1引言

并網風力發電是近十年來國際上發展速度最快的可再生能源技術。并網風力發電機與傳統的并網發電設備最大的區別在于，其在電網故障期間并不能維持電網的電壓和頻率，這對電力系統的穩定性非常不利。電網故障是電網的一種非正常運行形式，主要有輸電線路短路或斷路，如三相對地，單相對地以及線間短路或斷路等，它們會引起電網電壓幅值的劇烈變化。

雙饋式變速恒頻風電機組是目前國內外風電機組的主流機型，其發電設備為雙饋感應發電機，當出現電網故障時，現有的保護原則是將雙饋感應發電機立即從電網中脫網以確保機組的安全。隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組與電網間的相互影響已日趨嚴重。人們越來越擔心，一旦電網發生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網的話，將嚴重影響電力系統的運行穩定性。因此，隨著接入電網的雙饋感應發電機容量的不斷增加，電網對其要求越來越高，通常情況下要求發電機組在電網故障出現電壓跌落的情況下不脫網運行（faultride-through），并在故障切除后能盡快幫助電力系統恢復穩定運行，也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越（lowvoltageride-through）能力。為此，國際上已有一些新的電網運行規則被提出。例如：德國北部的電力公司（e.onnetz公司）要求風電場能夠在圖1所示的電壓范圍內（即圖中陰影區）不脫網運行［1］［33］，電網電壓跌落到15%以后風電機組不脫網運行時間須持續達300ms，當電網電壓跌落低于曲線后才允許風電機組脫網。這里電壓指的是風電場連接點的電壓。而為英國部分地區供電的nationalgrid電力公司則要求當高于200kv的輸電線路發生故障時，所有并網運行的電站或風電場必須在140ms內保持不脫網運行［2］。另外蘇格蘭電力公司（scottishhydro-electric公司）對電網故障時電站或風電場不脫網運行也有類似的要求［3］。

圖1e.onnetz公司對電網故障時風電場不脫網運行的電壓范圍要求［33］

為了提高風電機組的低電壓穿越能力，必須針對當前主流風電機組中的雙饋感應發電機的運行特點進行研究，研究它們在電網故障與故障恢復過程中的暫態行為，消除或減輕在不離網控制情況下可能引起的機組損害。許多文獻［4-7］報道了在電網電壓跌落情況下，風電機組中的雙饋感應發電機會導致轉子側過流，同時轉子側電流的迅速增加會導致轉子勵磁變流器直流側電壓升高，發電機勵磁變流器的電流以及有功和無功都會產生振蕩。這是因為雙饋感應發電機在電網電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會產生直流分量，由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發生變化，而轉子繼續旋轉，會產生較大的滑差，這樣便會引起轉子繞組的過壓、過流。如果電網出現的是不對稱故障的話，會使轉子過壓與過流的現象更加嚴重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產生很高的滑差。過流會損壞轉子勵磁變流器，而過壓會使發電機的轉子繞組絕緣擊穿。為了保護發電機勵磁變流器，采用過壓、過流保護措施勢在必行。

為了保證電網故障時雙饋感應發電機及其勵磁變流器能安全不脫網運行，適應新電網運行規則的要求，國內外學術界和工程界對電網故障時雙饋感應發電機的保護原理與控制策略進行了大量研究。據文獻的報道，當前的低電壓穿越技術一般有三種方案：一種是采用了轉子短路保護技術（crowbarprotection），二種是引入新型拓撲結構，三是采用合理的勵磁控制算法。下面逐一分析介紹。

2轉子短路保護技術

這是目前一些風電制造商采用得較多的方法，其在發電機轉子側裝有crowbar電路，為轉子側電路提供旁路，在檢測到電網系統故障出現電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發電機勵磁變流器，同時投入轉子回路的旁路（釋能電阻）保護裝置，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用，以此來維持發電機不脫網運行（此時雙饋感應發電機按感應電動機方式運行）。

目前比較典型的crowbar電路有如下幾種：

（1）混合橋型crowbar電路［9］，如圖2所示，每個橋臂由控制器件和二極管串聯而成。

圖2混合橋型crowbar

（2）igbt型crowbar電路［9］如圖3所示，每個橋臂由兩個二極管串聯，直流側串入一個igbt器件和一個吸收電阻。

（3）帶有旁路電阻的crowbar電路［10］

如圖4所示，出現電網電壓跌落時，通過功率開關器件將旁路電阻連接到轉子回路中，這就為電網故障期間所產生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。

勵磁變流器在電網故障期間，與電網和轉子繞組一直保持連接，因而在故障期間和故障切除期間，雙饋感應發電機都能與電網一起同步運行。當電網故障消除時，關斷功率開關，便可將旁路電阻切除，雙饋感應發電機轉入正常運行。

