双馈风力发电机组低电压穿越控制策略改进与实验验证

随着全球对清洁能源的需求不断增加，风力发电作为一种重要的可再生能源发电方式，得到了广泛的应用和发展。双馈风力发电机组因其具有变速恒频运行、有功和无功功率独立调节等优点，在风力发电领域占据了主导地位。然而，当电网发生故障导致电压跌落时，双馈风力发电机组的转子侧会产生过电流，直流母线电压会出现过电压，这不仅会损坏变流器等设备，还可能影响电网的稳定运行。因此，研究双馈风力发电机组的低电压穿越控制策略具有重要的现实意义。

1 双馈风力发电机组低电压穿越面临的挑战

1.1 转子过电流问题

在电网电压跌落瞬间，双馈风力发电机组的运行状态会发生急剧变化。此时，定子磁链中会产生直流分量和负序分量。直流分量是由于电压跌落导致磁链不能突变而产生的暂态现象，负序分量则与电网电压的不对称跌落有关。这些分量会在转子中感应出较大的转子电流。转子侧变流器作为控制转子电流的关键设备，其容量是有限的。当转子电流过大时，超出了变流器的承受能力，会使变流器内部的功率器件承受过高的电流应力，可能导致器件过热、损坏，进而影响整个双馈风力发电机组的正常运行，甚至引发更严重的故障。

1.2 直流母线过电压问题

当电网电压跌落时，双馈风力发电机组的定子侧与电网之间的能量交换受到影响，定子侧输出的有功功率会显著减少。然而，转子侧由于具有较大的惯性，仍会按照原来的运行状态继续向直流母线输入能量。与此同时，网侧变流器在电网故障期间可能无法及时将直流母线上的能量回馈到电网。这一方面是因为电网电压降低导致网侧变流器的输出功率受限，另一方面也可能是由于控制策略的响应速度不够快。这种能量的不平衡会导致直流母线电压急剧上升，过高的直流母线电压会威胁到直流母线电容和其他设备的安全，缩短设备的使用寿命，甚至造成设备损坏。

1.3 无功支撑能力不足

在电网故障期间，电网的电压稳定性受到严重影响，需要风力发电机组提供一定的无功功率来支撑电网电压，帮助电网恢复稳定运行。然而，传统的双馈风力发电机组控制策略在设计时往往侧重于有功功率的控制，以实现风能的最大捕获和高效转换。对于无功功率的控制，传统策略通常只进行了简单的设定，无法根据电网的实际需求进行灵活调整。这就导致双馈风力发电机组在电网故障时对无功功率的支撑能力有限，不能及时有效地为电网提供足够的无功支持，不利于电网的快速恢复，增加了电网故障持续的时间和影响范围。

2 现有低电压穿越控制策略分析

2.1Crowbar 电路控制策略

Crowbar 电路是一种常用的低电压穿越保护措施，当检测到转子过电流时，将 Crowbar 电阻接入转子回路，为转子电流提供旁路，从而限制转子电流。但这种策略会使双馈风力发电机组从电网中吸收无功功率，进一步恶化电网电压，并且在故障切除后需要一定的时间来切除Crowbar 电阻，导致机组重新并网时间延长。

2.2 转子侧变流器控制策略

现有的转子侧变流器控制策略主要通过调整控制参数或引入新的控制算法来抑制转子过电流。例如，采用虚拟电阻控制、模糊控制等方法，但这些方法在实际应用中可能存在控制复杂、参数整定困难等问题，且对直流母线过电压的抑制效果有限。

2.3 网侧变流器控制策略

网侧变流器控制策略主要关注直流母线电压的稳定和有功、无功功率的控制。在低电压穿越期间，网侧变流器需要调整其控制目标，以配合转子侧变流器实现低电压穿越。然而，现有的网侧变流器控制策略在应对快速变化的电网故障时，响应速度和调节能力有待提高。

3 改进的低电压穿越控制策略

3.1 转子侧变流器无功支撑控制

在电网电压跌落时，转子侧变流器不仅要控制有功功率的传输，还要根据电网电压的跌落程度向电网注入一定的无功功率。通过引入无功功率控制环，实时调整转子侧变流器的输出电流，使双馈风力发电机组在低电压穿越期间能够为电网提供无功支撑，有助于电网电压的恢复。

3.2 直流母线电压动态调节

为了抑制直流母线过电压，采用动态调节直流母线电压的控制策略。通过实时监测直流母线电压，当电压超过设定阈值时，调整网侧变流器的控制参数，增加网侧变流器向电网回馈的功率，或者调整转子侧变流器的控制目标，减少转子侧向直流母线输入的能量，从而实现直流母线电压的动态平衡。

3.3 网侧变流器协同控制

网侧变流器与转子侧变流器进行协同控制，以提高低电压穿越的整体性能。在电网电压跌落瞬间，网侧变流器快速响应，调整其输出电流，为直流母线提供能量释放通道。同时，与转子侧变流器的无功支撑控制相配合，共同实现双馈风力发电机组的低电压穿越。

4 改进控制策略的理论分析与仿真研究

4.1 理论分析

通过对双馈风力发电机组的数学模型进行分析，推导了改进控制策略下转子电流、直流母线电压等关键参数的变化规律。结果表明，改进后的控制策略能够有效地限制转子过电流和直流母线过电压，并且能够根据电网电压的跌落情况提供合适的无功支撑。

4.2 仿真研究

利用 MATLAB/Simulink 仿真平台搭建了双馈风力发电机组的仿真模型，对改进的控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明，在电网电压跌落的不同程度下，改进后的控制策略相比传统控制策略能够显著降低转子电流峰值，抑制直流母线电压的上升，并且能够快速响应电网的无功需求，为电网提供有效的无功支撑。

5 实验验证

5.1 实验平台搭建

搭建了双馈风力发电机组的实验平台，包括双馈发电机、转子侧变流器、网侧变流器、直流母线电容等主要设备。通过编程实现了改进的低电压穿越控制策略，并集成了相应的数据采集和监测系统，以便实时获取实验数据。

5.2 实验结果分析

在实验平台上进行了不同电网电压跌落情况下的低电压穿越实验。实验结果表明，改进后的控制策略在实际应用中同样能够有效地限制转子过电流和直流母线过电压。与仿真结果相比，实验数据存在一定的偏差，但总体趋势一致，验证了改进控制策略的可行性和有效性。

6 结束语

综上所述，本文针对双馈风力发电机组低电压穿越过程中面临的问题，提出了一种改进的控制策略，并通过理论分析、仿真研究和实验验证证明了该策略的有效性。改进后的控制策略能够显著提高双馈风力发电机组的低电压穿越能力，有效抑制转子过电流和直流母线过电压，同时为电网提供必要的无功支撑。随着风力发电技术的不断发展，对双馈风力发电机组的低电压穿越性能要求将越来越高，未来还需要进一步优化控制策略，提高其适应性和可靠性，以更好地满足电网稳定运行的需求。

参考文献

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