昆明理工大学科研团队在双馈风机短路电流分析上取得新成果

随着经济的快速发展，传统能源的短板日益明显，需要寻找新的可替代能源，在这样的大趋势下，风能及太阳能等绿色可再生能源逐渐成为发展的重点。而其中风能作为一种可再生的无污染的清洁能源，在世界各地得到了大力发展应用，成为各国能源结构中不可或缺的部分。

双馈式感应发电机具有调节快速、解耦的有功无功功率控制、变速恒频运行、造价低廉等优点，成为目前较为常用的主流机型。但是定子侧对于电网故障的感受能力很强，在机端电压骤降时，会引起风电机组转子侧的大电流和过电压。由于变流器容量小，难以承受高电压大电流，会造成风电机组脱网，随着风电机组并网容量的提高，可能会引起系统潮流的大范围波动，甚至崩溃。

图1 双馈风机模型

目前，双馈式风电机组对于过电流、过电压的保护主要采用Crowbar保护电路，该电路能够有效地提高风机的低电压穿越能力。但是相关文献在研究过程中，对双馈风机故障后的暂态特性进行了非常深入的研究，并对撬棒保护电路投入后定转子电流表达式进行了推导，同时还分析了影响短路电流的多种因素。但多是针对传统的电阻式撬棒进行解析推导，而对新型的阻容式撬棒短路电流的推导文献较少。大多是从理论方面分析，鲜有文献进行解析式的推导，暂未有文献对考虑阻容式撬棒动作时间的短路电流解析式进行推导。

针对上述问题，昆明理工大学电力工程学院的研究人员杨兴雄、束洪春 等，在2021年第22期《电工技术学报》上撰文，首先从机理和磁链角度出发，分析机端电压跌落时双馈式感应发电机短路电流特性。在此基础上，研究电阻串联电容的阻容式撬棒电路对短路电流的影响，并综合考虑撬棒动作时间，将故障过程分为两个阶段。以转子暂态磁链作为连接两个阶段的纽带，对计及阻容式撬棒投入时间的定转子短路电流解析式进行推导，结合解析式并从消除转子短路电流暂态直流分量角度考虑推出电容的表达式。

图2 改进撬棒电路结构

研究人员在Matlab/Simulink平台上搭建1.5MW双馈风机动态模型，对短路电流解析式的正确性以及阻容式撬棒在抑制转子浪涌电流、改善无功功率吸收、滤除转子侧故障电流直流分量等方面的有效性进行验证。

图3 仿真系统等效电路

他们得到以下结论：

1）采用故障分量法及拉式变换法推导得到电网发生三相电压跌落故障时，计及阻容式撬棒动作时间的定转子短路电流表达式，并分析了不同动作时间对短路电流的影响。据此表达式可以从消除直流分量、抑制浪涌电流等方面考虑设计具体的撬棒参数。

2）通过对短路电流表达式及仿真的分析，投入阻容式撬棒后，定子短路电流主要是基频稳态分量、衰减直流分量，转子短路电流主要是差频分量、衰减转速频率分量。同时，仿真分析发现，新型阻容式撬棒能更有效地抑制转子浪涌电流、减少无功功率的吸收、消除转子短路电流中的直流分量以及该直流在定子侧产生的衰减转速频率分量，提高了风机低电压穿越能力，并改善了双馈风机的频偏特性。