66 中国电机工程学报 第27卷 功率较大，由于故障过程中定子电压减小，必将导 电机转子轴上的等效总机械功率，其值等于电路中等 致故障过程中定子正序电流增大。 效电阻(1-s)R/s和等效电源(1-s)U/2所产生的 采用传统“crowbar protection”方案时，根据 功率之和，即 异步发电机的无功一电压特性，当机端电压下降超 R+Rea-s)i. (5) 过一定范围后，发电机从电网吸收的无功功率随电 压降低而急剧增大，由于系统无功电源的无功特性 由式（⑤）可知，如果能够在故障过程中恰当地控 随电压降低而减小，则将出现因系统无功不足而使 制转子励磁电压，则将有可能减小发电机输入的 系统电压进一步下降，严重时将可能导致电压崩溃。 等效机械功率，从而减小发电机电磁功率和定子有 另一方面，从电网故障切除到发电机重新恢复正常 功功率，达到限制定子电流和相应转子电流的目的。 运行的过程中，发电机仍作异步发电运行，发电机 如果故障过程中风力机输出功率保持不变，则多余 能否在故障切除后恢复稳定运行将取决于故障切除 的机械功率将转化为转子动能使转子加速，考虑到 时发电机和原动机的运行状态以及故障切除时间。 故障过程十分短暂以及电机具有较大的转动惯量， 若故障切除较晚，则故障切除时发电机输出的有功 发电机的转速在故障期间变化很小。 功率将可能低于原动机输出的机械功率，过剩的功 因此，本文从限制电网故障时定子工频过电流 率将促使发电机转子继续加速，严重时将可能导致 的角度出发，提出限制由定子工频分量引起的转子 机组解列，这将不利于系统受到大扰动后保持暂态 电流交流分量的改进控制策略：①以限制转子转差 稳定。 频率电流为目标，形成合适的转子励磁电压正序控 制信号，可减小定子工频正序电流和相应的转子转 差频率电流：②以限制转子(2-S)倍额定频率电流为 -s)R'ls 目标，形成合适的转子励磁电压负序控制信号，可 减小定子工频负序电流和相应的转子电流。 在以下的分析中，上标r表示以转子旋转轴系 -s) 为参考坐标轴系；上标S表示以定子静止轴系为参 考坐标轴系：上标1表示经正向同步旋转坐标变 图1 交流励磁发电机等效电路 Fig.1 Equivalent circuit ofACEG 换；上标-表示经反向同步旋转坐标变换：上标 P表示正序分量：上标N表示负序分量：下标r表 2 电网短路故障时发电机的改进控制策略 示转子方物理量。 根据上节的分析，电网故障时发电机的定子电 假设电网发生不对称短路故障，励磁控制器检 流中包含直流分量、正序分量和负序分量（不对称故 测转子电流合成得到转子轴系下的转子电流空间矢 障时出现)，这些电流分量的共同作用将造成转子出 量为 现过电流。对于实际的电网故障而言，转子过电流 2 i。+icw+ic0)=1e4 (6) 的程度与电网故障类型、故障地点以及故障过程中 励磁控制或保护的具体措施等因素有关。实际上， 式中：ia、 ib、ie分别为转子三相瞬时电流：I,为转 短路故障若发生在线路上，发电机定子磁链暂态直 子电流空间矢量的幅值：0为转子电流空间矢量在 流分量和转子转速频率过电流将小于机端短路故 转子轴系下的位置角。 障。因此，可以考虑利用发电机定子电阻的作用， 转子电流空间矢量与检测到的转子位置角A进 让定子磁链暂态直流分量自由衰减，同时利用其他 行旋转变换后可得到转子电流在定子静止α、轴系 控制方法，限制故障过程中较大的定子电流其他分 下的分量Ia和IB,即 量以避免转子过电流。 Is=Ifei.Ti+ili (7) 根据第1节的分析和式(2)可知，电磁功率中的 。和I。中含有直流分量、正序和负序分量， R心'·i]项对应发电机转子上由励磁系统输入到 经过截至频率为50Hz的带通滤波器后，直流分量 转子方的总电功率，R2项对应转子绕组的铜耗， 被滤除，仅剩下含有正序和负序分量的。c和 则式(2)中电磁功率的余下部分项就对应交流励磁发 IBAc,这时的转子电流空间矢量可表示为 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net66 中 国 电 机 工 程 学 报 第 27 卷 功率较大，由于故障过程中定子电压减小，必将导 致故障过程中定子正序电流增大。 采用传统“crowbar protection”方案时，根据 异步发电机的无功－电压特性，当机端电压下降超 过一定范围后，发电机从电网吸收的无功功率随电 压降低而急剧增大，由于系统无功电源的无功特性 随电压降低而减小，则将出现因系统无功不足而使 系统电压进一步下降，严重时将可能导致电压崩溃。 