1引言
进入21世纪，人类正在寻求新能源来代替日益枯竭的非可再生能源，而风能作为一种非常重要的可在生能源越来越受到人们重视，而其中双馈风力发电（DFIG：Double fed induction generator）作为当今主要的风力发电机形式，在其正常运行时也存在一定的风险性，比如当电网电压出现三相对称性短路故障时，如何采取合适措施来保护DFIG正常运行而不脱网运行，即采取合理措施来穿越低电压区域，是衡量风力发电机的一项重要指标，
在电网电压出现跌落时，将导致定子出现过电流，进而通过感应使转子出现过电流和过电压，其幅值可达到额定值的2-3倍，如果不能有效地抑制这种暂态电流，则与转子相连的变流器就会因为过电流而退出运行，从而风力发电机无法控制励磁电流而失去对电磁转矩的控制，风力发电机的转速会在短时间内快速加大，当转速达到一定极限值时风力发电机组就会退出运行，这对电网的稳定运行将产生不利影响，所以对风力发电并入电网有着极其严格的要求。
当电网故障引起电压小值(不超过25%)骤降时，应尽量考虑通过改变控制方法从软件上抑制，但其控制效果依靠变流器及电机参数等因数，且效果抑制有限，但是当电网电压出现大幅跌落（超过75%）时，通过改变控制方式已经无能为力，现在更普遍的措施是采取主动式撬棒（Active crowbar），即在转子侧增加保护电路和直流侧卸荷电路，来卸去多余的能量。
如何控制Active crowbar的投入与切出时刻影响着风电机组安全并协助电网恢复，若在电网故障清除前退出转子撬棒，可能会在电网故障清除时因变频器再次过流而使转子撬棒保护再次动作；而若在电网故障完全清除之后切除转子撬棒，则因转子被短接时DFIG类似于鼠笼式异步发电机，运行滑差很大，将从电网中吸收大量无功功率致使交流电网难以迅速恢复正常。因此，应该正确选择转子撬棒电路的切除时间，以实现双馈机组的低电压穿越功能，现在很多论文讨论了通过在电压跌落时启动Active crowbar可以有效的降低转子出现的过电流。以及在直流侧添加卸荷电路，来卸直流侧可能出现的过电压，但是大多数论文并没涉及到在切除Active crowbar可能对电网造成的影响，如对电网无功功率的影响，例如文献[7]讨论了Active crowbar投入是在以检测到转子侧出现过电流，其切出时刻以转子侧电流恢复到正常值，但其并未讨论在其切出时刻对电网的影响，也未讨论在切出时刻所吸收的无功功率，文献[4]仅仅讨论转子侧保护电路可以抑制转子的过电流，同样没有讨论到其切出时刻对电网造成的影响。
因为在切除Active crowbar时不可避免的要吸收电网的无功功率问题，如果仅考虑一台风机，可以不应考虑其对电网造成的影响，但是随着大量的风机并入电网，吸收电网的无功功率势必更加巨大，这将对电网造成巨大影响，使其更加难以恢复，本文正是在这种背景下展开研究，如果能够将每台风机在电网电压恢复时从电网吸收的无功功率减小到最小，这样将会对电网的恢复有着巨大的帮助。
2原理与设计
2.1原理
本课题主要研究电网故障条件下DFIG的LVRT（低电压穿越技术），电力系统运行经验表明，再各种类型的短路中，单相短路占大多数，三相短路的机会最少，三相短路故障虽然很少发生，但情况最严重。且一切不对称短路故障分析，在采用对称分量法后，都归结为对称短路故障分析。因此在进行风力发电系统低电压运行分析时，研究三相对称跌落是具有重要意义。针对2种不同电网电压跌落幅度DFIG要不间断运行必须采用不同的控制策略:
(1)较小的机端电压骤降，应考虑通过改变控制策略进行控制，无需启动保护电路，其电网跌落幅值可到15%，已有文献报道出通过改变控制策略可以穿过电压跌落区域;
(2)当电网出现严重跌落时，即跌落超过70%。根据国际电网对DFIG的要求，要求其必须保持625ms，本文正是讨论此种情况下保护电路的控制策略。
在研究DFIG定子电压骤降时，需要推导出定子电压骤降情况下的暂态数学模型。定子三相电压对称骤降过程可以看作在定子端施加一组与院端电压方向相反，幅值为跌落幅值电压的过程。于是，根据叠加原理可知，定子短路电流的空间向量is为：is=is0+is1。式中，is0为定子电压跌落前定子稳态电流的空间向量；is1为定子端突加反向的三相电压所产生的定子电流空间向量。
假设定子电压的空间向量Us=-JUmeJ（wlt+φ），在转子坐标系中Us′=-JUmej（wst+φ），通常Xs＞＞Rs，故定子电压跌落前的电流向量i′s0可近似写成：
式中Xs为定子电抗；w1为定子同步旋转角速度；wr为转子旋转电角度；ws为转差角速度；ws= w1-wr。
在转子坐标系中，当定、转子磁链初值为0时，由定子电压方程的拉氏变换和定子运算电感的倒数1/LS(s)展开分式并经过拉式变换可得：
式中α为定子直流分量的衰减系数，α=Rs/Ls（s）≈Rs / L′s通常
一般情况下当感应电机负载较轻时可认为wr= w1。
最后可以推导出：定子A相电流
定子电流由三部分组成：
是定子电流的稳态分量，它的大小有电压骤降的幅度决定；
是暂态电流的直流分量，其幅值取决于短路时的相位角φ此分量以定子时间常数Ta（Ta=1/α）衰减；
是交流分量，以瞬态时间常数T'r衰减。定子故障暂态电流受到电压跌落幅值，时刻和发电机定转子电感，电阻的影响，其中通过改变发电机在电网电压故障情况下的定转子电感，电阻式可行的办法，由于DFIG系统运行时转子电流小于定子电流，因此改变发电机转子电阻的方案更加合理易于实现，因此在电网电压骤降下，增加发电机转子电阻可以有效抑制占暂态故障电流大部分的交流分量，达到保持变流器正常工作，使DFIG系统穿越低电压故障的目的。
