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摘要：作为一种重要控制技术，低电压穿越技术对于保证双馈式风力发电机运行的安全性和可靠性具有重要作用。本文首先介绍了双馈式发电机的结构组成和低电压特性，然后具体探讨了风机的低电压穿越技术，以期为相关技术与研究人员提供参考。
关键词：双馈式；风力发电机；低电压穿越技术
在风力发电机机组内，当系统电压出现微小跌落式，原有控制方法会使机组自动同电网解裂，以避免设备发生事故。然而因风电穿透功率的不断增加，电网在出现电压跌落时，原有的控制方式会造成系统失去一些电源，继而引发更为剧烈的电压跌落，更多机组会退出工作系统，最终造成电网状态的破坏。低电压穿越就是指在系统电压出现跌落后，机组在保证设备无损坏的同时，不再通过与电网解裂，而是向系统提供定量的无功支持以促进系统电压恢复的过程。因此，加强有关机组低压穿越技术的探讨，对于改善机组的运行质量具有重要的现实意义。
一、双馈式发电机的结构组成及低电压特性
1、结构组成
双馈式异步发电机的定子侧同电网直接连接，转子侧采用三相堆成绕组，通过交-直-交变频器连接到电网上，以向发电机提供交流励磁。转子励磁的电流频率、相位及幅值等都可以进行调整。风力发电机组利用变桨系统使风能转换为机械能，再通过发电机及齿轮箱等转化为电能，利用变频器对转子励磁进行控制以完成风机变速恒频的发电过程。[1]
2、低电压特性
低电压穿越不仅能保证机组设备的安全，且能在系统故障期间大量提供无功支持，以促进系统电压恢复。通过分析双馈式风力发电机在系统电压跌落后的暂态反应可研究设备安全保护过程。
（1）在系统发生对称故障时，电网电压会出现不同幅度的跌落，因双馈发电机的定子绕组直接连接到电网上，发电机的电动势保持稳定的同时则必然会造成定子电流的增加，因定子磁链需缓慢变化，进而会形成一个暂态直流分量以保证磁链的连续性，在时间推移过程中直流分量会按照指数形式不断衰减。根据系统电压跌落后转子的侧短路状态，通过定量分析转子暂态电流和仿真研究发现在电网电压跌落程度不同时，转子暂态电流中的交流分量和定子暂态电流中的直流分量大小主要取决于电压跌落的幅度。影响机组暂态特性的还包括无功输出功率、系统故障前的运行状态及转差等。在机组低电压穿越性能的研究中一个重要問题就是在系统故障排除后，系统该通过何种方式返回到正常运行状态。在电网电压恢复时，若跌落后电磁振荡过程仍再继续，则实际的磁链则是跌落与恢复两次震荡之和，因此，恢复时刻不同所形成的电机电磁振荡过程也不相同。
（2）机端三相对称短路故障问题是系统故障最为严重的情况，但不对称故障的出现概率较高。根据不对称故障机组暂态特性的仿真研究分析发现，在电网出现三相对称故障时，定子磁链按照工频震荡，而在电网出现不对称故障时，定子磁链和电压则按照2倍工频震荡。[2]
二、双馈式发电机低电压穿越技术分析
1、机侧无功功率控制策略
双馈式风力发电机之直接同电网连接，其可以作为一个有功和无功源。定子的无功功率控制可通过转子的轴电流调整来实现，同时机端电压也在一定程度上决定无功功率的大小。当RSC处于重新启动、Crowbar电路切除时，若转子回路及RSC中不存在高于设备的容限电流，则RSC便能直接调控双馈风力发电机向电网输送的无功功率，促进电网的迅速恢复。
一般在电网故障前，双馈风力发电机的参考功率信号主要利用风能最高功率跟踪控制策略计算获取，而利用实际信号同参考信号之间的误差信号输送到调节器中可计算出纵轴电流的参考信号；利用实际电流值与参考值间的误差可计算出纵轴的参考电压。横轴分量是用于调控风机无功功率的，而在电网故障出现前，无功功率参考值通常根据电网工程要求确定。根据电网故障时转子电压计算过程可知，转子电压在分为补偿项及解耦项两部分后能简化对交流励磁电机的控制过程，确保动态相应的速度及控制的准确性。