另一方面，从电网故障切除到发电机重新恢复正常 运行的过程中，发电机仍作异步发电运行，发电机 能否在故障切除后恢复稳定运行将取决于故障切除 时发电机和原动机的运行状态以及故障切除时间。 若故障切除较晚，则故障切除时发电机输出的有功 功率将可能低于原动机输出的机械功率，过剩的功 率将促使发电机转子继续加速，严重时将可能导致 机组解列，这将不利于系统受到大扰动后保持暂态 稳定。 + Rs Xsσ Is I′r R′r U′r X′rσ Im Xm Us Pcur Pmec (1−s)R′r/s (1−s)U′r/s −Es=−E′r . . . . . . . − + − . 图 1 交流励磁发电机等效电路 Fig. 1 Equivalent circuit of ACEG 2 电网短路故障时发电机的改进控制策略 根据上节的分析，电网故障时发电机的定子电 流中包含直流分量、正序分量和负序分量(不对称故 障时出现)，这些电流分量的共同作用将造成转子出 现过电流。对于实际的电网故障而言，转子过电流 的程度与电网故障类型、故障地点以及故障过程中 励磁控制或保护的具体措施等因素有关。实际上， 短路故障若发生在线路上，发电机定子磁链暂态直 流分量和转子转速频率过电流将小于机端短路故 障。因此，可以考虑利用发电机定子电阻的作用， 让定子磁链暂态直流分量自由衰减，同时利用其他 控制方法，限制故障过程中较大的定子电流其他分 量以避免转子过电流。 根据第 1 节的分析和式(2)可知，电磁功率中的 Re[ ] U I r r ∗ ′ ′ ⋅   项对应发电机转子上由励磁系统输入到 转子方的总电功率， 2 R Ir r ′ ′ 项对应转子绕组的铜耗， 则式(2)中电磁功率的余下部分项就对应交流励磁发 电机转子轴上的等效总机械功率，其值等于电路中等 效电阻 r (1 ) / − s R s ′ 和等效电源 r (1 ) / 2 − s U′  所产生的 功率之和，即 r r 2 mec r r (1 ) (1 ) Re[ ] sR sU P I I s s ∗ − − ′ ′ = −+ ⋅ ′ ′   (5) 由式(5)可知，如果能够在故障过程中恰当地控 制转子励磁电压Ur ′  ，则将有可能减小发电机输入的 等效机械功率，从而减小发电机电磁功率和定子有 功功率，达到限制定子电流和相应转子电流的目的。 如果故障过程中风力机输出功率保持不变，则多余 的机械功率将转化为转子动能使转子加速，考虑到 故障过程十分短暂以及电机具有较大的转动惯量， 发电机的转速在故障期间变化很小。 因此，本文从限制电网故障时定子工频过电流 的角度出发，提出限制由定子工频分量引起的转子 电流交流分量的改进控制策略：①以限制转子转差 频率电流为目标，形成合适的转子励磁电压正序控 制信号，可减小定子工频正序电流和相应的转子转 差频率电流；②以限制转子(2-s)倍额定频率电流为 目标，形成合适的转子励磁电压负序控制信号，可 减小定子工频负序电流和相应的转子电流。 在以下的分析中，上标 r 表示以转子旋转轴系 为参考坐标轴系；上标 s 表示以定子静止轴系为参 考坐标轴系；上标ωt 表示经正向同步旋转坐标变 换；上标−ωt 表示经反向同步旋转坐标变换；上标 P 表示正序分量；上标 N 表示负序分量；下标 r 表 示转子方物理量。 假设电网发生不对称短路故障，励磁控制器检 测转子电流合成得到转子轴系下的转子电流空间矢 量为 r r j120 j240 j r ra rb rc r 2 ( e e) e 3 ii i I θ =++ = D D I (6) 式中：ira、irb、irc分别为转子三相瞬时电流；Ir为转 子电流空间矢量的幅值；θ r为转子电流空间矢量在 转子轴系下的位置角。 转子电流空间矢量与检测到的转子位置角θn进 行旋转变换后可得到转子电流在定子静止α、β轴系 下的分量 s rα I 和 s r β I ，即 n sr s s j rr r r e j I I θ = =+ α β I I (7) s r I α 和 s r I β 中含有直流分量、正序和负序分量， 经过截至频率为 50 Hz 的带通滤波器后，直流分量 被滤除，仅剩下含有正序和负序分量的 s r AC I α 和 s r AC I β ，这时的转子电流空间矢量可表示为