80 电力系玩自动 化 2007,31(23) 故障为例进行分析。当发电机机端对称短路时，由 0.6~1.5。以额定容量2MW、定子额定电压690V 式(1)可知，在忽略定子电阻的前提下，当定子电压 的发电机为例，旁路电阻取值为1.05即0.25Ω左 降至0时，定子磁链矢量的变化率也为0，这意味着 右时，即可有效降低故障时转子过电流的程度。 定子磁链空间矢量将停止旋转并在空间保持不变。 1.2电压跌落时网侧变换器的控制 由于定子电阻的耗能作用，定子磁链直流分量将会 电压跌落时转子侧变换器己被切除，这时可封 逐渐衰减，其衰减的速度取决于发电机的定、转子漏 锁网侧变换器的脉宽调制(PWM)驱动脉冲，由于网 感和电阻。由于电压跌落瞬间发电机转子仍以高速 侧变换器输入电压减小且这时直流侧电压较高，则 旋转，则定子磁场直流分量将以转速角频率4相对 网侧变换器的电流将减小为0，这将有助于保护网 于转子绕组旋转，此时定子电压空间矢量的正、负序 侧变换器。当故障切除后，网侧变换器输入电压恢 分量均为0，根据式(2)可得故障时定子磁链暂态直 复正常，这时即可重新控制网侧变换器以稳定直流 流分量的最大值平Dcx'和转子电压的最大值Umx' 侧电压，为切除保护电阻时恢复正常励磁控制做好 分别为： 准备。 Vpcmas=Ls 3) 2仿真研究 Ums'=4平cax'=4L 4) 为全面深入研究电网故障时交流励磁发电机及 其励磁电源的运行行为，本文建立了一台2MW交 式中：U,为电网故障前发电机定子相电压的幅值。 流励磁风力发电机系统仿真模型，对电网短路故障 典型的MW级交流励磁风力发电机的转差运 时采用Crowbar保护控制的发电机系统进行了仿 行范围一般为[-0.3,0.3]，转子漏阻抗（本文除特 真计算。 别说明外，所有变量均为标么值)约为0.1~0.2，若 交流励磁发电机系统结构如图1所示，发电机 故障前发电机以最大转速1.3运行，则由式(4)可知 定子侧经升压变压器与风电场母线相连接，转子侧 机端短路故障时发电机转子最大故障电流将达到约 在电压正常时与双PWM变换器相连，在故障过程 6倍~12倍额定电流。若不采取限流措施，则必将 中则与旁路保护电阻相连，控制双向可控硅可实现 出现转子过电流，严重时极易损坏转子侧变换器功 保护电阻的投切。 率器件和直流电容。另一方面，当故障切除后，发电 风电场母线 机定子电压恢复正常，这时发电机的暂态运行行为 7故膝 与电压跌落时类似，其定子磁链中仍将出现暂态直 升压变压器 Yg/△ 流分量，该分量同样可能造成转子过压、过流。对于 发电机母线 电网发生不对称短路故障，除了会引起定子磁链直 e 流分量以外，定子磁链中还将出现负序分量，该分量 双PWM变换器 将以·（ω+4）相对于转子绕组旋转，其同样可能造 交流励磁 成转子过压和过流。 发电机 为限制电压跌落时转子的最大电流，通常的方 风力机 法就是在检测到定子电压骤降时立即将转子侧变换 器与转子回路断开，将转子旁路保护电阻串入转子 回路，这相当于增加了转子的阻抗，因而会有效地降 旁路保护电阻 低在电压跌落和恢复过程中转子回路的最大电流。 图1交流励磁发电机系统结构 电压恢复时，保护电阻仍继续连接转子绕组，限制故 Fig.1 Configuration of AC excited generator system 障切除瞬间转子的最大电流，当定子磁链直流分量 衰减完毕后，切除保护电阻，重新将转子侧变换器连 发电机系统参数如下： 接转子绕组，采用电压正常时的励磁控制策略恢复 1)2MW交流励磁发电机（经绕组折算后）参 发电机正常运行。 数：额定容量2MW,定子额定电压690V/50Hz 为有效实现发电机的保护控制，应合理选取保 定转子绕组Y,y连接，极对数2，定转子匝比 护电阻的阻值，保护电阻的阻值太小将无法有效限 0.45,定子电阻0.00488，定子漏感0.1386，转子电 制最大电流，阻值太大则可能引起转子过电压，损坏 阻0.00549，转子漏感0.1493，定、转子互感 转子绕组。本文中旁路电阻的取值范围选为 3.9527,转动惯量时间常数3.5s。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net故障为例进行分析。