摘要：近年来，国内风电装机容量不断提高，对风电机组运行的可靠性要求也越来越高。由于风电多采用集中式分布，当电网出现扰动时，可能会造成大片的风机解列，出现暂态震荡，对电网与设备造成严重的冲击。以双馈型机组为例，当电网电压发生跌落时，与电网连接的定子端电压也跌落，定子电流会激增。为此，通常采用转子并联Crowbar电路，直流母线并联斩波泄放电路等技术。
关键词：风力发电系统；低压穿越；控制技术
引言
人类社会的快速发展引发了一系列问题，当今最突出的两个是环境问题和能源问题，因此各国政府都开始寻求新能源来替代传统的化石能源。风能作为一种广泛分布的能源，受到了更多的重视。然而，随着越来越多的风电场的规划建设，风电机组的装机容量也越来越大，已经在电网中占据一定的比重，但是，若电网发生故障时，风电机组不能像火电、水电等传统的发电厂那样向电网提供功率和频率的支持，而是直接脱网，这将导致电网电压和频率的震荡甚至崩溃，对电网造成冲击，危害电网的安全稳定运行。所以，我们要求电网发生故障后风电机组不能任意退出运行，而是需要其参与到故障后电网的调节环节中，对电网提供支撑，提高电力系统的稳定性。
1风力发电系统低压穿越技术概述
随着风力发电的规模在逐渐扩大，占整个电力系统比重也在逐渐加大。因此，当风力发电系统的装机容量比较小时，对电力系统的影响可以忽略。但是，风力发电系统的装机容量变大时，对电力系统的影响就要予以重视了。当电网电压发生跌落时，其对并网风电机组有很大的影响。电网电压跌落的过程会导致转子过电流的产生从而损坏了风电机组电子器件和机械部件。风电机组低电压穿越能力较弱会导致风机脱网运行事故，破坏电网稳定。随着风电在发电总量中占的比重越来越大，一旦发生风机脱网事故，电力扰动故障会切除风电机组，系统潮流发生严重转移，对电网电压、频率、电能质量和整个系统惯量等方面造成严重影响，对电网稳定的破坏性增强，不利于系统的稳定运行。所以目前对风力发电机的低电压穿越能力的要求也日益增加。因此风力发电机具有低压穿越的能力十分必要。低电压穿越是指当电网发生故障或风力发电机并网点电压出现扰动跌落时，风电机组能够保证并网并且能够向电网提供一定的无功功率以支持电网恢复正常，从而穿越整个低电压区域。要求风力发电系统具有低压穿越能力肯定会增加项目成本，而且低压穿越性能越好其成本也越高。所以，如何在经济成本和低压穿越性能上相互协调，就要根据具体项目要求而定。
2风力发电系统低压穿越控制技术
2.1电压跌落要求
风力发电机组并网点电压在轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组要保证不脱网稳定运行。并网点电压在轮廓线以下时，场内风电机组允许脱网。
风电场并网点电压跌至20％额定电压时，风电机组能够不脱网连续运行625ms。
风电场并网点电压跌落2s内能够恢复到额定电压的90％，风电机组需要给电网无功支撑保证其快速恢复，同时风电机组能够保证不脱网连续运行。
2.2机组低压穿越控制流程
用于实现低压穿越（LVRT）的模块主要有：电压监测模块、主控模块、网侧变流器（LSC）模块、机侧变流器（GSC）模块。
电压跌至90%以上，为正常状态；20%-90%为LVRT状态；20%以下为故障状态。正常状态、LVRT状态只启动斩波DBR，不启动Crowbar，发电机定子始终不脱网。故障状态，启动Crowbar，发电机定子要脱网。
（1）变流器中有电网检测模块，用于检测电网电压的状态。当电网电压跌至20%-90%的额定值时，主控PLC、变流器均进入LVRT模式。
