电网故障特征与直驱式风力发电机组故障穿越问题分析

7.5.1.1　电网故障特征

电网故障分为对称故障和不对称故障。

电网对称故障为三相接地短路，其故障特征为电网电压（正序分量）有效值下降，其下降程度与故障点和公共耦合点的距离有关。

电网不对称故障包括单相接地短路、两相接地短路和相间短路3类。在不对称故障情况下，三相电压值会按照不同规律发生改变，但存在一个共同的规律，即电网电压会产生负序分量，同时正序分量有效值下降。因此，不对称故障除包含对称故障电压下降的特征之外还会产生负序分量。

直驱式风力发电机组的功率分析表明：故障情况下，电网电压正序分量会下降并产生负序分量，将故障穿越控制方法按照这两个故障特征进行总结和分类，而不是简单地直接按照对称故障和不对称故障进行分类。

7.5.1.2　直驱式风力发电机组故障穿越面临的问题

1.电网电压正序分量降低

在不考虑损耗的情况下，风力机输出的机械功率Pm、发电机输出的电磁功率Pe和风力发电机组的并网功率Pg满足

式中　J——风力机和发电机转动惯量之和；

ω——发电机的机械角速度；

C——直流母线电容；

udc——直流母线电压。

稳态时

Pm=Pe=Pg

这时发电机转速恒定，直流母线电压也稳定。

电网对称故障或不对称故障均会使电网电压正序分量有效值降低。当电网电压跌落时，由于网侧换流器的输出电流限制，风力发电机组并网输出功率Pg将减小，假设故障瞬间风速不变，发电机的转速也不变，那么风力发电机组输入机械功率Pm不变，如果发电机的输出电磁功率Pe也不变，将导致风力发电机组的输入、输出有功功率不平衡，产生不平衡功率ΔP

式中　J——风力机和发电机转动惯量之和；

ω——发电机的机械角速度；

C——直流母线电容；

udc——直流母线电压。

稳态时

Pm=Pe=Pg

这时发电机转速恒定，直流母线电压也稳定。

电网对称故障或不对称故障均会使电网电压正序分量有效值降低。当电网电压跌落时，由于网侧换流器的输出电流限制，风力发电机组并网输出功率Pg将减小，假设故障瞬间风速不变，发电机的转速也不变，那么风力发电机组输入机械功率Pm不变，如果发电机的输出电磁功率Pe也不变，将导致风力发电机组的输入、输出有功功率不平衡，产生不平衡功率ΔP

由式（7-15）可知，不平衡功率ΔP将导致直流母线电压udc上升。如果网侧换流器不采取限流措施将会使输出电流增大。当直流母线电压超过电容的耐压值、电流超过功率器件的耐流值时风力发电机组就会自动切机，无法实现故障穿越。

因此，针对电网电压正序分量降低时“有功不平衡”产生的直流母线电压上升、输出电流增大的问题，解决的措施是消除不平衡功率ΔP来提高故障穿越能力。

2.电网电压产生负序分量

电网不对称故障情况下，除正序分量有效值下降外还会产生负序分量。负序电压分量的存在将会在网侧电流中产生负序电流和谐波分量，还会引起并网功率的波动。在dq轴系下进行分析时，分别将电网电压、电流的正、负序分量变换到正、负序dq轴系，可得到正、负序分量分别在正、负序dq轴上的直流分量。不对称电网电压在正序dq轴系的变换结果可表示为

由式（7-15）可知，不平衡功率ΔP将导致直流母线电压udc上升。如果网侧换流器不采取限流措施将会使输出电流增大。当直流母线电压超过电容的耐压值、电流超过功率器件的耐流值时风力发电机组就会自动切机，无法实现故障穿越。

因此，针对电网电压正序分量降低时“有功不平衡”产生的直流母线电压上升、输出电流增大的问题，解决的措施是消除不平衡功率ΔP来提高故障穿越能力。

2.电网电压产生负序分量(www.xing528.com)

电网不对称故障情况下，除正序分量有效值下降外还会产生负序分量。负序电压分量的存在将会在网侧电流中产生负序电流和谐波分量，还会引起并网功率的波动。在dq轴系下进行分析时，分别将电网电压、电流的正、负序分量变换到正、负序dq轴系，可得到正、负序分量分别在正、负序dq轴上的直流分量。不对称电网电压在正序dq轴系的变换结果可表示为

