低电压故障对直接耦合型风电机组的影响及处理方法

对于直接耦合型风电系统，发电机与电网直接相连，其短时过电流和过电压能力较强，低电压故障下，一般不需要考虑发电机的瞬时过电压和过电流保护问题；而需要重点考虑故障过程中风电系统的动态稳定及电力系统的电压稳定性问题。

图6-2 笼型异步发电机的T形等效电路

由于不需要考虑瞬态特性，低电压故障对直接耦合型风电机组的影响可基于其稳态模型进行分析。由3.1.2.1节的相关知识可知，笼型异步发电机的正序T形等效电路如图6-2所示。一般，发电机的励磁阻抗X_m较大，忽略其影响，发电机的电磁转矩可以表示为[3]

式中，p_n为极对数；ω_s为同步旋转电角速度；X为感抗。可见，异步发电机的电磁转矩与定子电压及角速度有关，不同定子电压下，异步发电机的转矩-角速度特性曲线如图6-3所示。正常工作时，异步发电机的转差率范围较小，一般维持在-0.01～0之间。

由图6-2可知，笼型异步发电机在并网运行过程中，需要从电网吸收无功功率进行励磁，所需励磁无功功率可近似表示为

图6-3 笼型异步发电机的转矩-角速度特性曲线

图6-4 笼型异步电机的无功功率_- 转差率特性曲线(www.xing528.com)

不同定子电压条件下，异步发电机所需的无功功率与转差率之间的关系如图6-4所示^[4]。可见，定子电压一定的条件下，发电机吸收的无功功率随转差率绝对值的增大而增大。

根据图6-3和图6-4所示的发电机静态特性，可分析电网故障对定速风电机组的影响。图6-3中，曲线T_WT为风力机的机械转矩-角速度曲线，由风力机的空气动力学特性决定，在图中所示的转速范围内，风力机机械转矩变化不大，因而曲线T_WT近似为与橫轴平行的直线。正常工作时，若电网电压为1pu，额定风速下运行至稳态时，发电机电磁转矩等于风力机机械转矩，风电系统运行于图6-3中的A点；当电网发生故障时，定子电压下降，由图6-3可知，发电机转矩特性下移，由于风力机的机械转矩几乎不变，在不平衡转矩的作用下，发电机不断加速，但由于风力机惯性较大，加速过程较缓慢。若定子电压跌落深度较浅，例如故障后定子电压为0.7pu，由图6-3可知，故障后发电机电磁转矩运行于B点而风力机机械转矩仍位于A点，在风力机的带动下，发电机加速运行，电磁转矩特性沿图中BC曲线变化。当发电机角速度从ω_r1增加到ω_r2后，其电磁转矩与风力机机械转矩重新平衡，系统稳定运行于C点。若定子电压跌落深度较深，例如故障后定子电压为0.4pu，由图6-3可知，由于发电机最大电磁转矩低于风力机机械转矩，发电机一直加速运行直到故障切除或电网电压恢复。如果电网电压恢复至正常水平后，发电机转速低于图6-3中E点所对应的临界角速度ω_rm，则在电磁转矩的作用下，风力机减速运行，发电机电磁转矩特性沿图中EA曲线变化直至稳态于A点；若电网电压恢复后风力机角速度高于临界角速度ω_rm，则在风力机机械转矩的作用下，发电机不断加速，直至超速保护动作将风电机组从电网切除^[5，6]。从故障发生至风机加速到临界转速所需的时间称为临界切除时间（Critical Clearing Time，CCT）。可见，只要故障持续时间不超过CCT，异步发电机都是动态稳定的。

同时，由图6-4可知，电压跌落期间，发电机转速（转差率）的增加会导致机组从电网吸收更多的无功功率，这不利于电网电压的稳定，严重时甚至会导致电网电压的崩溃。此外，由于机组从电网吸收大量无功功率，当故障切除时，发电机端电压往往不能快速恢复至正常水平，由图6-3所示，这将导致临界角速度ω_rm减小，进而降低风电系统的动态稳定裕度。

三相短路故障条件下，定速风电机组动态响应的仿真结果如图6-5所示。仿真中，系统参数参见附录B表B-7。三相对称短路故障发生在t=10s时，电压跌落深度为80%，故障持续时间为625ms。由图6-5可知，故障后风力机的机械功率基本不变，而发电机定子侧输出有功功率明显降低，过剩有功功率使发电机加速。故障切除后，发电机转速较高，其从电网吸收的无功功率比故障前更多，导致定子电压无法恢复至正常水平，出现了电压崩溃。同时，由于故障切除后定子电压仍然比较低，有功功率仍不能有效输出，使得临界转速降低。仿真中，故障切除时发电机转速已超过临界转速，因此，故障切除后发电机继续加速，直至超速保护动作将风电机组从电网中切除。

图6-5 三相短路故障下无任何控制时定速风电机组动态响应

当电网发生不对称故障时，发电机定子电压还将含有负序分量，负序电压作用下，笼型异步发电机的负序T形等效电路如图6-6所示[7]。与图6-2中不同，负序模型中转子等效电阻为R′_r/（2-s）。由于正常运行时定速风力机的转差率较小，故负序模型中转子等效电阻的阻值远小于正序模型中的阻值（R′_r/s）。因而，与正序模型相比，定子电压中较小的负序分量都会导致较大的负序定子电流。负序电流会导致发电机绕组的发热不均，同时引发发电机电磁转矩脉动，增加传动链的机械应力，降低机械部件的寿命。为防止过大的转矩脉动损坏机械部件，风电机组一般会设置振动保护装置，在检测到风电机组振动过大时，将风电机组从电网中切出。定子电压不平衡度δ（正负序电压分量的幅值之比）与定子负序电流的关系及负序电流所引起的电磁转矩脉动如图6-7所示^[6]。由6-7a可知，5%的电压不平衡度会产生30%的负序电流，即风电机组对不平衡电压较敏感；由图6-7b进一步可知，电压不对称条件下，发电机电磁转矩会产生较大的振荡。因此，对于定速风电机组，当电网发生不对称故障时，除了需要考虑系统的动态稳定和电压稳定性外，还需要考虑负序电压对机组的不利影响。

图6-6 笼型异步发电机的负序T形等效电路

图6-7 不对称电压下定速风电机组的实验结果