1.2　雙饋風力發電機低電壓穿越技術研究現狀

風力發電機的主要類型有永磁同步發電機（直驅式）和雙饋式發電機兩大類。永磁機及其變流器成本高、維修難度大，而雙饋式風力發電機（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）的變流器只流過轉差功率，而且可實現有功、無功功率的獨立調節，是當今風能開發利用中的主流發電機類型［13-15］。雙饋式風力發電系統的結構見圖1-2。

圖1-2　雙饋式風力發電系統結構圖

風能經葉片和齒輪箱傳遞到發電機軸上，電機軸上的功率Pw分別通過定、轉子輸送給電網，大部分的功率Pe通過定子直接輸送給電網，只有小部分的轉差功率-sPe通過一個背靠背變流器流向電網。通常轉差|s|≤0.3，因此與直驅型風力發電系統相比其變流器容量小得多［16］。

然而，由于雙饋電機定子直接與電網相連，抗電網擾動能力相對較弱［17-18］，特別是當電網發生各種高、低電壓故障時，很難將其控制穩定。低電壓通常以短路的形式發生在風電場和主干電網之間。當電網發生故障時，由于磁鏈不能突變，定子磁鏈中將感生出暫態分量。定轉子之間的強耦合和轉子對定子磁鏈暫態分量的旋轉切割，會在轉子側感應出較高的感應電動勢［19］。較高的感應電動勢和直流母線電壓產生大的電壓差，而轉子漏感和電阻較小，進而流過大電流對直流電容充電，導致直流母線電壓飆升，最終導致停機事故甚至燒毀變流器［20］。而且，定、轉子電流的大幅波動會造成電機轉矩脈動，對主軸、齒輪箱等產生很大的扭切應力沖擊［21-22］，引起金屬疲勞，導致機械故障。為了保護風電機組，風力發電機不得不從電網切除，風電場的解列會造成區域電網振蕩，造成更大的損失。

現有的雙饋風機低電壓穿越方案可以分為增加硬件和改進控制策略兩種方式［9,23］。增加硬件較為常用的方法是故障發生后在轉子側并入Crowbar電阻并封鎖變流器［10,20,23］。Crowbar電阻接入時，雙饋電機從電網吸收功率，很難實現快速向電網提供功率支持、幫助電網恢復［24］。Crowbar電阻的投切時刻也非常重要，切除早了會引起頻繁動作，導致轉矩脈動，切除晚了吸收無功不利于電壓恢復［25-26］。而且增加Crowbar電路無疑會增加硬件成本。

相比較而言，通過改進勵磁控制實現LVRT無需增加硬件，而且在故障期間可對暫態分量進行控制，維持機組的可控運行。截至目前，國內外提出了各種LVRT勵磁控制策略。Xiang Dawei等提出了滅磁控制［27］，利用轉子電流在漏感上產生的磁場消除定子磁鏈的直流和負序分量對轉子磁鏈的影響［28］，能實現較深度故障下的LVRT，但需要準確的磁鏈觀測和相序分離，對電機參數依賴性很強，并且存在較大的轉矩脈動。Sheng Hu［29］等在滅磁控制的基礎上，結合虛擬阻抗的概念可降低轉子電流需求，但仍存在和滅磁控制相同的缺點。Xiao Shuai等提出了磁鏈跟蹤控制策略［30］，利用轉子磁鏈部分跟蹤定子磁鏈來間接控制定轉子電流，能有效抑制轉矩脈動，但必須同時對定、轉子磁鏈進行準確觀測，并且取消了轉子電流閉環，故障前后存在明顯的勵磁策略切換，增加了系統的復雜性和控制難度。Francisco K.A.Lima［31］等人提出了轉子電流直接同向跟蹤定子電流的電流跟蹤控制策略，實現了次同步運行時80%深度故障下的LVRT，但需要較高的直流母線電壓才能抑制過電流，因此不適合超同步運行工況。文獻［32］提出的直接功率控制，實際上也存在與滅磁控制思想相同的環路結構。文獻［32］提出的比例諧振控制，針對電流閉環的跟蹤特性，用于不平衡的穩態控制，不適合暫態控制。

現有的改進勵磁控制策略一般需要磁鏈的準確觀測和相序的快速分離，但很難實現，并且存在較大的轉矩脈動，因此需要從全新的視角對傳統控制策略進行分析和總結，從而研究出新的控制策略。