鄧秋玲，楊國(guó)靈，廖宇琦，艾文豪，朱明浩

（湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411104）

0 引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）系統(tǒng)的功率變換器通過集電環(huán)和電刷接在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路，僅對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行變換，因此變流器額定功率僅為發(fā)電機(jī)額定容量的三分之一左右，這是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)；另外，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還可以通過矢量控制對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行解耦控制，使系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，以降低系統(tǒng)的損耗.

然而，正因?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器容量小的緣故，使它對(duì)電網(wǎng)故障相當(dāng)敏感，也使得它對(duì)電網(wǎng)故障的抵御能力比全功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)差［1-2］.研究表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到一定數(shù)值時(shí)，如果不采取任何措施，DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)從電網(wǎng)中解列開來.這對(duì)風(fēng)力發(fā)電所占比例不高的電力系統(tǒng)來說是可以接受的.然而，對(duì)風(fēng)電滲透較高的電力系統(tǒng)來說，就會(huì)造成電網(wǎng)電壓和頻率的控制難題，更嚴(yán)重的情況是使系統(tǒng)崩潰.

從圖1所示的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以看出，發(fā)電機(jī)的定子直接連接到電網(wǎng)中，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障引起電壓驟降時(shí)會(huì)在定子繞組中引起較大的故障電流.通過定子和轉(zhuǎn)子之間的電磁感應(yīng)作用，會(huì)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出一個(gè)較大的電流.定、轉(zhuǎn)子中過大的電流會(huì)導(dǎo)致鐵心飽和、磁導(dǎo)率下降、電抗減小，使轉(zhuǎn)子電流進(jìn)一步增加，引起DFIG電磁轉(zhuǎn)矩劇烈變化，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的沖擊很大，有可能損壞機(jī)組.另外，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障而使電壓下降時(shí)，由于變流器中電力電子器件的熱容量有限，必須對(duì)變流器輸出電流進(jìn)行限制，因此在變流器的保護(hù)作用下輸出電流不會(huì)增大，使得輸送到電網(wǎng)的功率減小，剩下的能量給直流母線的電容充電，從而直流母線電壓增加過快，將導(dǎo)致電容有損壞的風(fēng)險(xiǎn).

圖1 變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理圖

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，DFIG控制策略的主要目標(biāo)是對(duì)轉(zhuǎn)子過電流、直流母線過電壓以及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的有效控制［1］.通常采取的解決方法有兩種：一是在電網(wǎng)發(fā)生故障引起輸送到電網(wǎng)的功率減小時(shí)，立即改變風(fēng)電機(jī)組的控制策略，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率減少.即可以采用風(fēng)力機(jī)變槳距以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的能量來使系統(tǒng)功率獲得平衡.二是采用Crowbar保護(hù)電路來消耗吸收剩余的能量或采用儲(chǔ)能裝置來儲(chǔ)存剩余的能量［2］.但增加儲(chǔ)能裝置和輔助變流器將會(huì)增加系統(tǒng)的成本，況且電網(wǎng)故障持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)，因此常采用Crowbar保護(hù)電路.

本文首先介紹槳距角控制方案，然后研究電網(wǎng)故障下的Crowbar保護(hù)電路，最后對(duì)故障期間和故障后的電網(wǎng)電壓支持控制策略進(jìn)行研究.

1 電網(wǎng)故障下的風(fēng)輪控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

DFIG在電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下運(yùn)行的控制目標(biāo)［3-4］包括以下幾個(gè)方面：（1）保持電網(wǎng)故障期間不脫網(wǎng)運(yùn)行，以防發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列引發(fā)弱電網(wǎng)產(chǎn)生更大的后續(xù)故障；（2）電網(wǎng)故障出現(xiàn)低電壓時(shí)，快速向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，以幫助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)，避免電網(wǎng)電壓崩潰；（3）消耗吸收產(chǎn)生故障時(shí)的剩余能量，保證功率變換器和直流母線電容安全可靠；（4）將故障期間電磁轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)值控制在轉(zhuǎn)軸和齒輪箱可承受的范圍之內(nèi)（約2～2.5倍額定轉(zhuǎn)矩）；（5）抑制轉(zhuǎn)速增加，防止飛車事故.

DFIG風(fēng)輪機(jī)組在電網(wǎng)故障下的控制和保護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括槳距角控制系統(tǒng)與DFIG在電網(wǎng)故障期間的保護(hù)和控制系統(tǒng)［5］，如圖2所示.

圖2 電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)輪的保護(hù)和控制框圖

2 槳距角控制

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障跌落時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器輸送到電網(wǎng)的功率將降低，如果機(jī)側(cè)不采取相應(yīng)的措施限制發(fā)電機(jī)的輸出功率，則會(huì)使直流母線兩端的功率不平衡，將會(huì)導(dǎo)致雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速上升，此時(shí)可采用增大風(fēng)輪機(jī)的槳距角，即采用變槳距控制來使風(fēng)電機(jī)組輸出的功率減小，從而達(dá)到阻止風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的目的，典型的變槳距角控制方案如圖3所示.在電網(wǎng)正常的條件下，按照最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，由風(fēng)速Vwind來調(diào)節(jié)槳距角θ；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電網(wǎng)跌落故障時(shí)，馬上采取變槳距控制策略，此時(shí)應(yīng)根據(jù)故障時(shí)設(shè)定的極限功率，利用系數(shù)Cp_lim來估算風(fēng)能，然后查表選定槳距角的設(shè)定值，則可以通過限定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率Pwind來平衡故障下網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率的下降.