2.2低电压穿越（LVRT）
图1 变速恒频DFIG的风力发电系统
图1为变速恒频DFIG的风力发电系统结构图。当发生电网电压跌落故障, 双馈电机定子和转子出现过流, 定子或转子电流一旦超过设定的电流，即刻投入转子侧撬棒保护电路（Active crowbar），将DFIG发电机转子短路，可以防止发电机转子回路浪涌电流流入变流器中，可以实现对变频器的的保护，在定子电流和转子电流同时低于设定的下线电流时，切出撬棒电路。
直流侧卸荷电路的控制以直流侧电压作为判断条件，当直流侧电压上升到一定值时，投入卸荷电路, 当直流侧下降到一定值时, 切出卸荷电路。
本文研究点在电网出现大幅度跌落时，通过合理控制Active crowbar的不同切出时刻，
来研究是否在不同的切出时刻，对电网造成不同影响，特别是是否能在其切出时刻能减少从电网吸收的无功功率，查看合适切出可以达到对电网造成最轻的影响。
3仿真研究
研究Active crowbar在电网电压跌落时出现的运行特性，研究其在不同切除时刻对系统的影响，讨论其最合适的切出时刻将会最大限度的帮助电网进行恢复，Matlab，simlink进行建模与仿真，具体仿真参数如下：
利用三相可编程电源设定子电网电压在0.2-0.85s出现跌落到0.15个pu。（因为电网规定在器出现大幅度跌落时，风力发电机至少要保持并网625ms），系统参数：电压120kV，频率60Hz，与风力系统相连的电压等级为575V，正常输出有功功率为9Pu，直流侧电压1150V，正常风速为10m/s，DFIG的额定功率1.5MW，定子电阻0.00706(标幺值，下文未注明单位的数值均为标幺值)，转子电阻0.005，定子漏感为0.171，转子漏感为0.156，励磁漏感为2.9，惯性常数为5.04s，与Crowbar连接的电阻其限制转侧过电流，保护转子侧变流器，与直流侧电容相连的电阻起释放直流侧多余能量，保护直流侧过电压。Crowbar电阻R的阻值的选取较为重要，阻值过小不能起到限制转子电流的作用，阻值过大又会在转子侧变流器的出线端形成过电压，进而使直流侧过压，威胁到转子变流器的耐压安全。经过仿真验证，选取0.75最合适，Crowbar的投入一检测到转子侧出现过电流，直流侧检测到出现过电压，其切除时刻通过matlab仿真进行验证，通过设定IGBT的开关参数来决定其切出时刻，分以下几种情况进行仿真验证:
（1）条件1:不采取任何措施下仿真；
（2）条件2：电压恢复后立即切出Crowbar；
（3）条件3：电压恢复后100ms后切出Crowbar；
（4）条件4：电压恢复前100ms切出Crowbar。
3.1条件1下的仿真波形
无功功率与直流侧波形如图2所示。转子侧电流波形如图3所示。
图2 无功功率与直流侧电压波形
图3 转子侧电流波形
结论：不采取任何保护措施的情况下，导致在电网电压恢复时DFIG吸收大量的无功功率，从数据可看到几乎快达到10个pu，直流侧电压在电网恢复时几乎到达5倍于正常电压，而转子侧的电流在恢复时达到快2.8pu，过电流过电压会伤害到转子侧变流器，与直流侧电容，严重可导致其烧毁，而其中最重要的的DFIG在电网恢复，将吸收大量的无功功率，如果大量的发电机同时在并网时，将会从电网中吸收大量的无功功率，导致电网难以恢复，这也是电网不愿意接受风机并网的一个重要方面，
3.2条件2下的仿真波形
0.25s投入，0.85s切出，图4为无功功率与直流侧电压波形。转子侧电流波形如图5所示。
图4 无功功率与直流侧电压波形
图5 无功功率与直流侧电压波形
3.2条件3下的波形
0.25s投入与0.95s切出。无功功率与直流侧波形如图6所示。转子电流波形如图7所示。
图6 无功功率与直流侧电压波形
图7 转子电流波形
3.3条件4下的仿真波形
0.25s投入，0.75s切出。无功功率与直流侧波形如图8所示。转子侧电流波形如图9所示。
图8无功功率与直流侧电压波形
图9转子侧电流波形
（4）数据对比（见附表）
附表 不同操作条件小的数据对比
附表 不同操作条件小的数据对比
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数据
时刻
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吸收无功功率峰值大小
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直流侧电压峰值
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转子侧电流峰值
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不采取任何保护措施
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-9.7pu
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5800V
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2.6pu
