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【摘要】由于风电机组装机容量在电网中所占比例不断提高，在电网发生电压骤降时要求并网双馈异步风力发电机（DFIG）必须具备一定的低电压穿越能力（LVlLT），本文对DFIG的暂态特性进行了分析，继而从控制方法总结和评价了双馈风电系统的低电压穿越实现方案，最后对低电压穿越技术提出了未来展望。
【关键词】双馈异步电机；低电压穿越技术；电压骤降
【中图分类号】TM614 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0287-01
引言
风能作为一种可再生能源其装机容量在过去15年以平均超过25%的增长率增长，是目前发展最快的清洁能源[1]。在风力发电系统中发电机及控制系统是其核心部分之一，现今普遍使用变速恒频的控制策略，主流机型有永磁同步电机和双馈异步电机[2]。本文通过对电网电压骤降miDFIG暂态特性的分析，进而从控制策略方面讨论总结了实现DFIG低电压穿越的方法，最后RCLVRT技术进行了展望。
1、电压骤降下DFIG暂态分析
DFIG是一种高阶多变量强耦合的非线性系统，图1为DFIG发电系统的拓扑结构。
由于DFIG定子侧与电网是直接强耦合关系，当电网电压发生对称故障时定子感应出直流分量，而当不对称故障时定子还将感应出负序分量，直流和负序分量都会产生很大的滑差，这些是转子过电压及过电流的主因13]。过大的电流使电机的电抗变小、铁芯饱和，进一步加大定转子的过电流，同时过大电流致使DFIG的电磁转矩剧烈波动，对电机转轴和齿轮的扭切应力产生极大的冲击，此外流经转子的过电流造成直流母线过电压。因为转子侧变频器容量小难以承受过大的电压和电流，而且定转子绕组的漏抗也无法抑制浪涌电流，所以如果不采取措施来释放过电压及过电流，必将会造成定转子绕组、变频器及直流母线的损伤。
2、实现L VRT的方法
目前最主要的有两种实现策略：一种是对变频器的控制方法进行改进；另一种是加装硬件电路改变DFIG的拓扑结构。前一种适用于电网跌落不明显的情况，后一种则适用于大电网跌落。基于理想电网下的矢量控制当电网骤降故障时，很难实现完全解耦，其控制性也不能够保证，因此各国学者提出了各种改进策略。
（1）矢量控制改进策略
传统的矢量控制例如定子磁链控制忽略了定子的暂态过程，当故障时不能达到预期控制效果。文献通过计及定子励磁电流动态过程的DFIG精确模型，给出了定子磁链定向和定子电压定向两种改进矢量控制方案。改进方案较传统控制方案大大提高了故障时对转子电流的控制，有了对转子过电流的控制能力，同时减弱了故障时电磁转矩的剧烈波动，进一步加强了DFIG的LVRT能力。但该方案需要加大转子输入电压才能实现，这就造成了母线电压的波动不能得到明显改善。
改进矢量控制基于传统矢量控制概念，因此改进矢量控制对定、转子的电流及转速测量精度要求很高，而且改进后的矢量控制虽然一定程度上简化了计算量，但控制系统还是相对较为复杂。为此文献通过控制变量的动态方程，提出了基于电网电压定向励磁的控制方法，该方法仅需测出定子电流、电网电压及转子位置角信号，省略了对转子电流和转速反馈信号的测量，使系统的复杂性得到了一定程度的简化。仿真结果表明该控制策略可实现对有功、无功及转速的独立解耦控制，具有良好地稳定性。短路故障切除后，系统可迅速恢复稳定，同时有功、无功及转差率都能回到设定值运行，从而提高了系统的故障穿越能力。
（2）鲁棒控制及其他控制策略
在不增加设备成本及硬件电路的条件下文献采用了一种鲁棒控制技术，该方法通过技术和μ分析方法设计控制器如图2。文中用网侧控制器检测直流母线及定子端电压故障变化，并输出相应补偿电流信号；转子侧控制器检测定子侧有功及无功的波动，进而输出电流信号对其进行补偿。该控制策略综合了包括低电压在内的多种故障类型，试验结果表明这种控制技术对系统的外部干扰和参数的变化能够保持良好地鲁棒性，从而提高了系统的故障穿越能力。
3、展望与结论