（2）LVRT模式开始后，网侧、机侧变流器同时关断，3ms后网侧变流器重启，机侧变流器不再启动。网侧变流器工作于Statcom状态，向电网提供无功支持。
（3）变流器检测到直流母线电压Udc>1250V时，变流器内部的直流母线制动电阻DBR投入工作，进行耗能降压。
（4）转子剩余电流通过二极管流入直流母线。
（5）在LVRT过程中，还要注意发电机不要超速，变桨系统的变桨速度比正常工作时要大。
（6）在电压恢复，直流母线电压稳定后，机侧变流器启动，为电机提供励磁，机组重新进入正常工作状态。
（7）在整个LVRT过程中，功率的控制极为关键。既要保证跌落过程中对电网提供功率支持，又要保证电压恢复后功率能迅速恢复正常，不能有太大的波动。
在LVRT状态中，发电机的定子始终不脱网，并且发电机向电网提供给功率支持。在电网电压跌落至20%以下，进入故障保护状态，Crowbar被触发，定子断路器跳闸，发电机脱网。此后，Crowbar电阻消耗转子剩余电流，保护发电机。
2.3电压跌落时双馈电机的改进控制策略
通常情况都是把电网视为一个无穷大的理想电网，电网电压视为恒定，且忽略定子励磁电流的变化，得到简化的双馈电机的数学模型。根据该模型设计转子侧变换器的电流内环控制器。该控制器可以让风力发电系统正常运行时，使双馈电机获得很好的性能。然而，当电网出现电压跌落的情况时，双馈电机的性能就大幅下降了。为了改变这种情况，就要把双馈电机的定子磁链的变化情况作为一个重要影响因子。
根据第二章对电网电压跌落情况下双馈电机定子磁链的分析可知，双馈电机的定子磁链变化是造成双馈电机的转子侧出现过电压和过电流的关键因素。所以，我们为了尽可能的减少过电压和过电流的情况，同时保证双馈电机在电网电压跌落时不脱网，则必须考虑双馈电机的定子磁链对双馈电机的影响。
根据以上所述，综合考虑电网电压跌落期间定子励磁电流和定子磁链的变化对双馈电机造成的影响。所以，采用4.2节所设计的精细数学模型是适合的。同时，在此精细数学模型的基础上设计出有效提高双馈电机低压穿越能力的控制策略。
假设、和恒定，则定子励磁电流的微分，有下式:
（1）
若对、和的动态过程考虑，根据4.8式的第一个式子得:
（2）
将式(2)带入到中的第二个式子，有:
（3）
式(3)就是在精细模型下的双馈电机的转子电压的表达式。
根据点定子磁链的定向矢量控制方法，如果有，能够将式(3)写成标量形式:
（4）
令
（5）
则（5）式又可写为:
（6）
设计的添加补偿量为△udr2和△uqr2，而△udr，和△uqr，与式是相同的。根据式(4)可以设计出的精细数学模型，得到如图1所示。在精细数学模型下研究出的双馈电机的转子侧过电流的控制方法。
图1双馈电机的改进控制策略
结语
分析电网电压跌落期间双馈电机的变化过程。根据空间相量模型得出定子侧和转子侧的电压方程、电流方程、磁链方程和转矩方程等基本电磁关系式。利用这些基本电磁关系式去研究双馈电机的变化过程，找出定子磁链和转子磁链的动态特性，分析磁链各个分量的变化，最后得出定子磁链和转子磁链的衰减时间常数。找出电网电压跌落期间过电压、过电流的原因，是由于定子磁链的直流分量变化缓慢引起的。又分析电网电压跌落期间直流母线的变化过程，为找出提高双馈电机的低压穿越能力提供了理论依据。
参考文献
［1］李建林．风力发电系统低电压运行技术［M］．北京：机械工业出版社，2009．
［2］杨淑英．双馈型风力发电变流器及其控制［D］．合肥工业大学博士学位论文，2007．
［3］胡家兵，孙丹，贺益康，等．电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制［J］．电力系统自动化，2006，30（8）：21－26．