圖3 槳距角控制

由于槳距角可以直接控制發(fā)電機(jī)速度，無(wú)論在正常運(yùn)行時(shí)還是在電網(wǎng)故障時(shí)都能夠防止發(fā)電機(jī)過速.不同的是，在電網(wǎng)正常時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)可由電網(wǎng)提供電力來工作，而在電壓跌落后，則需要采用備用電源供電，進(jìn)一步增加了成本和復(fù)雜程度［7］.這種方法受變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)等因素限制，響應(yīng)速度較慢.

3 電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)與控制

3.1 電網(wǎng)故障下DFIG風(fēng)輪的保護(hù)系統(tǒng)

變流器只是對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行控制，在電網(wǎng)故障期間，將很快達(dá)到其極限值，因而不能繼續(xù)對(duì)發(fā)電機(jī)的功率進(jìn)行控制，結(jié)果使得電網(wǎng)故障期間轉(zhuǎn)子電壓和電流都增大.在電網(wǎng)電壓降落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）不能將功率從網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)一步輸送到電網(wǎng)，因此，多余的能量給直流母線電容器充電，直流母線電壓將會(huì)升高得很快.

為了限制過大的發(fā)電機(jī)電流和通過RSC流向直流母線的不可控制的能量流動(dòng)，DFIG變流器必須有一個(gè)合適的保護(hù)系統(tǒng).一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是通過滑環(huán)將一外部轉(zhuǎn)子阻抗——Crowbar裝置連接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子回路短路［6］，如圖2所示，其作用是限制轉(zhuǎn)子電流和保護(hù)變流器.保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)視不同的信號(hào)，如轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓；當(dāng)其中有一個(gè)被監(jiān)測(cè)的信號(hào)超過各自的繼電器設(shè)定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)被激活.

當(dāng)Crowbar被觸發(fā)，轉(zhuǎn)子通過Crowbar短路，RSC控制失去作用，因此DFIG就像是一個(gè)串了轉(zhuǎn)子電阻的鼠籠感應(yīng)發(fā)電機(jī)（SCIG），RSC控制的失效導(dǎo)致在故障檢測(cè)期間，失去了對(duì)有功和無(wú)功功率的獨(dú)立控制性.這意味著：在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁是通過RSC在轉(zhuǎn)子電路里完成，在出現(xiàn)故障時(shí)，必須通過電網(wǎng)在定子中完成勵(lì)磁.

電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生大的瞬態(tài)電流.當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子通過Crowbar短路，能量消耗在Crowbar裝置中.因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)變流器（GSC）不是直接連接到發(fā)電機(jī)繞組，而是連接在電網(wǎng)側(cè)，在電網(wǎng)故障期間它作為一個(gè)STATCOM去產(chǎn)生無(wú)功功率，幫助電網(wǎng)恢復(fù)電壓到額定值.當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)到一定值時(shí)，根據(jù)附加的指標(biāo)，如電網(wǎng)電壓的幅值，移去Crowbar保護(hù).當(dāng)Crowbar電路移去后，RSC又恢復(fù)原來的功能，即又能單獨(dú)控制有功和無(wú)功功率.

在發(fā)生故障時(shí)，Crowbar對(duì)轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩都有一個(gè)有效的阻尼作用.阻值越大，轉(zhuǎn)子電流衰減越快，電流、轉(zhuǎn)矩振蕩幅值也越小.但如果Crowbar電阻太大，當(dāng)把Crowbar移去時(shí)，會(huì)導(dǎo)致RSC中的功率開關(guān)上產(chǎn)生過電壓，還會(huì)使得直流母線電壓振蕩幅值增加［1，6］.因 此，必 須 正 確 選 擇Crowbar電阻的值.目前的研究發(fā)現(xiàn)Crowbar電阻的值為0.5～0.8 p.u.是比較恰當(dāng)?shù)倪x擇［7］.

3.2 電網(wǎng)故障期間的DFIG控制系統(tǒng)

在正常運(yùn)行模式下，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制轉(zhuǎn)子的電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)電網(wǎng)的有功和無(wú)功功率進(jìn)行解耦控制，然而不管轉(zhuǎn)子功率的大小和方向如何，GSC必須保持直流母線電壓恒定，確保變流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)（零無(wú)功功率）下［8］.轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和網(wǎng)側(cè)變流器GSC的控制都是采用兩級(jí)控制器來實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)控制采用電流控制器，第二級(jí)控制則采用功率控制器，第二級(jí)控制器的輸出為第一級(jí)控制器提供轉(zhuǎn)子電流參考值，如圖4所示.

