杜 雄，李珊瑚，劉義平，周雒維

（1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.天津市電力公司路燈處，天津 300151）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例的增加，電網(wǎng)公司要求風(fēng)電系統(tǒng)需像傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)一樣，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)具有繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行的能力。各國相繼提出了越來越嚴(yán)格的故障穿越標(biāo)準(zhǔn)[1]，要求機(jī)組在電網(wǎng)故障情況下能夠按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行[1-3]，我國也提出了風(fēng)電場接入電網(wǎng)的技術(shù)要求[4]。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組通過全功率變流裝置接入電網(wǎng)，一般認(rèn)為全功率變換器將電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)組解耦，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好，相比雙饋結(jié)構(gòu)更易穿越電網(wǎng)故障[5]。事實(shí)上直驅(qū)機(jī)組在電網(wǎng)故障下運(yùn)行仍然會(huì)產(chǎn)生很多問題。以永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組為例，在電網(wǎng)故障情況下，以常規(guī)電流控制[6-8]為基礎(chǔ)的功率變換器直流母線電壓可能超出額定值、網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流增大可能危及電力電子器件的安全運(yùn)行[9-20]、存在網(wǎng)側(cè)變換器輸出功率含有2倍工頻波動(dòng)、直流母線電壓含有2倍工頻紋波、網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流含有負(fù)序分量和諧波[21-29]等問題。因此，必須解決直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下運(yùn)行面臨的諸多問題，提高其故障穿越能力，滿足故障穿越標(biāo)準(zhǔn)。許多文獻(xiàn)對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制進(jìn)行了研究。如文獻(xiàn)[11-12]提出了限制電磁功率的控制方法來減小發(fā)電機(jī)輸出功率，從而限制直流母線電壓上升和網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流增大；文獻(xiàn)[13]提出了在直流側(cè)增加卸荷負(fù)載的方法來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定；文獻(xiàn)[14-18]提出在直流側(cè)增加儲(chǔ)能元件幫助風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)故障穿越；文獻(xiàn)[19-20]通過在故障情況下提供無功功率來支撐電網(wǎng)電壓，避免直流母線電壓上升和網(wǎng)側(cè)變換器電流增大；文獻(xiàn)[21-24]通過控制使在電網(wǎng)不對(duì)稱故障情況下網(wǎng)側(cè)變流器的負(fù)序電流為零，三相并網(wǎng)電流對(duì)稱；文獻(xiàn)[25-28]通過控制實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱故障情況下，輸出有功功率波動(dòng)為零，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

本文首先總結(jié)風(fēng)電機(jī)組故障穿越標(biāo)準(zhǔn)的要求，然后依據(jù)電網(wǎng)故障特征[30]，通過分析電網(wǎng)故障情況下機(jī)組的功率關(guān)系，指出直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在故障情況下繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行將產(chǎn)生2類問題：一是電網(wǎng)電壓正序分量有效值下降帶來的“有功不平衡”問題，二是電網(wǎng)電壓負(fù)序分量帶來的“功率波動(dòng)”問題。然后根據(jù)所總結(jié)的2類問題，將文獻(xiàn)中報(bào)道的故障穿越控制方法進(jìn)行了總結(jié)和歸類。解決“有功不平衡”的方法又可歸納為3種：減小發(fā)電機(jī)的輸出功率，如調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的槳距角[9-10]、限制發(fā)電機(jī)的電磁功率等[11-12]；在直流母線處消除或存儲(chǔ)有功不平衡，如在直流母線處增加卸荷負(fù)載[13]、增大直流母線電容值[14]、采用超級(jí)電容儲(chǔ)能[15-17]等；增大機(jī)組功率輸出能力，如在故障情況下通過無功補(bǔ)償來支撐接入點(diǎn)電壓等[19-20]。解決“功率波動(dòng)”的方法又可歸納為2種：消除并網(wǎng)電流的負(fù)序分量的控制方法[21-24]和消除直流母線2倍電壓波動(dòng)的控制方法[25-28]。最后對(duì)各種故障穿越控制方法進(jìn)行了分析和比較，總結(jié)它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障穿越控制方法的進(jìn)一步研究方向。