采用crowbar電路的轉子短路保護技術存在這樣一些缺點：首先，需要增加新的保護裝置從而增加了系統成本；另外，電網故障時，雖然勵磁變流器和轉子繞組得到了保護，但此時按感應電動機方式運行的機組將從系統中吸收大量的無功功率，這將導致電網電壓穩定性的進一步惡化，而且傳統的crowbar保護電路的投切操作會對系統產生暫態沖擊。文獻［1］提出了改進方案，該方案與傳統方案的區別在于：在轉子短路保護電阻切除后，將轉子電流控制指令設定為該時刻轉子電流的實際值，從而防止由于轉子電流控制器指令電流與實際電流不等而引起的暫態沖擊。然后通過逐漸改變轉子電流指令，實現轉子電流控制器的軟起動。在轉子電流控制器的作用下發電機將逐步恢復到正常運行。這緩解了crowbar保護電路的投切操作對系統產生的暫態沖擊，在一定程度上縮短了發電機低電壓穿越的過渡時間。但該文獻僅限于研究對稱故障發電機不脫網運行，未討論電網故障運行初始條件對不脫網運行效果的影響。

3引入新型拓撲結構

除了上述典型crowbar技術的應用外，一些文獻還提出了一些新型低壓旁路系統，如圖5、圖6所示。

圖5新型旁路系統

圖6a）并聯連接網側變流器

圖6b）串聯連接網側變流器

3.1新型旁路系統［11-13］

如圖5所示，這種結構與傳統的軟啟動裝置類似，在雙饋感應發電機定子側與電網間串聯反并可控硅電路。

在正常運行時，這些可控硅全部導通，在電網電壓跌落與恢復期間，轉子側可能出現的最大電流隨電壓跌落的幅度的增大而增大，為了承受電網故障電壓大跌落所引起的的轉子側大電流沖擊，轉子側勵磁變流器選用電流等級較高的大功率igbt器件，這樣來保證變流器在電網故障時不與轉子繞組斷開時的安全。電網電壓跌落再恢復時，轉子側最大電流可能會達到電壓跌落前的幾倍。因此，當電網電壓跌落嚴重時，為了避免電壓回升時系統在轉子側所產生的大電流，在電壓回升以前，將雙饋感應發電機通過反并可控硅電路與電網脫網。脫網以后，轉子勵磁變流器重新勵磁雙饋感應發電機，電壓一旦回升到允許的范圍之內，雙饋感應發電機便能迅速地與電網達到同步。再通過開通反并可控硅電路使定子與電網連接。這樣可以減小對igbt耐壓、耐流的要求。對于短時間內能夠接受大電流的igbt模塊，可以減少雙饋感應發電機的脫網運行時間。轉子側大功率饋入直流側會導致直流側電容電壓的升高，而直流側的耐壓等級依賴于直流側電容的大小，因此直流側設計crowbar電路，在直流側安裝電阻來作吸收電路，將直流側電壓限制在允許范圍內。

這種方式的不足之處是：該方案需要增加系統的成本和控制的復雜性。考慮到定子故障電流中的直流分量，需要可控硅器件能通過門極關斷，這要求很大的門極負驅動電流，驅動電路太復雜。這里的可控硅串聯電路如果采用穿透型igbt的話，igbt必須串聯二極管。而采用非穿透型igbt的話，通態損耗會很大。理論上，如果利用接觸器來代替可控硅開關的話，雖通態時無損耗，但斷開動作時間太長。而且由于該方案在輸電系統故障時發電機脫網運行，因此對電網恢復正常運行起不到積極的支持作用。

3.2串聯連接變流器

通常雙饋感應發電機的背靠背式勵磁變流器采用如圖6a）所示的與電網并聯方式［13-16］，這意味著勵磁變流器能向電網注入或吸收電流。為了提高系統的低電壓穿越能力，文獻［17］提到了一種新的連接方式，即將變流器與電網進行串聯連接，比如，變流器通過發電機定子端的串聯變壓器實現與電網串聯連接，則雙饋感應發電機定子端的電壓為網側電壓和變流器輸出的電壓之和。這樣便可以通過控制變流器的電壓來控制定子磁鏈，有效的抑制由于電網電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，從而阻止轉子側大電流的產生，減小系統受電網擾動的影響，達到強化電網的目的。但這種方式將增加系統許多成本，控制也比較復雜。

