风力发电是目前世界上最具有开发价值的可再生能源利用技术之一，近年来风力发电快速发展，大型风电场的并网运行已经成为风力发电发展的主流。风电场的并网运行也给并网和风电机组的运行安全带来了新课题，风力发电的随机性和不稳定可能给电网安全平稳运行带来不利因素，反过来电网运行的波动也会给风电机组的安全带来危害。例如当电网的运行电压过低时，并网运行的风电机组如果不及时动作就可能严重受损，同时也影响电力系统的运行稳定性。

风电机组低电压穿越(LVRT)能力是指当端电压降低到一定值的情况下，风电机组不脱离电网继续维持运行的能力，这种运行有时甚至还可以为系统提供一定无功支持以帮助电网系统恢复电压。

本文准备在分析低电压事件对双馈风电机组影响的基础上，提出一种基于软件控制的软穿越功能和基于硬件实现LVRT的控制方式，利用这种技术可以避免电网电压突降对风电机组的不利影响。

1.LVRT要求

德国电网公司提出的LVRT要求如图1。

图1 E ON LVRT曲线

该公司的标准明确指出了当端电压跌落到多少幅值时风力发电机组可以脱网以及与电网维持连接多长时间可以脱网的具体要求。

对于采用双馈感应发电机的风电机组系统，当电网发生故障电压跌落时，双馈电机定子的电流将会增大，并在转子侧感应出较大的电流。如果电网电压跌落较少，那么通过增大电流调节器的带宽可以限制电流上升，但是若电压跌落的幅度较大，那么转子侧的过电流会损坏直接串接在转子回路上的变流器内部功率器件，即使此时封锁转子侧变流器脉冲，转子电流也会通过续流二极管，造成变流器直流回路(变流器直流电路)电压升高，网侧变流器如果不能快速将能量送至电网，过电压就会导致母线电容损坏。也就是说，电网电压跌落对于双馈风电机组主要会产生两种结果。第一种结果，由于双馈变速风电机组在转子侧装有转子短路保护装置，电网电压的跌落导致转子侧电流或变流器直流电路电压超过限值规定时间后，转子侧变流器被转子短路保护装置旁路，但是机组的电网侧变流器仍与电网相连。第二种结果，当转子侧电流的升高不足危害到转子侧变流器时，转子短路保护装置不动作。但是在定子电压和磁通跌落的同时，双馈电机的输出功率和电磁转矩下降，如果输入风电机组的机械功率保持不变，那么电磁转矩的减少就会导致转子的转速增大，这时机组控制器必须及时调节桨距角减少机组捕获的风能及机械转矩，才有可能实现低电压穿越。

一台具有LVRT功能风电机组必须同时具备以下功能：①在端电压剧烈波动期间仍可保持并网;②电压下降时，控制器可以通过蓄能装置(液压蓄能器或蓄电池)进行变桨，以防止风轮过速;③在电压波动期间，保护变流器和发电机免受高电压和高电流的损害;④暂时关闭可能因暴露在低电压下而受到损害或可能因电路断路器动作或熔丝动作而跳闸的非关键子系统。

2.软穿越(SRT)技术

双馈风电机组结构简图如图2所示，双馈感应电机(DFIG)定子侧直接与电网相连，变流器系统向转子侧提供励磁电流。

图2 双馈风电机组结构简图

通过优化变流器系统的控制软件双馈风电机组可以实现LVRT功能，例如当电网电压下降至额定电压的70%时仍然可以与电网连接，这种技术称为软穿越(Soft-Ride-Through)。软穿越是基于鲁棒控制(Robust Control)概念的一种软件实现LVRT功能的方式。风电机组的控制主要包含两种方式，即增益表技术(Gain Scheduling Techniques)和鲁棒控制(Robust Control)，经典的增益表技术是将非线性或时变系统在选定的工作点进行线性化，鲁棒控制则用于控制因风能不确定性所导致的动态特性变化。当网侧电压下降时，变流器虽然可以通过增加电流来努力使功率输出维持恒定，但是功率器件的电流必须在允许的最大限值以内，一旦超过限值过电流会导致功率半导体器件IGBT结温过高而损坏;为了防止功率变换系统的损坏，控制系统就会启动变流器的自保护采取停机措施，但是如果变流器冷却系统确实能够使IGBT在一定时间内IGBT结的温度保持在允许范围，还是可以允许功率器件的电流短时超限。基于鲁棒控制的运行周期的控制模式，可以限定双馈风电机组输出的有功功率，向电网输出最大电能，并且降低机组输出的无功功率以确保最大的有功功率输出。变流器系统在鲁棒控制下限定某些运行参数可以使风电机组可以在电网电压波动时继续并网运行;也就是说，这种“软穿越”技术的应用，允许风电机组在更宽的电压和频率范围内运行，提高了风电机组对电网的适应性和自身运行的稳定性，同时还可以稳定电网。双馈风电机组可以实现的软穿越范围如图3 所示。