1 風(fēng)電機(jī)組故障穿越并網(wǎng)要求

世界各國都相繼制定了相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組故障穿越標(biāo)準(zhǔn)[1]，圖1為德國、英國、美國和丹麥四國故障穿越標(biāo)準(zhǔn)中電網(wǎng)電壓跌落程度與風(fēng)電機(jī)組需持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)間。

圖1 各國故障穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Fault ride-through standards of different countries

各國制定的故障穿越標(biāo)準(zhǔn)中，除包含圖1所示的并網(wǎng)時(shí)間要求外，一般都包含以下4個(gè)方面的規(guī)定：

a.公共耦合點(diǎn)的電網(wǎng)電壓有效值的跌落程度與要求機(jī)組繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間長短的關(guān)系；

b.電網(wǎng)線電壓有效值的跌落程度與輸出無功功率的關(guān)系；

c.故障切除后，有功功率的恢復(fù)速率；

d.頻率的波動(dòng)與輸出有功功率的關(guān)系。

我國國家電網(wǎng)公司也制定了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)[4]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力，如圖2所示。風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行；在故障切除后，以至少10%額定功率／秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

圖2 中國的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 LVRT standard of China

為了滿足各國的風(fēng)電機(jī)組故障穿越標(biāo)準(zhǔn)，需解決電網(wǎng)故障給直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組所帶來的各種問題[2-3]。目前報(bào)道的大部分研究低電壓穿越控制的方法都針對(duì)上述故障穿越標(biāo)準(zhǔn)要求a開展研究，只有少數(shù)文獻(xiàn)對(duì)要求c進(jìn)行了討論[19-20]，因此本文綜述的各種故障穿越控制方法也主要是針對(duì)要求a。

2 電網(wǎng)故障特征與直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障穿越面臨的問題

2.1 電網(wǎng)故障特征

電網(wǎng)故障可分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類[30]。對(duì)稱故障為三相接地短路，其故障特征為電網(wǎng)電壓（正序分量）有效值下降，其下降程度與故障點(diǎn)和公共耦合點(diǎn)的距離有關(guān)。不對(duì)稱故障包括單相接地短路、兩相接地短路和相間短路3類。不對(duì)稱故障情況下，三相電壓值會(huì)按照不同規(guī)律發(fā)生改變，但存在一個(gè)共同的規(guī)律，即電網(wǎng)電壓會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量，同時(shí)正序分量有效值下降。因此，不對(duì)稱故障除包含對(duì)稱故障電壓下降的特征之外，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量。下面將會(huì)通過直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的功率分析表明：故障情況下，電網(wǎng)電壓正序分量下降和負(fù)序分量會(huì)產(chǎn)生不同的問題。因此文中將故障穿越控制方法按照這2個(gè)故障特征產(chǎn)生的問題進(jìn)行總結(jié)和分類，而不是簡單地直接按照對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障進(jìn)行分類。

2.2 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率分析

圖3為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 PMSG風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of PMSG wind turbine

在不考慮損耗的情況下，渦輪機(jī)輸出的機(jī)械功率pm、發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率pe和風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)功率pg滿足如下的功率平衡方程：

其中，J為渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；ω為發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度；C為直流母線電容。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，pm=pe=pg，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，直流母線電壓也穩(wěn)定。但下一節(jié)的分析將會(huì)表明在電網(wǎng)故障情況下，功率平衡關(guān)系被打破，會(huì)導(dǎo)致一系列的問題。