2、主动式Crowbar保护投切控制
（1）控制工作方式：按照磁链守恒原理，在出现电压突变故障问题的短时间内发电机的定子磁链会保持稳定。根据电压跌落时的暂态数据模型，定子绕组中的直流分量会随时间不断出现衰减，而其衰减的速率则主要由双馈感应发电机的定子绕组参数决定。在电网电压恢复时，双馈感应发电机的定子绕组也会经历此种过程，所以在电压恢复及电压跌落过程中定子绕组都会出现较高电流。因双馈感应发电机定、转子绕组间的磁链相互耦合，因转子高速切割作用，空间内保持稳定的定子磁链直流分量会造成发电机转子过流。通过接入Crowbar保护电路，保护电路会将过流的转子绕组进行短接，瞬时电流在通过旁路保护电阻时会形成回路，等同于增大转子阻抗，由此可有效减小电压跌落过程中转子回路的最高电流值。[3]其保护电路如图1所示：
图1 主动式Crowbar保护电路
（2）仿真测试分析
采用MY1.5Se双馈式风力发电机组作为仿真对象，使用主动式整流Crowbar保护电路检测低电压穿越性能。仿真控制过称为：①在故障发生前使双馈发电机在额定工作状态下运行，整定双馈发电机的功率因数为1，有功功率保持在1.5MW，发电机设定转速1750r/min；②为分析主动式Crowbar保护电路在高电压跌落过程中控制方式的实用性，在仿真模型中假定双馈风力发电机组在额定功率状态下工作；这时风速高于额定风速，通过控制转子侧变流器来完成对发电机定子输出无功功率及有功功率的解耦控制；③设定在t为1s时，电网出现三相短路故障，短路形成的极端电压跌落至0.2pu，故障持续时间为600ms，故障解除在1.6s后解除。根据仿真波形图分析发现此种控制策略可有效改善风电机组低压电穿越性能。
3、转子侧增加硬件策略
在系统发生故障时，如果仅改变控制策略，只能在一定程度上减弱机组电压、磁链及电流的暂态响应，并不能将其完全切除。按照能量传递过程，在电网电压跌落后，将会直接出现能量输出障碍，进而增大了电流及电压值。若要消除低电压穿越故障，则需要增设储能或耗能元件以分散过剩能量。当前主要采用的有并联电容器及增设变化器直流侧卸荷电路等。
（1）在使用Crowbar电路时可有效避免过电压及过电流对转子造成损坏，然而在工作过程中电路会使风力发电机按照异步电动机运转方式进行工作以吸收无功功率，这在一定程度上会影响系统运行。而在Crowbar电路上增设直流侧卸荷电路，可使Crowbar电路的投切以定转子是否存在过电流为主要依据，不再以故障信号作为支撑；通过直流侧电压对卸荷电路进行控制，由此完成故障过程中对变换器及电机设备的保护，进而改善风力发电机组的低电压穿越性能。[4]
（2）为保证系统控制性能，防止转矩震荡并减小短路电流，还可在定子侧与电网各相间反向并联一对晶闸管以作为电子开关，以促进定子与电网快速隔离。在实际运行中，可通过断开交流开关及导通旁路继电器来减小通态损耗。
结束语：
低电压穿越技术的应用质量将直接关系着双馈式发电机的运行质量和使用寿命，因此，相关技术与研究人员应加强有关双馈式风力发电机低电压穿越技术的研究，总结风力机组低电压特性及低电压穿越技术应用要点，以逐步改善机组低电压穿越技术应用质量。
参考文献：
[1]张兴，张龙云，杨淑英，余勇，曹仁贤.风力发电低电压穿越技术综述[J].电力系统及其自动化学报.2012，12（29）：62-63
[2]梁亮，李建林，许洪华.双馈感应式风力发电系统低电压穿越研究[J].电力电子技术.2013，13（14）：74-75
[3]胡家兵，贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制[J].电力系统自动化.2012，06（10）：61-62