式中　ed、eq——含负序分量的电压直接变换到正序dq轴系的d、q轴分量；

edp、eqp——电网电压正序分量的正序dq轴系变换结果；

edn、eqn——电网电压负序分量的负序dq轴系变换结果。

从式（7-17）可以看出，负序电压分量在正序dq轴系下含有2倍工频分量。在常规的dq轴电流控制中，dq轴的2倍工频电压分量会被引入到参考电流，其表达式为

式中　ed、eq——含负序分量的电压直接变换到正序dq轴系的d、q轴分量；

edp、eqp——电网电压正序分量的正序dq轴系变换结果；

edn、eqn——电网电压负序分量的负序dq轴系变换结果。

从式（7-17）可以看出，负序电压分量在正序dq轴系下含有2倍工频分量。在常规的dq轴电流控制中，dq轴的2倍工频电压分量会被引入到参考电流，其表达式为

式中　Pref、Qref——功率参考信号；

idref、iqref——根据功率参考信号Pref、Qref得到的电流参考信号。

将式（7-18）展开，dq轴参考电流含有2次及以上谐波，那么根据畸变的参考信号控制得到的实际三相电流将会含有负序分量以及谐波分量。这说明电压负序分量将会导致电流不对称和畸变。当电网电压不对称时，由于电流中也同时含有负序分量，并网有功Pg和无功Qg也可采用dq轴分量表示为

式中　Pref、Qref——功率参考信号；

idref、iqref——根据功率参考信号Pref、Qref得到的电流参考信号。

将式（7-18）展开，dq轴参考电流含有2次及以上谐波，那么根据畸变的参考信号控制得到的实际三相电流将会含有负序分量以及谐波分量。这说明电压负序分量将会导致电流不对称和畸变。当电网电压不对称时，由于电流中也同时含有负序分量，并网有功Pg和无功Qg也可采用dq轴分量表示为

式中　Pg0、Qg0——并网有功功率、无功功率的直流分量；

Pgcos、Pgsin——2倍工频波动分量峰值的正弦、余弦分量；

idp、iqp——电网电流正序分量的正序dq轴系变换结果；

idn、iqn——电网电流负序分量的负序dq轴系变换结果。

从式（7-19）可以看出，并网有功功率除直流分量Pg0外，还含有2倍工频的波动分量，其峰值Pg2由式（7-19）中有功正弦和余弦分量共同决定，为

式中　Pg0、Qg0——并网有功功率、无功功率的直流分量；

Pgcos、Pgsin——2倍工频波动分量峰值的正弦、余弦分量；

idp、iqp——电网电流正序分量的正序dq轴系变换结果；

idn、iqn——电网电流负序分量的负序dq轴系变换结果。

从式（7-19）可以看出，并网有功功率除直流分量Pg0外，还含有2倍工频的波动分量，其峰值Pg2由式（7-19）中有功正弦和余弦分量共同决定，为

由于并网有功功率存在波动，从式（7-15）可知，交—直—交变流器的直流母线电压将会产生2次工频纹波。当直流母线电压波动过大时将导致风力发电机切机。

从上述分析可知，电网故障下的电压负序分量在常规电流控制方式下将导致并网电流产生负序分量。由于电压、电流均存在正、负序分量，将产生式（7-19）的“功率波动”问题。根据交流侧和直流侧的功率平衡，交流侧的功率波动会导致直流母线电压2倍工频波动。因此不对称情况下直驱式风力发电机组故障穿越将面临“功率波动”、并网电流中产生电流负序分量和直流母线电压2倍工频纹波等问题。

由于并网有功功率存在波动，从式（7-15）可知，交—直—交变流器的直流母线电压将会产生2次工频纹波。当直流母线电压波动过大时将导致风力发电机切机。

从上述分析可知，电网故障下的电压负序分量在常规电流控制方式下将导致并网电流产生负序分量。由于电压、电流均存在正、负序分量，将产生式（7-19）的“功率波动”问题。根据交流侧和直流侧的功率平衡，交流侧的功率波动会导致直流母线电压2倍工频波动。因此不对称情况下直驱式风力发电机组故障穿越将面临“功率波动”、并网电流中产生电流负序分量和直流母线电压2倍工频纹波等问题。