2.3 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障穿越面臨的問題

2.3.1 電網(wǎng)電壓正序分量降低時(shí)的問題

從2.1節(jié)的分析可知，電網(wǎng)對(duì)稱故障或不對(duì)稱故障均會(huì)使電網(wǎng)電壓正序分量有效值降低。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)換流器的輸出電流限制，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)輸出功率pg將減小，假設(shè)故障瞬間風(fēng)速不變，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不變，那么風(fēng)電機(jī)組輸入機(jī)械功率pm不變，如果發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率pe也不變，將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸入、輸出的有功不平衡，會(huì)產(chǎn)生不平衡功率Δp：

由式（2）可知，不平衡功率Δp將導(dǎo)致直流母線電壓udc上升。如果網(wǎng)側(cè)換流器不采取限流措施，將會(huì)使輸出電流增大。當(dāng)直流母線電壓超過電容的耐壓值、電流超過功率器件的耐流值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組就會(huì)自動(dòng)切機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)故障穿越。

因此，針對(duì)電網(wǎng)電壓正序分量降低時(shí)“有功不平衡”產(chǎn)生的直流母線電壓上升、輸出電流增大的問題，解決的措施是消除不平衡功率Δp來提高故障穿越能力，第3節(jié)將會(huì)對(duì)文獻(xiàn)中消除有功不平衡的方法進(jìn)行總結(jié)和比較。

2.3.2 電網(wǎng)電壓產(chǎn)生負(fù)序分量時(shí)的問題

電網(wǎng)不對(duì)稱故障情況下，除正序分量有效值下降外，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量。由于負(fù)序電壓分量的存在，將會(huì)在網(wǎng)側(cè)電流中產(chǎn)生負(fù)序電流和諧波分量，同時(shí)還會(huì)引起并網(wǎng)功率的波動(dòng)。在dq軸系下進(jìn)行分析時(shí)，分別將電網(wǎng)電壓／電流的正、負(fù)序分量變換到正、負(fù)序dq軸系，可得到正、負(fù)序分量分別在正、負(fù)序dq軸上的直流分量。記edp、eqp分別為電網(wǎng)電壓正序分量的正序dq軸系變換結(jié)果；edn、eqn為電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的負(fù)序dq軸系變換結(jié)果；idp、iqp為電網(wǎng)電流正序分量的正序dq軸系變換結(jié)果；idn、iqn為電網(wǎng)電流負(fù)序分量的負(fù)序dq軸系變換結(jié)果。不對(duì)稱電網(wǎng)電壓在正序d、q軸系的變換結(jié)果可表示為：

其中，ed、eq分別為含負(fù)序分量的電壓直接變換到正序dq軸系的d、q軸分量。

從式（4）可以看出，負(fù)序電壓分量在正序dq軸系下含有2倍工頻分量。在常規(guī)的dq軸電流控制中，dq軸的2倍工頻電壓分量將會(huì)被引入到參考電流中[22]，其表達(dá)式為：

其中，idref、iqref分別為根據(jù)功率參考信號(hào) pref、qref得到的電流參考信號(hào)。將式（5）展開，dq軸參考電流含有2次及以上諧波，那么根據(jù)畸變的參考信號(hào)控制得到的實(shí)際三相電流將會(huì)含有負(fù)序分量以及諧波分量。這說明電壓負(fù)序分量將會(huì)導(dǎo)致電流不對(duì)稱和畸變。

當(dāng)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)，由于電流中也同時(shí)含有負(fù)序分量，并網(wǎng)有功pg和無功qg也可采用dq軸分量表示為[27]：

從式（6）可以看出，并網(wǎng)有功功率除直流分量Pg0外，還含有2倍工頻的波動(dòng)分量，其峰值Pg2由式（6）中有功正弦和余弦分量共同決定，為：

由于并網(wǎng)有功功率存在波動(dòng)，從式（2）可知，交直交變流器的直流母線電壓將會(huì)產(chǎn)生2次工頻紋波。當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)過大時(shí)，將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)切機(jī)。