[4]王伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化.2011，05（35）：57-58
关键词：双馈式；风力发电机；低电压穿越技术
在风力发电机机组内，当系统电压出现微小跌落式，原有控制方法会使机组自动同电网解裂，以避免设备发生事故。然而因风电穿透功率的不断增加，电网在出现电压跌落时，原有的控制方式会造成系统失去一些电源，继而引发更为剧烈的电压跌落，更多机组会退出工作系统，最终造成电网状态的破坏。低电压穿越就是指在系统电压出现跌落后，机组在保证设备无损坏的同时，不再通过与电网解裂，而是向系统提供定量的无功支持以促进系统电压恢复的过程。因此，加强有关机组低压穿越技术的探讨，对于改善机组的运行质量具有重要的现实意义。
一、双馈式发电机的结构组成及低电压特性
1、结构组成
双馈式异步发电机的定子侧同电网直接连接，转子侧采用三相堆成绕组，通过交-直-交变频器连接到电网上，以向发电机提供交流励磁。转子励磁的电流频率、相位及幅值等都可以进行调整。风力发电机组利用变桨系统使风能转换为机械能，再通过发电机及齿轮箱等转化为电能，利用变频器对转子励磁进行控制以完成风机变速恒频的发电过程。[1]
2、低电压特性
低电压穿越不仅能保证机组设备的安全，且能在系统故障期间大量提供无功支持，以促进系统电压恢复。通过分析双馈式风力发电机在系统电压跌落后的暂态反应可研究设备安全保护过程。
（1）在系统发生对称故障时，电网电压会出现不同幅度的跌落，因双馈发电机的定子绕组直接连接到电网上，发电机的电动势保持稳定的同时则必然会造成定子电流的增加，因定子磁链需缓慢变化，进而会形成一个暂态直流分量以保证磁链的连续性，在时间推移过程中直流分量会按照指数形式不断衰减。根据系统电压跌落后转子的侧短路状态，通过定量分析转子暂态电流和仿真研究发现在电网电压跌落程度不同时，转子暂态电流中的交流分量和定子暂态电流中的直流分量大小主要取决于电压跌落的幅度。影响机组暂态特性的还包括无功输出功率、系统故障前的运行状态及转差等。在机组低电压穿越性能的研究中一个重要問题就是在系统故障排除后，系统该通过何种方式返回到正常运行状态。在电网电压恢复时，若跌落后电磁振荡过程仍再继续，则实际的磁链则是跌落与恢复两次震荡之和，因此，恢复时刻不同所形成的电机电磁振荡过程也不相同。
（2）机端三相对称短路故障问题是系统故障最为严重的情况，但不对称故障的出现概率较高。根据不对称故障机组暂态特性的仿真研究分析发现，在电网出现三相对称故障时，定子磁链按照工频震荡，而在电网出现不对称故障时，定子磁链和电压则按照2倍工频震荡。[2]
二、双馈式发电机低电压穿越技术分析
1、机侧无功功率控制策略
双馈式风力发电机之直接同电网连接，其可以作为一个有功和无功源。定子的无功功率控制可通过转子的轴电流调整来实现，同时机端电压也在一定程度上决定无功功率的大小。当RSC处于重新启动、Crowbar电路切除时，若转子回路及RSC中不存在高于设备的容限电流，则RSC便能直接调控双馈风力发电机向电网输送的无功功率，促进电网的迅速恢复。
一般在电网故障前，双馈风力发电机的参考功率信号主要利用风能最高功率跟踪控制策略计算获取，而利用实际信号同参考信号之间的误差信号输送到调节器中可计算出纵轴电流的参考信号；利用实际电流值与参考值间的误差可计算出纵轴的参考电压。横轴分量是用于调控风机无功功率的，而在电网故障出现前，无功功率参考值通常根据电网工程要求确定。根据电网故障时转子电压计算过程可知，转子电压在分为补偿项及解耦项两部分后能简化对交流励磁电机的控制过程，确保动态相应的速度及控制的准确性。
2、主动式Crowbar保护投切控制