当发电机机端对称短路时 ,由 式(1) 可知 ,在忽略定子电阻的前提下 ,当定子电压 降至 0 时 ,定子磁链矢量的变化率也为 0 ,这意味着 定子磁链空间矢量将停止旋转并在空间保持不变。 由于定子电阻的耗能作用 ,定子磁链直流分量将会 逐渐衰减 ,其衰减的速度取决于发电机的定、转子漏 感和电阻。由于电压跌落瞬间发电机转子仍以高速 旋转 ,则定子磁场直流分量将以转速角频率ωr 相对 于转子绕组旋转 ,此时定子电压空间矢量的正、负序 分量均为 0 ,根据式(2) 可得故障时定子磁链暂态直 流分量的最大值 ΨsDCmax′和转子电压的最大值 Urmax′ 分别为 : ΨsDCmax′= Us ω (3) Urmax′= ωrΨsDCmax′= ωr Us ω (4) 式中 :Us 为电网故障前发电机定子相电压的幅值。 典型的 MW 级交流励磁风力发电机的转差运 行范围一般为[ - 013 ,013 ] ,转子漏阻抗 (本文除特 别说明外 ,所有变量均为标幺值) 约为 011～012 ,若 故障前发电机以最大转速 113 运行 ,则由式(4) 可知 机端短路故障时发电机转子最大故障电流将达到约 6 倍～12 倍额定电流。若不采取限流措施 ,则必将 出现转子过电流 ,严重时极易损坏转子侧变换器功 率器件和直流电容。另一方面 ,当故障切除后 ,发电 机定子电压恢复正常 ,这时发电机的暂态运行行为 与电压跌落时类似 ,其定子磁链中仍将出现暂态直 流分量 ,该分量同样可能造成转子过压、过流。对于 电网发生不对称短路故障 ,除了会引起定子磁链直 流分量以外 ,定子磁链中还将出现负序分量 ,该分量 将以 - (ω+ωr ) 相对于转子绕组旋转 ,其同样可能造 成转子过压和过流。 为限制电压跌落时转子的最大电流 ,通常的方 法就是在检测到定子电压骤降时立即将转子侧变换 器与转子回路断开 ,将转子旁路保护电阻串入转子 回路 ,这相当于增加了转子的阻抗 ,因而会有效地降 低在电压跌落和恢复过程中转子回路的最大电流。 电压恢复时 ,保护电阻仍继续连接转子绕组 ,限制故 障切除瞬间转子的最大电流 ,当定子磁链直流分量 衰减完毕后 ,切除保护电阻 ,重新将转子侧变换器连 接转子绕组 ,采用电压正常时的励磁控制策略恢复 发电机正常运行。 为有效实现发电机的保护控制 ,应合理选取保 护电阻的阻值 ,保护电阻的阻值太小将无法有效限 制最大电流 ,阻值太大则可能引起转子过电压 ,损坏 转子 绕 组。本 文 中 旁 路 电 阻 的 取 值 范 围 选 为 016～115。以额定容量 2 MW、定子额定电压690 V 的发电机为例 ,旁路电阻取值为 1105 即0125 Ω左 右时 ,即可有效降低故障时转子过电流的程度。 1. 2 电压跌落时网侧变换器的控制 电压跌落时转子侧变换器已被切除 ,这时可封 锁网侧变换器的脉宽调制(PWM) 驱动脉冲 ,由于网 侧变换器输入电压减小且这时直流侧电压较高 ,则 网侧变换器的电流将减小为 0 ,这将有助于保护网 侧变换器。当故障切除后 ,网侧变换器输入电压恢 复正常 ,这时即可重新控制网侧变换器以稳定直流 侧电压 ,为切除保护电阻时恢复正常励磁控制做好 准备。 2 仿真研究 为全面深入研究电网故障时交流励磁发电机及 其励磁电源的运行行为 ,本文建立了一台 2 MW 交 流励磁风力发电机系统仿真模型 ,对电网短路故障 时采用 Crowbar 保护控制的发电机系统进行了仿 真计算。 交流励磁发电机系统结构如图 1 所示 ,发电机 定子侧经升压变压器与风电场母线相连接 ,转子侧 在电压正常时与双 PWM 变换器相连 ,在故障过程 中则与旁路保护电阻相连 ,控制双向可控硅可实现 保护电阻的投切。 图 1 交流励磁发电机系统结构 Fig. 1 Configuration of AC excited generator system 发电机系统参数如下 : 1) 2 MW 交流励磁发电机 (经绕组折算后) 参 数 :额定容量 2 MW ,定子额定电压 690 V/ 50 Hz , 定、转子绕组 Y , y 连接 , 极对数 2 , 定转子匝比 0145 ,定子电阻 01004 88 ,定子漏感 01138 6 ,转子电 阻 01 005 49 , 转 子 漏 感 01149 3 , 定、转 子 互 感 31952 7 ,转动惯量时间常数 315 s。 80 2007 , 31 (23)