一种新型双馈风电机组低电压穿越技术研究

摘要：深入分析了双馈风电机组的数学模型并研究了新型低电压穿越(LVRT)硬件设计原理和控制策略，并在不同控制模式下进行仿真，对比分析了风电机组发生电网电压跌落和恢复过程中相关暂态特性，同时在风场进行实际的LVRT测试及相关策略验证测试。这种新型LVRT技术有利于减小风电机组在发生电网电压跌落和恢复过程中相关暂态特性对风电机组的不良影响。
关键词：双馈风电机组；低电压穿越；控制策略

1 引言
目前，为保证新能源快速发展，以及国家电网运行安全，要求风电机组必须具有LVRT能力。国内外对于双馈风电机组的LVRT方案已进行了大量深入研究，对风电机组在电网故障下的各种运行状态对电网的影响及各种暂态性能对风电机组性能和使用寿命影响进行了大量研究工作。研究表明，风电机组在深度低电压跌落及恢复过渡过程中，发电机的电磁转矩和传动轴、齿轮箱等部件将受到冲击而导致轴系出现扭振，甚至可能引起轴线共振。
此处将阐述一种新型LVRT方案。深入分析了双馈风电机组的数学模型及新型LVRT硬件设计原理和控制策略，并在不同控制模式下进行仿真。同时讨论了在此技术方案下，当发生电网电压低于20％的跌落时，风电机组不停机而正常运行，可避免发生电网跌落引起电网的不稳定。

2 双馈风力发电机组传动链数学模型
双馈风电机组一般由转子、传动链(分为刚性和柔性)及发电机组成，其中大功率风电机组一般均被当作柔性传动链模型进行研究。此处将风机叶片和轮毂等效为一个质量块，齿轮箱和发电机转子等效为一个质量块，如图1所示。

双馈风电机组两个质量块传动链数学模型为：

式中：K为传动轴系的刚度系数；Hm，Hg分别为风电机组和发电机转子的总惯性时间常数；ωm，ωg分别为风轮和发电机角速度；θs为轴系的扭转角位移；Tm，Te分别为转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩；Dm，Ds，Dg分别为风电机组与发电机之间阻力系数、风电机组自身阻尼系统及发电机转子自身阻尼系统。

3 新型LVRT控制方案
3．1 新型LVRT硬件方案
为适应新电网运行规则要求，阐述一种新型双馈风电机组LVRT拓扑方案，其硬件拓扑结构如图2所示。发电机转子出线端与直流母线两端新增一个二极管整流桥并联在母线上，同时在变流器直流母线两端并联DBR回路(DBR电阻与IGBT串联)，Crowbar拓扑电路结构采用了二极管整流桥、晶闸管和电阻。

3．2 LVRT控制策略
根据电网故障时电压跌落程度不同，双馈风电机组的LVRT策略主要有两种：改变变流器的励磁控制和转子侧Crowbar保护电网。电网严重故障情况下，Crowbar电路触发后和电网故障恢复时的暂态过程中会产生电流、电磁转矩和扭矩瞬态跳变，这些暂态特性会对电网稳定性、风电机组特性和使用寿命产生的不良影响。为减少此影响，采取新控制策略，如图3所示。