（1）控制工作方式：按照磁链守恒原理，在出现电压突变故障问题的短时间内发电机的定子磁链会保持稳定。根据电压跌落时的暂态数据模型，定子绕组中的直流分量会随时间不断出现衰减，而其衰减的速率则主要由双馈感应发电机的定子绕组参数决定。在电网电压恢复时，双馈感应发电机的定子绕组也会经历此种过程，所以在电压恢复及电压跌落过程中定子绕组都会出现较高电流。因双馈感应发电机定、转子绕组间的磁链相互耦合，因转子高速切割作用，空间内保持稳定的定子磁链直流分量会造成发电机转子过流。通过接入Crowbar保护电路，保护电路会将过流的转子绕组进行短接，瞬时电流在通过旁路保护电阻时会形成回路，等同于增大转子阻抗，由此可有效减小电压跌落过程中转子回路的最高电流值。[3]其保护电路如图1所示：
图1 主动式Crowbar保护电路
（2）仿真测试分析
采用MY1.5Se双馈式风力发电机组作为仿真对象，使用主动式整流Crowbar保护电路检测低电压穿越性能。仿真控制过称为：①在故障发生前使双馈发电机在额定工作状态下运行，整定双馈发电机的功率因数为1，有功功率保持在1.5MW，发电机设定转速1750r/min；②为分析主动式Crowbar保护电路在高电压跌落过程中控制方式的实用性，在仿真模型中假定双馈风力发电机组在额定功率状态下工作；这时风速高于额定风速，通过控制转子侧变流器来完成对发电机定子输出无功功率及有功功率的解耦控制；③设定在t为1s时，电网出现三相短路故障，短路形成的极端电压跌落至0.2pu，故障持续时间为600ms，故障解除在1.6s后解除。根据仿真波形图分析发现此种控制策略可有效改善风电机组低压电穿越性能。
3、转子侧增加硬件策略
在系统发生故障时，如果仅改变控制策略，只能在一定程度上减弱机组电压、磁链及电流的暂态响应，并不能将其完全切除。按照能量传递过程，在电网电压跌落后，将会直接出现能量输出障碍，进而增大了电流及电压值。若要消除低电压穿越故障，则需要增设储能或耗能元件以分散过剩能量。当前主要采用的有并联电容器及增设变化器直流侧卸荷电路等。
（1）在使用Crowbar电路时可有效避免过电压及过电流对转子造成损坏，然而在工作过程中电路会使风力发电机按照异步电动机运转方式进行工作以吸收无功功率，这在一定程度上会影响系统运行。而在Crowbar电路上增设直流侧卸荷电路，可使Crowbar电路的投切以定转子是否存在过电流为主要依据，不再以故障信号作为支撑；通过直流侧电压对卸荷电路进行控制，由此完成故障过程中对变换器及电机设备的保护，进而改善风力发电机组的低电压穿越性能。[4]
（2）为保证系统控制性能，防止转矩震荡并减小短路电流，还可在定子侧与电网各相间反向并联一对晶闸管以作为电子开关，以促进定子与电网快速隔离。在实际运行中，可通过断开交流开关及导通旁路继电器来减小通态损耗。
结束语：
低电压穿越技术的应用质量将直接关系着双馈式发电机的运行质量和使用寿命，因此，相关技术与研究人员应加强有关双馈式风力发电机低电压穿越技术的研究，总结风力机组低电压特性及低电压穿越技术应用要点，以逐步改善机组低电压穿越技术应用质量。
参考文献：
[1]张兴，张龙云，杨淑英，余勇，曹仁贤.风力发电低电压穿越技术综述[J].电力系统及其自动化学报.2012，12（29）：62-63
[2]梁亮，李建林，许洪华.双馈感应式风力发电系统低电压穿越研究[J].电力电子技术.2013，13（14）：74-75
[3]胡家兵，贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制[J].电力系统自动化.2012，06（10）：61-62
[4]王伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化.2011，05（35）：57-58