4采用新的勵磁控制策略

從制造成本的角度出發，最佳的辦法是不改變系統硬件結構，而是通過修改控制策略來達到相同的低電壓穿越效果：在電網故障時，使發電機能安全度越故障，同時變流器繼續維持在安全工作狀態。

文獻［18］利用數值仿真的方法對電網三相對稱故障時發電機不脫網運行的勵磁控制進行了研究。研究結果表明，通過適當提高現有雙饋感應發電機勵磁控制器中pi調節器的比例和積分系數，能夠在一定范圍內維持電網故障時發電機不脫網運行。然而該文獻未對故障時發電機不脫網運行的范圍進行詳細地研究計算。該文獻提出的方法僅適用于系統對稱三相故障引起發電機母線電壓輕微下降時保持發電機不脫網運行，當故障引起發電機母線電壓嚴重下降時，勵磁變流器將出現過電壓和過電流。

文獻［19］則利用硬性負反饋的方式補償發電機定子電壓和磁鏈變化對有功、無功解耦控制性能的影響，該方案能夠在一定程度上提高雙饋感應發電機在輸電系統故障時的運行特性，并能夠在一定范圍內限制發電機轉子電流，保護轉子勵磁變流器。但該方案對轉子電流的有效控制是在提高轉子電壓的前提下實現的，考慮到轉子側勵磁變流器輸出最大電壓的限制，該方案僅適用于輸電系統故障引起發電機電壓輕度驟降的場合，對于引起發電機定子電壓嚴重驟降的電網故障，該方案會由于轉子側勵磁變流器無法提供足夠高的勵磁電壓而失去對轉子電流的控制。另外，文獻［20］還建議充分利用發電機電網側變流器在電網故障過程中對電網電壓的支持作用，通過協調轉子和電網側變流器的控制提高電網故障時發電機不脫網運行的控制效果。

文獻［27-32］提出了一種滅磁保護原理。在理解電網短路故障時發電機的暫態物理過程的基礎上，提出了電網短路故障時雙饋感應發電機不脫網運行的勵磁控制策略。為保證故障期間雙饋感應發電機勵磁變頻器安全運行，新的勵磁控制策略針對故障過程中發電機內部電磁變量的暫態特點，控制發電機轉子電流產生的磁鏈（故障暫態時該磁通只通過漏磁路徑，是漏磁鏈）以抵消定子磁鏈中的“有害”暫態直流分量對轉子側的影響。

文獻以仿真和小容量試驗驗證了該控制策略在電網對稱故障下的正確性，并分析了各種因素對控制效果的影響。文獻［32］對基于滅磁保護原理的勵磁策略進行的深入分析表明，故障前初始條件（定子電壓和轉差率）對本控制策略的故障效果影響非常大，隨著故障前定子電壓的增加，轉子電流可能無法控制在滿足勵磁變流器安全要求的最大暫態電流峰值之內，只有故障前初始條件處于可控運行范圍內時，在故障勵磁控制的作用下，發電機轉子故障電流才能夠控制在2.0pu的安全范圍。

5結束語

本文通過對國內外學術界和工程界在電網故障時雙饋感應發電機的保護原理與控制策略進行研究分析，得出以下幾點結論，為實際應用中具體設計提供參考。

（1）電力系統要求雙饋感應發電機能在電網故障時保持不脫網運行，并對電網穩定性提供支持。因此在導出發電機基本電磁關系的基礎上，分析電網故障過程中發電機內部電磁變量的暫態變化過程，研究適應小值電網故障情況的新勵磁控制策略，即出現不嚴重的電網故障時，電壓跌落未嚴重到一定程度的情況下，通過一定的勵磁控制方法，實現發電機和變流器安全度越短時低電壓故障，而不必需要觸發crowbar電路來進行發電機和變流器的保護。

（2）在大值瞬態故障下一般需要使用crowbar這種短接保護措施來保護發電機和變流器。因crowbar電路觸發后和電網故障恢復時，一般轉子電壓和電流會瞬態跳變，然后衰減。利用仿真工具分析比較目前各種crowbar電路的優劣，從成本，可靠性和可能達到的最佳性能指標，工作極端環境適應性等方面進行比較改進，優選出最佳方案，減小電壓跌落情況下觸發crowbar電路時轉子暫態電流跳變幅度。

（3）電網運行時經常出現的是不對稱故障情況，當電網出現不對稱故障時，會使過壓、過流的現象更加嚴重，因為在定子電壓中含有負序分量，而負序分量可以產生很高的滑差。然而目前嚴重故障下進行的研究大都是針對電網對稱故障的情況，無法滿足實際電網故障情況要求，不能實現工程實際應用。因此，考慮電網不對稱故障下，發電機的控制模型和算法有待于進一步改進研究。