1.2　双馈风力发电机低电压穿越技术研究现状

风力发电机的主要类型有永磁同步发电机（直驱式）和双馈式发电机两大类。永磁机及其变流器成本高、维修难度大，而双馈式风力发电机（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）的变流器只流过转差功率，而且可实现有功、无功功率的独立调节，是当今风能开发利用中的主流发电机类型［13-15］。双馈式风力发电系统的结构见图1-2。

风能经叶片和齿轮箱传递到发电机轴上，电机轴上的功率Pw分别通过定、转子输送给电网，大部分的功率Pe通过定子直接输送给电网，只有小部分的转差功率-sPe通过一个背靠背变流器流向电网。通常转差|s|≤0.3，因此与直驱型风力发电系统相比其变流器容量小得多［16］。

然而，由于双馈电机定子直接与电网相连，抗电网扰动能力相对较弱［17-18］，特别是当电网发生各种高、低电压故障时，很难将其控制稳定。低电压通常以短路的形式发生在风电场和主干电网之间。当电网发生故障时，由于磁链不能突变，定子磁链中将感生出暂态分量。定转子之间的强耦合和转子对定子磁链暂态分量的旋转切割，会在转子侧感应出较高的感应电动势［19］。较高的感应电动势和直流母线电压产生大的电压差，而转子漏感和电阻较小，进而流过大电流对直流电容充电，导致直流母线电压飙升，最终导致停机事故甚至烧毁变流器［20］。而且，定、转子电流的大幅波动会造成电机转矩脉动，对主轴、齿轮箱等产生很大的扭切应力冲击［21-22］，引起金属疲劳，导致机械故障。为了保护风电机组，风力发电机不得不从电网切除，风电场的解列会造成区域电网振荡，造成更大的损失。

现有的双馈风机低电压穿越方案可以分为增加硬件和改进控制策略两种方式［9,23］。增加硬件较为常用的方法是故障发生后在转子侧并入Crowbar电阻并封锁变流器［10,20,23］。Crowbar电阻接入时，双馈电机从电网吸收功率，很难实现快速向电网提供功率支持、帮助电网恢复［24］。Crowbar电阻的投切时刻也非常重要，切除早了会引起频繁动作，导致转矩脉动，切除晚了吸收无功不利于电压恢复［25-26］。而且增加Crowbar电路无疑会增加硬件成本。

相比较而言，通过改进励磁控制实现LVRT无需增加硬件，而且在故障期间可对暂态分量进行控制，维持机组的可控运行。截至目前，国内外提出了各种LVRT励磁控制策略。Xiang Dawei等提出了灭磁控制［27］，利用转子电流在漏感上产生的磁场消除定子磁链的直流和负序分量对转子磁链的影响［28］，能实现较深度故障下的LVRT，但需要准确的磁链观测和相序分离，对电机参数依赖性很强，并且存在较大的转矩脉动。Sheng Hu［29］等在灭磁控制的基础上，结合虚拟阻抗的概念可降低转子电流需求，但仍存在和灭磁控制相同的缺点。Xiao Shuai等提出了磁链跟踪控制策略［30］，利用转子磁链部分跟踪定子磁链来间接控制定转子电流，能有效抑制转矩脉动，但必须同时对定、转子磁链进行准确观测，并且取消了转子电流闭环，故障前后存在明显的励磁策略切换，增加了系统的复杂性和控制难度。Francisco K.A.Lima［31］等人提出了转子电流直接同向跟踪定子电流的电流跟踪控制策略，实现了次同步运行时80%深度故障下的LVRT，但需要较高的直流母线电压才能抑制过电流，因此不适合超同步运行工况。文献［32］提出的直接功率控制，实际上也存在与灭磁控制思想相同的环路结构。文献［32］提出的比例谐振控制，针对电流闭环的跟踪特性，用于不平衡的稳态控制，不适合暂态控制。

现有的改进励磁控制策略一般需要磁链的准确观测和相序的快速分离，但很难实现，并且存在较大的转矩脉动，因此需要从全新的视角对传统控制策略进行分析和总结，从而研究出新的控制策略。