從上述分析可知，電網(wǎng)故障下的電壓負(fù)序分量在常規(guī)電流控制方式下將導(dǎo)致并網(wǎng)電流產(chǎn)生負(fù)序分量。由于電壓、電流均存在正、負(fù)序分量，將產(chǎn)生式（6）所示的“功率波動(dòng)”問題。根據(jù)交流側(cè)和直流側(cè)的功率平衡，交流側(cè)的功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓2倍工頻波動(dòng)。因此不對(duì)稱情況下直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障穿越將面臨“功率波動(dòng)”、并網(wǎng)電流中產(chǎn)生電流負(fù)序分量和直流母線電壓2倍工頻紋波等問題。

3 有功不平衡控制策略

消除由電網(wǎng)電壓跌落帶來的“有功不平衡”問題，文獻(xiàn)中報(bào)道的方法可以分為3類：減小發(fā)電機(jī)的輸出功率來減小換流器的輸入功率；在直流母線處消除不平衡功率；增大網(wǎng)側(cè)換流器輸出功率能力。

3.1 減小換流器輸入功率

減小換流器輸入功率法按照響應(yīng)速度的快慢，又可分為調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的槳距角和限制發(fā)電機(jī)的電磁功率2種。

3.1.1 槳距角調(diào)節(jié)

風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)能的大小與槳距角相關(guān)。在正常工況下，一般控制槳距角來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤[9]。在電網(wǎng)故障情況下，同樣也可通過調(diào)節(jié)槳距角使其不工作在最大功率點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]通過調(diào)節(jié)槳距角來減小風(fēng)輪機(jī)捕獲的機(jī)械能pm，從而減小發(fā)電機(jī)輸出功率pe來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功平衡。該方法不需要增加額外的硬件，但由于槳距角調(diào)節(jié)屬于機(jī)械調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間通常在幾百毫秒乃至秒級(jí)[12]，且該方法存在較大的延時(shí)，因此只適用于長時(shí)間故障?？紤]故障恢復(fù)時(shí)間，對(duì)于幾個(gè)工頻周期的電壓暫降而言，采用變槳距調(diào)節(jié)很難有效地限制發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率，需要其他方法來實(shí)現(xiàn)故障穿越。

3.1.2 限制發(fā)電機(jī)的電磁功率

為了快速限制輸入功率，文獻(xiàn)[11-12]提出在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，通過機(jī)側(cè)換流器的控制限制發(fā)電機(jī)的電磁功率pe來消除不平衡功率Δp，將多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能，使轉(zhuǎn)子加速。由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量常數(shù)H一般為秒級(jí)，對(duì)于持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)工頻周期短的電網(wǎng)短路故障而言，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增量很小，可認(rèn)為轉(zhuǎn)速幾乎不變。當(dāng)故障切除后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將自動(dòng)下降，且轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能將釋放回電網(wǎng)。故障后恢復(fù)時(shí)間tr可表示為：

其中，Wr為故障期間轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的動(dòng)能，Δp為有功不平衡量，tf為故障持續(xù)時(shí)間，peN為電磁功率的額定值，ki為換流器的過流系數(shù)。

從式（9）可以看出，故障恢復(fù)時(shí)間與故障期間的有功不平衡Δp和故障持續(xù)時(shí)間tf成正比，與換流器過流能力成反比。以Δp=0.4 peN、換流器過流系數(shù)為0.2為例，故障恢復(fù)時(shí)間將為故障持續(xù)時(shí)間的2倍。在故障恢復(fù)過程當(dāng)中，若再次發(fā)生故障，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能還未全部轉(zhuǎn)化為電能，又需要將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能，使其轉(zhuǎn)速在前次故障的基礎(chǔ)上加速，有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失速，而不能繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行[1]。

3.2 直流母線處消除不平衡功率

在直流母線處消除不平衡功率可以分為增大直流母線電容、直流母線處增加卸荷負(fù)載和采用儲(chǔ)能裝置3種。

3.2.1 增大直流母線電容

為了在直流母線處消除不平衡功率，最直觀的就是將母線電容作為儲(chǔ)能元件。文獻(xiàn)[14]對(duì)增大直流母線電容進(jìn)行了討論。直流母線電容值可以根據(jù)下式確定：

