学术︱含双馈风电机组的电力系统故障计算方法研究
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强电磁与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、国网湖北省电力公司的研究人员肖繁、张哲、尹项根等，在2016年第1期《电工技术学报》上撰文指出，双馈风电机组馈出的短路电流特性极其复杂，传统以交流同步电机供电电源为基础的电网故障分析方法不能适用于含双馈电源的电网短路计算。
根据双馈机组低压穿越运行的技术要求，在电网对称故障和不对称故障条件下，建立了计及其励磁调节特性影响的短路电流计算模型。在此基础上，基于对称分量法建立了含多双馈机组接入的电网各序等效电路，通过对电网电势方程、故障边界条件方程和双馈机组短路计算模型方程进行迭代求解，计算电网各支路的故障电流和各节点电压。与仿真算例的对比结果表明，该短路电流计算方法计算准确度高，可较好地满足工程应用要求。
电网短路电流计算是继电保护整定计算、电网运行控制和设备选型的重要基础。近年来，为了减少对化石能源的过度消耗，实现经济、社会、生态的协调可持续发展，风力发电技术得到了广泛应用。
风电机组规模化接入电力系统后，由于其馈出的短路电流特性与传统交流电机存在较大差异，因此，以交流同步电机供电电源为基础的传统电网故障分析方法已不能满足含风电电源的电网短路计算的要求，这已成为当前亟待解决的重要问题。
风电机组根据其基本工作原理，可分为双馈型风电机组（DFIG）和直驱式风电机组两种基本类型，后者由于通过逆变器与电网互联，故也可称为逆变型电源（inverter interfaced distributed generator, IIDG）。迄今，国内外学者针对风电机组故障特性和短路电流计算方法开展了多方面的研究工作。
在逆变型电源分析方面，文献[1]根据正常并网运行控制策略，将IIDG划分为不同类型节点，利用前推回推故障分析方法求取各IIDG故障电流。文献[2]针对含IIDG 的复杂配电网，考虑了各IIDG间的耦合，提出含IIDG的配电网故障分析方法。但逆变型电源的短路电流特性与双馈机组存在较大差异，以上分析方法并不适用于含双馈机组的电网短路电流计算。
在含双馈机组的电网故障特性分析方面，由于DFIG本体撬棒保护的动作行为对其馈出的短路电流特性有较大影响，因此，相关研究从考虑DFIG撬棒保护动作和计及DFIG励磁调节特性影响两方面分别展开。
文献[3]采用空间矢量方法推导了电网发生三相短路且撬棒保护动作后，DFIG的短路电流解析表达式，并与普通异步电机模型进行了对比分析；文献[4]基于对普通感应发电机短路电流的分析，给出了DFIG 最大短路电流的计算方法，并分析了撬棒电阻的阻值对短路电流的影响。
文献[5,6]提出了改进的低电压穿越控制策略，在考虑DFIG提供无功支撑的条件下，实现DFIG的不脱网运行。文献[7]对不同机端电压跌落情况下DFIG 的故障过程进行了研究，但其重点针对的是转子电流的故障特性分析。文献[9,10]将DFIG 等效为电压源和阻抗串联的模型，对电网进行故障分析研究，但这种简化等效有待商榷，可能产生较大误差。
综上，虽然针对双馈电机故障特性开展了多方面的研究工作，但主要针对三相对称短路，或者假设撬棒保护动作的这种简单故障形式，没有考虑更为复杂的不对称短路情况以及DFIG低压穿越运行控制策略的影响。此外，如何建立含双馈机组的电网短路电流计算模型也是当前亟待解决的重要问题。
基于此，本文根据DFIG低电压穿越运行控制策略的技术特点，针对三相对称故障和不对称短路故障，分别建立了计及DFIG励磁调节特性影响的短路计算等效模型；在此基础上，提出了一种通过对电网节点电压方程、故障边界条件方程和双馈机组短路计算模型方程进行迭代求解的电网短路电流计算方法，以实现对含多双馈风电机组接入的电网故障分析研究。最后，通过仿真算例，验证了所提出的短路计算方法的正确性。
图1 DFIG低电压穿越励磁控制策略框图
结论
双馈风电机组馈出的短路电流特性与交流同步电机存在较大差异，这使得以交流同步电机供电电源为基础的传统电网故障分析方法不能直接应用于含双馈电源的电网短路计算。本文以控制定子负序电流的DFIG低电压穿越控制策略为例，建立了计及DFIG励磁调节特性影响的短路计算等效模型。
研究表明，无论是对称短路还是不对称短路，DFIG均可用正序受控电流源表征，而不包含负序和零序电流分量。由于受控电流源的大小和相位与DFIG接入节点的电压存在复杂的非线性关系，因此，难以像传统方法一样直接通过解析方法进行求解。针对此问题，提出了一种通过对电网节点电压方程、故障边界条件方程和双馈机组短路计算模型方程进行迭代求解的电网短路故障计算新方法。
仿真结果表明：文章所提方法不仅计算速度快且计算精度高，可较好满足含大规模双馈风电机组接入的电网短路计算和保护整定计算的应用要求。
对于采用其他控制策略的双馈风电机组，本文所提出的电网故障计算方法也同样适用，只是需对机组短路计算模型进行调整。
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