s)倍额定频率的电流 分量(相对于转子)。若定子磁链负序分量以及转子 和定子负序磁场的相对速度较大时，转子绕组中的 (2-s)倍额定频率电流分量将可能较大，这也可能导 致转子出现过电流。 由此可见，定子电压骤降时在定子磁链中引起 的直流分量和负序分量是可能造成转子过电流的重 要原因之一。另一方面，故障过程中发电机定子电 流中的正序分量也可能较大，当发电机转子切割定 子正序磁场时，转子绕组中也将产生较大的转差频 率电流分量，这是可能导致转子出现过电流的另一 个重要原因。为说明定子正序电流较大的原因，本 文以传统“crowbar protection”方案为例进行分析。 根据文献[19]的分析，参照异步电机的分析方 法，将交流励磁发电机等效电路中的 r R s ′ / 分解为 r r R sR s ′ + − (1 ) /′ 、 r U s ′ /  分解为 r r U sU s ′ ′ + − (1 ) /   ，其 中，Rr ′为转子电阻；Ur ′  为转子励磁电压相量；s 为 转差率。可得如图 1 所示的交流励磁发电机等效电 路[19]，设转子电流相量为 r I′ ，则经气隙传递的电磁 功率用转子方的功率表示为 r r 2 em r r Re[ ] R U P I I s s ∗ ′ ′ = −+ ⋅ ′ ′   (1) 根据对 r R s ′ / 、 r U s ′ /  的分解，式(1)又可表示为 2 2 r em r r r (1 )s R P RI I s − ′ = −− + ′ ′ ′ r rr r (1 ) Re[ ] Re[ ] s U UI I s ∗ ∗ − ′ ′ ⋅ ′ ′ + ⋅    (2) 采用传统“crowbar protection”方案时，交流 励磁发电机作感应电机运行，这时发电机的电磁功 率和转子轴上的机械功率可由式(3)和式(4)表示。 2 2 r em r r r (1 )s R P RI I s − ′ =− − ′ ′ ′ (3) r 2 mec r (1 )s R P I s − ′ = − ′ (4) 由于转子上没有励磁电压，则故障时发电机输 入的机械功率仅由式(4)决定。若发电机输入的机械