现今建立在不精确DFIG暂态数学模型上的控制方法，需要进一步进行改进和完善，以提高低电压穿越技术的准确性，并降低控制系统的复杂程度。本文从控制方法人手，较全面地分析了现今国内外学术界针对DFIG低电压穿越的研究成果，并进行了系统地总结和评价，希望能够对今后该领域的研究和发展提供借鉴和帮助。
【关键词】双馈异步电机；低电压穿越技术；电压骤降
【中图分类号】TM614 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0287-01
引言
风能作为一种可再生能源其装机容量在过去15年以平均超过25%的增长率增长，是目前发展最快的清洁能源[1]。在风力发电系统中发电机及控制系统是其核心部分之一，现今普遍使用变速恒频的控制策略，主流机型有永磁同步电机和双馈异步电机[2]。本文通过对电网电压骤降miDFIG暂态特性的分析，进而从控制策略方面讨论总结了实现DFIG低电压穿越的方法，最后RCLVRT技术进行了展望。
1、电压骤降下DFIG暂态分析
DFIG是一种高阶多变量强耦合的非线性系统，图1为DFIG发电系统的拓扑结构。
由于DFIG定子侧与电网是直接强耦合关系，当电网电压发生对称故障时定子感应出直流分量，而当不对称故障时定子还将感应出负序分量，直流和负序分量都会产生很大的滑差，这些是转子过电压及过电流的主因13]。过大的电流使电机的电抗变小、铁芯饱和，进一步加大定转子的过电流，同时过大电流致使DFIG的电磁转矩剧烈波动，对电机转轴和齿轮的扭切应力产生极大的冲击，此外流经转子的过电流造成直流母线过电压。因为转子侧变频器容量小难以承受过大的电压和电流，而且定转子绕组的漏抗也无法抑制浪涌电流，所以如果不采取措施来释放过电压及过电流，必将会造成定转子绕组、变频器及直流母线的损伤。
2、实现L VRT的方法
目前最主要的有两种实现策略：一种是对变频器的控制方法进行改进；另一种是加装硬件电路改变DFIG的拓扑结构。前一种适用于电网跌落不明显的情况，后一种则适用于大电网跌落。基于理想电网下的矢量控制当电网骤降故障时，很难实现完全解耦，其控制性也不能够保证，因此各国学者提出了各种改进策略。
（1）矢量控制改进策略
传统的矢量控制例如定子磁链控制忽略了定子的暂态过程，当故障时不能达到预期控制效果。文献通过计及定子励磁电流动态过程的DFIG精确模型，给出了定子磁链定向和定子电压定向两种改进矢量控制方案。改进方案较传统控制方案大大提高了故障时对转子电流的控制，有了对转子过电流的控制能力，同时减弱了故障时电磁转矩的剧烈波动，进一步加强了DFIG的LVRT能力。但该方案需要加大转子输入电压才能实现，这就造成了母线电压的波动不能得到明显改善。
改进矢量控制基于传统矢量控制概念，因此改进矢量控制对定、转子的电流及转速测量精度要求很高，而且改进后的矢量控制虽然一定程度上简化了计算量，但控制系统还是相对较为复杂。为此文献通过控制变量的动态方程，提出了基于电网电压定向励磁的控制方法，该方法仅需测出定子电流、电网电压及转子位置角信号，省略了对转子电流和转速反馈信号的测量，使系统的复杂性得到了一定程度的简化。仿真结果表明该控制策略可实现对有功、无功及转速的独立解耦控制，具有良好地稳定性。短路故障切除后，系统可迅速恢复稳定，同时有功、无功及转差率都能回到设定值运行，从而提高了系统的故障穿越能力。
（2）鲁棒控制及其他控制策略
在不增加设备成本及硬件电路的条件下文献采用了一种鲁棒控制技术，该方法通过技术和μ分析方法设计控制器如图2。文中用网侧控制器检测直流母线及定子端电压故障变化，并输出相应补偿电流信号；转子侧控制器检测定子侧有功及无功的波动，进而输出电流信号对其进行补偿。该控制策略综合了包括低电压在内的多种故障类型，试验结果表明这种控制技术对系统的外部干扰和参数的变化能够保持良好地鲁棒性，从而提高了系统的故障穿越能力。
3、展望与结论
现今建立在不精确DFIG暂态数学模型上的控制方法，需要进一步进行改进和完善，以提高低电压穿越技术的准确性，并降低控制系统的复杂程度。本文从控制方法人手，较全面地分析了现今国内外学术界针对DFIG低电压穿越的研究成果，并进行了系统地总结和评价，希望能够对今后该领域的研究和发展提供借鉴和帮助。