其中，Udcmax和Udcmin分別為直流母線電壓的允許最大值和最小值。

雖然該方法不需要改變?nèi)魏慰刂撇呗?，只需將直流?cè)的電容增大，但電容值需急劇增大才能存儲(chǔ)功率差額。直流母線的電解電容極易受損，是影響機(jī)組可靠性的重要因素，從體積和可靠性的角度都希望電解電容值盡可能小。因此，通過增大直流母線電容來存儲(chǔ)功率的能力有限。

3.2.2 直流母線處增加卸荷負(fù)載

為了避免增大直流母線電容的缺點(diǎn)，可以通過在直流母線處增加卸荷負(fù)載的方法來消耗不平衡功率Δp[13]。卸荷負(fù)載功率的控制可以通過卸荷開關(guān)的占空比來實(shí)現(xiàn)：

其中，D為卸荷負(fù)載開關(guān)的占空比，R為卸荷負(fù)載的電阻值。

該方法能快速消除有功功率的不平衡，但會(huì)將能量消耗掉，同時(shí)給系統(tǒng)帶來安裝及散熱等問題。

3.2.3 采用儲(chǔ)能裝置

為了減小損耗，可以采用儲(chǔ)能元件對(duì)不平衡功率進(jìn)行儲(chǔ)存實(shí)現(xiàn)故障穿越，還可以平滑有功功率的輸出[15]。文獻(xiàn)[16-17]在直流母線處加入超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，文獻(xiàn)[18]采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來解決不平衡有功功率Δp。在永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中交直交變流器直流母線加入超級(jí)電容儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)如圖4所示，可以通過對(duì)雙向DC-DC變換器的控制來消納在故障期間輸入、輸出功率的差值，消除有功功率不平衡的問題，避免直流母線電壓的泵升[31]。

圖4 含超級(jí)電容儲(chǔ)能的永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組Fig.4 PMSG wind turbine with super-capacitors

采用儲(chǔ)能裝置的方法可以很好地解決有功不平衡的問題，實(shí)現(xiàn)故障穿越，但儲(chǔ)能元件的成本高，另外儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理和控制也需要額外的研究，目前尚未大范圍應(yīng)用，是一種很有發(fā)展前途的方案。

3.3 增大網(wǎng)側(cè)換流器輸出功率能力

增大網(wǎng)側(cè)換流器輸出功率能力主要是在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)偏差時(shí)采用無功補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)電壓支撐。實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ型ㄟ^改變網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略來輸出無功電流[19]和通過無功補(bǔ)償器補(bǔ)償無功功率[20]。該方案一般應(yīng)用于電壓偏差范圍較小的情況，在嚴(yán)重短路故障情況下，通過無功補(bǔ)償?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)電壓支撐的能力有限。

4 功率波動(dòng)控制策略

消除電網(wǎng)電壓不對(duì)稱帶來的功率波動(dòng)問題，是目前文獻(xiàn)中討論的熱點(diǎn)。從消除功率波動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)和實(shí)際效果可以將這些方法歸納為2類：消除并網(wǎng)電流負(fù)序分量的控制方法和消除直流母線電壓紋波的控制方法。

4.1 消除并網(wǎng)電流負(fù)序分量控制

在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱情況下，可以根據(jù)電壓和電流分別在正負(fù)序dq軸下的分量確定電流環(huán)的參考信號(hào)：

該電流參考信號(hào)只含有正序分量，與實(shí)際電流的誤差信號(hào)經(jīng)過電流誤差放大器后，得到網(wǎng)側(cè)換流器的電壓正序參考信號(hào)u*dp、u*qp；再加入網(wǎng)側(cè)電壓前饋信號(hào)[22]和解耦項(xiàng)，得到換流器的電壓參考信號(hào)如式（13）所示，其控制框圖如圖5所示。