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0.85s切出
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-5pu
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1300V
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2.7pu
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0.95s切出
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-5.5pu
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1250V
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1.8pu
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0.75s切出
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-5pu
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1240V
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1.9pu
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4结束语
在电网电压大幅度跌落时，风力发电系统将会从电网中吸收大量的无功功率，这将会导致系统极大不稳定，也即电网不愿意可再生能源并入电网的原因，而采取active crowbar可以有效的避免在电压跌落期间对风力系统造成的暂态冲击，而其的切出时刻影响着从电网吸收无功功率的大小，经过仿真验证其清除时间离电压恢复时间越近越好，系统响应越理想，综上所述在故障结束前100ms秒切出更有利于系统的恢复。
作者简介
薛永华（1985-）男研究生在读，研究方向为电力电子与电力传动。
李守智(1953-)男教授、硕士研究生导师，主要研究方向为电力电子装置与计算机控制技术。
参考文献
[1]李建林，许洪华．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]李建林，许洪华．风力发电中的电力电子变流技术[M]．北京：机械工业出版社，2008．
[3]苏平，张靠社．基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究[J]．电力系统保护与控制，2010，38(23)：21-25．
[4]李长乐，张扬．双馈风力发电机组低压穿越运行技术[J]．低压电器，2010(20)：15-20．
[5]胡书举，李建林，许洪华等．双馈风电系统变流器建模和跌落特性仿真[J]．高电压技术，2008，34(5)： 949-954．
[6]朱颖，李建林，赵斌等．双馈型风力发电系统低电压穿越策略仿真[J]．电力自动化设备，2010．
[7]胡书举，赵栋利，赵斌，许洪华等．双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究[J]．高电压技术，2010，36(3)：10-20．
[8]Ana I. Estanqueiro, et al. A Dynamic Wind Generation Model for PowerSystems Studies[J]．IEEE Trans on Power Systems, 2007, 22(3): 920-928．
[9]Marius Fatu,Cristian Lascu,Gheorghe-Daniel Andreescu,et al. Voltage sagsride--through of motion sensorless controlled PMSG for wind turbines[J]．IndustryConference 42nd IAS Annual Meeting, 2007,1(1): 171-178．
[10]Johan Morren, Sjoerd W. H. de Haan,et al. Ridethrough of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip[J]．IEEE Trans on energy 2008,2(1): 161-168．
[11]胡家兵，贺益康．双馈风力发电系统的低电压穿越运行与控制[J]．电力系统自动化，2008.32（3）：92-97．
[12]张学广，徐殿国．电网对称故障下基于active crowbar双馈发电机控制[J]．电机于控制学报，2009，13(1):142-148．
[13]蒋雪冬，赵芳．应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J]．电网技术，2008，32(13):152-165．
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