图3 SRT曲线

SRT曲线可以在一定程度上实现LVRT，但如果在电网电压跌落至更低水平(如电网电压下降幅度超过额定电压的15%)时仍然要求风电机组保持运行不脱网，就必须增加发电机和变流器的容量，在敏感控制电路中使用不间断电源(UPS)和控制转子短路保护装置等，只有这样才能完全满足安全稳定运行的要求。

3.基于硬件实现LVRT控制

当电网电压跌落至很低时，如下降幅度超过额定电压的15%，并网系统很可能出现故障阻碍风电机组向电网输送能量;这时如果风速不变，风轮吸收的机械能不变，那么风力机吸收的机械能只能作为转动动量以更高的风轮转速的形式被存储，如果增加的能量不能及时释放或存储，那么会导致发电机的转子超速，进而导致发电机跳闸脱网，同时电网的低电压所产生的过电流会导致熔丝熔断、断路器跳闸或过热等故障。发电机可以存储磁能，当发电机端电压快速下降时，存储的磁能就会转化为过高电流，导致与发电机相连的变流器中的功率半导体器件失效。

为了在更苛刻条件下实现LVRT，双馈风电机组可以增加部分元件并辅以一定的控制策略，如图4所示。当电网电压跌落时，采用不间断电源UPS向机组主控制器和机组所需其他电压等级(230VAC和400VAC)的部件提供电源;为了在低电压事件中保护发电机，变流器包括转子短路保护装置电路由不间断电源供电，将发电机端的电压维持在容许范围内，必要时还应当停止对一个或多个非关键负载的供电，保护这些部件不受损害。

图4 硬件实现LVRT示意框图

采用电机侧变流器控制器监测电机侧变流器的电流和变流器直流电路的电压，可以让电流限制电路及时采取措施防止低压导致的高电流造成的损害。转子短路保护装置和电机侧变流器控制器是允许风电机组克服低电压事件并保持与电网同步的重要组成部分，可以有选择地从变流器或其他可能被过电流损害的组件中分流过电流，利用电机侧变流器控制器有选择地启动或停止转子短路保护装置，还可以使电机侧变流器中的电流维持在可接受的范围内;例如分流发电机转子和电机侧变流器的过电流，可以将变流器电流维持在安全范围。

主控制器主要用于对整个机组进行控制，包括启动和停止机组，控制发电机输出功率与风速匹配，控制叶片角度与风速匹配以防止超速，实现偏航对风等，通常主控制器可以由可编程控制器(PLC)或其他形式实现。为了实现机组的LVRT功能，主控制器检测低电压情况并做出响应，当主控制器判断低电压事件发生时，可将变桨系统从低压配电系统供电模式切换至UPS供电模式，通过减少机械转矩防止风轮过速。另外，对低电压的响应还包括切断机组非关键系统(如偏航系统)电源，以防止熔断器和断路器等发生故障，而其他负载如加热器和照明装置等对低压具有一定抵抗力，可以不需要断开电源。

投入UPS可以让变桨系统在电压跌落时作短时运行等待电网的电压恢复，还可以在电压降低时向一个或多个传感器供电，保证主控制器可以正常监测机组一些关键的运行点，并及时对超速等严重情况做出响应。

4.实现LVRT的控制流程

图5是双馈风电机组实现LVRT功能的控制流程。

图5 LVRT控制流程简图

在发电机组的并网运行中，低电压检测系统根据接入电网方的具体要求预先设定合适的电压限值(电压的降低程度以额定电压的百分比定义)和低压持续时间，一旦电网电压低于设定的电压限值系统判定为低压事件，立即根据受低压影响的严重等级选择部分器件把它们的供电电源切换为备用电源，目的是保证风电机组运行不脱网，保证主控制器和变流器系统能够采取相应的措施让机组在安全条件下运行，以及切断非关键部件的供电保证这些部件不被过高电流损害。与此同时控制系统还要对发电机转子侧的电流进行监测，一旦电网的低电压持续时间超过设定限值，变流器控制器会启动转子短路保护装置以防功率器件损坏。只有当低压事件结束后发电机输出功率被重新提升，主控制器才将系统切换至正常工作状态。

5.结束语

通过对双馈风电机组实现LVRT的应用技术分析，可以看出当电网电压跌落至较低水平时，采取软硬件互相支持的方式可以满足机组的低电压穿越功能，提高机组的输出能力和一定程度上稳定电网，有效提高机组输出的电能质量。文中方法目前虽然还处于研究阶段，但其中的一些方法已经在实际产品中得到应用。随着风场装机容量的不断增大，电网一定会对风电机组LVRT提出标准要求，与发电机组并网运行的相关的测试、评估环境也将会越来越完善。