圖5 消除并網(wǎng)電流負(fù)序分量控制框圖Fig.5 Block diagram of grid-side negative-sequence current control

除采用引入電壓前饋的方法外，還有采用諧振控制器[24]等其他控制策略來消除并網(wǎng)負(fù)序電流。

采用消除負(fù)序電流控制方法后，雖然消除了注入電網(wǎng)的負(fù)序電流，但由于不對(duì)稱故障情況下，電壓含有負(fù)序電壓，負(fù)序電壓和正序電流同樣會(huì)產(chǎn)生2倍工頻紋波波動(dòng)，因此該方法仍然會(huì)產(chǎn)生直流母線的2倍工頻紋波波動(dòng)。

4.2 消除直流母線電壓紋波控制

從2.3.2節(jié)的分析可知，消除直流母線電壓2倍工頻紋波的關(guān)鍵是消除并網(wǎng)功率波動(dòng)。根據(jù)式（7），可以在正負(fù)序dq軸系下，根據(jù)正負(fù)序電壓分量的大小合理地設(shè)置正負(fù)序電流參考值，使功率波動(dòng)分量Pgcos和Pgsin為0，采用雙dq軸控制可以消除功率波動(dòng)。正負(fù)序參考電流值可以按照式（14）確定[25]。

從式（14）可知正負(fù)序電流需采用雙dq軸控制，其控制框圖如圖6所示。

圖6 消除直流母線電壓紋波控制框圖Fig.6 Block diagram of DC-bus voltage ripple control

消除直流母線電壓紋波的方法是通過在電網(wǎng)電流中產(chǎn)生一定比例的電流負(fù)序分量來消除直流母線2倍工頻紋波，但將導(dǎo)致電網(wǎng)電流不對(duì)稱。除采用雙dq軸解耦方法外，還有采用直流母線電壓波動(dòng)反饋[28]等其他控制策略來消除直流母線電壓紋波的方法。

5 故障穿越控制方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

文中討論的各種故障穿越控制的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。從表1可以看出，解決“有功不平衡”問題的3類方法在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、效率、體積和成本等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)；解決“功率波動(dòng)”問題的2類方法均只能解決直流母線2倍工頻紋波和并網(wǎng)電流負(fù)序分量中的一個(gè)方面。因此，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制仍然需要進(jìn)行深入的研究，具體內(nèi)容將會(huì)在后節(jié)結(jié)論中指出。

表1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制方法優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of fault ride-through control strategy for direct-drive wind turbine

6 結(jié)語

本文根據(jù)電網(wǎng)故障特征將直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)故障穿越面臨的問題歸結(jié)為由電網(wǎng)電壓正序分量有效值下降帶來的“有功不平衡”和電網(wǎng)電壓負(fù)序分量帶來的“功率波動(dòng)”兩大類。根據(jù)總結(jié)的兩大類問題，對(duì)目前直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障穿越控制策略進(jìn)行了總結(jié)，分別又將解決“有功不平衡”問題的控制方法歸納為3類，解決“功率波動(dòng)”問題的控制方法歸納為2類。分別分析總結(jié)了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)文中的分析結(jié)果，筆者認(rèn)為直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障穿越的深入研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

a.目前解決“有功不平衡”問題的各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以考慮將2種或多種方法結(jié)合起來研究組合方法，綜合各種方法的優(yōu)點(diǎn)；

b.尋找一種能同時(shí)解決電網(wǎng)電壓負(fù)序分量帶來的并網(wǎng)電流負(fù)序分量和直流母線電壓紋波的方法是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提高故障穿越能力的一個(gè)研究方向；

c.在電網(wǎng)不對(duì)稱故障的情況下，如何協(xié)調(diào)控制“有功不平衡”和“功率波動(dòng)”這2類問題也是直驅(qū)風(fēng)電研究的一個(gè)方向；

d.隨著儲(chǔ)能裝置成本的降低，將儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越控制的深入研究也將是一個(gè)有意義的研究方向。