电网故障下双馈风机的低电压穿越技术改进与性能分析

一、现有低电压穿越技术的不足

1. 硬件保护方面

传统的 crowbar 电路通常采用被动式保护方式，如电阻型 crowbar 电路。这种电路虽然结构简单、成本较低，但在动作时会消耗大量的能量，导致发电机的电磁转矩发生突变，影响风机的动态性能。同时，电阻型 crowbar 电路在故障切除后，需要一定的时间才能退出运行，这会影响风机的快速恢复能力。此外，对于一些复杂的电网故障，如不对称故障，传统的硬件保护电路往往难以有效地抑制负序分量的影响，导致转子电流和直流母线电压的波动加剧。

2. 软件控制方面

现有的控制策略在应对电网电压的剧烈变化时，往往存在响应速度较慢、控制精度不高的问题。例如，传统的矢量控制算法在电网故障时，需要重新计算定子磁链的位置和幅值，这会导致控制延迟，影响系统的动态性能。此外，现有的无功功率补偿策略通常是基于固定的控制参数，难以根据电网故障的具体情况进行自适应调整，从而影响无功功率的补偿效果。在电网电压跌落深度较大或故障持续时间较长的情况下，现有的控制策略可能无法有效地维持直流母线电压的稳定，导致系统失稳。

二、低电压穿越技术的改进措施

1. 硬件改进措施

为了提高硬件保护电路的性能，本文提出了一种新型的混合型 crowbar 电路。该电路由电阻和 IGBT 模块并联组成，通过合理的控制策略，可以根据电网故障的严重程度自动调整 crowbar 电路的工作模式。在电网电压轻微跌落时，IGBT 模块处于关断状态，crowbar 电路仅通过电阻进行限流，以减少能量损耗；当电网电压跌落深度较大时，IGBT 模块导通，与电阻共同作用，进一步限制转子电流，提高保护效果。同时，该混合型 crowbar 电路还具有快速退出功能，在故障切除后，能够迅速将 crowbar 电路退出运行，减少对风机正常运行的影响。

2. 软件控制改进措施

在软件控制方面，本文提出了一种基于自适应滑模控制的矢量控制算法。该算法通过引入自适应机制，能够根据电网电压的变化实时调整滑模面的参数，提高系统的响应速度和控制精度。在电网故障时，自适应滑模控制算法可以快速跟踪定子磁链的变化，准确计算出转子电流的参考值，从而有效地抑制转子过电流。同时，为了提高无功功率的补偿效果，本文设计了一种基于模型预测控制的无功功率自适应补偿策略。该策略通过建立双馈风机的预测模型，对电网电压的未来变化趋势进行预测，并根据预测结果自适应地调整无功功率的参考值。在电网故障期间，该策略可以根据电网的需求实时调整无功功率的输出，提高系统的电压支撑能力。

三、改进后低电压穿越技术的性能分析

1. 仿真模型的建立

仿真模型主要包括风力机模型、双馈感应发电机模型、变流器模型以及控制系统模型等。其中，风力机模型采用了简化的空气动力学模型，该模型基于叶素动量理论，将风轮视为多个叶素的组合，通过计算作用在叶素上的气动力来确定风力机的输出转矩，同时考虑了风速变化和桨距角调节对风力机性能的影响。双馈感应发电机模型考虑了定子和转子的电磁特性，基于 Park 变换建立了 dq 坐标系下的数学模型，精确描述了定子和转子电压、电流以及磁链之间的关系，能够准确反映发电机在不同运行工况下的电磁动态特性。变流器模型采用了两电平电压源型变流器，考虑了 IGBT 开关器件的导通和关断特性，以及直流母线电容的充放电过程，能够模拟变流器在正常运行和故障情况下的功率变换过程。

2. 仿真工况的设置

为了全面评估改进技术的性能，本文设置了多种仿真工况，包括三相短路故障、单相接地故障以及不同电压跌落深度和故障持续时间的情况。在三相短路故障工况下，设定电网电压跌落至额定电压的 30% ，故障持续时间为 0.5s，同时考虑了故障发生时刻对系统响应的影响，分别在电网电压过零点和峰值点设置故障，以考察系统在不同初始条件下的低电压穿越能力。在单相接地故障工况下，设定故障相电压跌落至额定电压的 50% ，非故障相电压升高至额定电压的 1.3 倍，故障持续时间为 0.5s，并且考虑了不同过渡电阻对故障严重程度的影响，通过设置不同的接地电阻值，模拟了实际电网中不同接地故障的情况，以更全面地评估改进技术在不对称故障下的性能表现。

3. 仿真结果与分析

在三相短路故障工况下，改进后的双馈风机在电压跌落期间，转子电流的峰值明显降低，相比传统技术降低了约 30% ，这表明混合型 crowbar 电路和自适应滑模控制算法能够有效地抑制转子过电流。同时，直流母线电压的波动幅度也显著减小，维持在额定电压的 1.1 倍以内，这说明模糊 PID 直流母线电压控制策略能够有效地维持直流母线电压的稳定。此外，改进后的双馈风机能够向电网提供更多的无功功率支持，无功功率的输出峰值达到了额定有功功率的 1.2 倍，相比传统技术提高了约 20% ，这表明基于模型预测控制的无功功率自适应补偿策略能够更好地满足电网的无功需求，提高系统的电压支撑能力。

四、结论

本文针对电网故障下双馈风机的低电压穿越问题，对现有技术进行了深入研究，提出了一种综合的改进方案，包括硬件改进措施和软件控制改进措施，并通过仿真实验对改进后的技术性能进行了详细分析。仿真结果表明，所提出的改进技术能够有效提高双馈风机的低电压穿越能力，在电网故障期间抑制转子过电流和直流母线过电压，同时向电网提供更充分的无功功率支持，提高系统的电压稳定性。该改进技术具有响应速度快、控制精度高、适应性强等优点，具有较高的工程应用价值。未来的研究工作可以进一步考虑将改进技术应用于实际的双馈风机系统中，进行现场试验验证，并结合实际运行数据对改进技术进行优化和完善。此外，还可以研究双馈风机与其他电力设备的协调控制策略，以进一步提高电力系统的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1] 陈鉴庆, 邹旭东, 梁宗泽, 等. 基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略 [J]. 电工技术学报 ,2016,31(2):221-229.

[2] 詹锦, 陈波, 熊永新, 等. 利用调相机提升送端双馈风机高电压穿越能力的协调控制 [J]. 电力系统保护与控制 ,2020,48(18):59-68.

[3] 余欣梅 , 陈豪君 , 王星华 . 基于深度神经网络的 DFIG 低电压穿越技术研究 [J]. 南方能源建设 ,2021,8(3):122-130.