圖4 正常運(yùn)行時(shí)DFIG的控制結(jié)構(gòu)圖

電網(wǎng)故障期間的DFIG控制是在DFIG正常運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展而建立的.第二級(jí)功率控制器中的有功和無(wú)功功率參考值的設(shè)定取決于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，即運(yùn)行在正常工作模式或是運(yùn)行在故障運(yùn)行模式.例如，在正常運(yùn)行時(shí)，RSC的有功功率參考點(diǎn)P由最大功率跟蹤點(diǎn)（MPPT）查表得到，對(duì)于每個(gè)風(fēng)輪速度，只有一個(gè)發(fā)電機(jī)速度導(dǎo)致最大氣動(dòng)效率Cp.如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，發(fā)電機(jī)速度變化不是由于風(fēng)速的改變而是由于電氣轉(zhuǎn)矩減小，則此時(shí)的有功功率設(shè)置點(diǎn)P必須與正常運(yùn)行時(shí)不同，即將P定義為阻尼控制器的輸出.阻尼控制器的設(shè)計(jì)是用來抑制振蕩的，因?yàn)殡娋W(wǎng)故障將在機(jī)械驅(qū)動(dòng)鏈中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振蕩.當(dāng)檢測(cè)到有故障發(fā)生時(shí)，阻尼控制器就會(huì)起作用.有功功率參考點(diǎn)P將會(huì)在正常運(yùn)行（即MPPT）時(shí)的設(shè)定值和故障運(yùn)行（阻尼控制器）時(shí)的設(shè)定值之間進(jìn)行切換，如圖5所示.

圖5 正常和故障運(yùn)行時(shí)有功設(shè)置點(diǎn)確定

RSC的無(wú)功功率參考點(diǎn)Q根據(jù)無(wú)功功率的需求而設(shè)為某一個(gè)值或零.在正常運(yùn)行時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，GSC只與電網(wǎng)交換有功功率，無(wú)無(wú)功功率交換，即Q=0.因此，從DFIG傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的無(wú)功功率只通過定子.

分析風(fēng)電系統(tǒng)在嚴(yán)重干擾下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)，使用兩質(zhì)量機(jī)械模型可以使風(fēng)輪在電網(wǎng)故障期間得到更精確的響應(yīng)，以便更精確地預(yù)測(cè)電網(wǎng)故障對(duì)電力系統(tǒng)的影響［5］.用一個(gè)大質(zhì)量的模塊對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jrot，而另一個(gè)模塊等效于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jgen.

風(fēng)輪的低速軸和高速軸的運(yùn)動(dòng)方程分別為：

Tmec=Tshaft/ngear.ngear為齒輪箱的比率.ωrot為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度，ωgen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度，轉(zhuǎn)子上的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tareo作用在驅(qū)動(dòng)軸的一端，而發(fā)電機(jī)側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmec作用在驅(qū)動(dòng)軸的另一端，其合成轉(zhuǎn)矩是軸上的扭矩.在穩(wěn)態(tài)時(shí)，所有的轉(zhuǎn)矩是平衡的，即氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tareo等于風(fēng)輪機(jī)軸上轉(zhuǎn)矩Tshaft，機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmec等于電氣轉(zhuǎn)矩Tel.

在電網(wǎng)故障時(shí)，電氣轉(zhuǎn)矩顯著地減小，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就像是一個(gè)松開的扭轉(zhuǎn)彈簧.由于驅(qū)動(dòng)鏈的這個(gè)特性，機(jī)械轉(zhuǎn)矩、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速都以自由頻率開始振蕩.

用k為剛度（韌性）系數(shù)，Jeq是驅(qū)動(dòng)鏈模型等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由式（4）決定.

由于槳距中存在幾個(gè)延時(shí)機(jī)構(gòu)，槳距控制不能抑制阻尼扭轉(zhuǎn)振蕩，只能抑制發(fā)電機(jī)速度中慢的頻率振蕩，然而快的發(fā)電機(jī)速度振蕩必須用阻尼控制器來抑制.調(diào)節(jié)阻尼控制器可有效地抑制電網(wǎng)故障在驅(qū)動(dòng)鏈中引起的扭轉(zhuǎn)振蕩，若沒有PI控制器的調(diào)節(jié)或PI控制器調(diào)節(jié)不夠都可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)鏈系統(tǒng)的自激勵(lì)，并且有可能為了抵抗振蕩進(jìn)行保護(hù)而造成跌落的危險(xiǎn).在電網(wǎng)出現(xiàn)故障期間，PI阻尼控制器根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其設(shè)定值之間的偏差為RSC控制器獲得一個(gè)有功功率設(shè)定值P，轉(zhuǎn)速信號(hào)則根據(jù)當(dāng)時(shí)風(fēng)速的最佳速度曲線來選取，如圖5所示.

為了表明阻尼控制器的效果，圖6說明了當(dāng)系統(tǒng)突然受到激勵(lì)，例如，風(fēng)速變化1 m/s，阻尼系統(tǒng)對(duì)DFIG風(fēng)輪的阻尼效果.從圖中可以看出：沒有阻尼系統(tǒng)時(shí)，風(fēng)速變化會(huì)激勵(lì)大的振蕩，發(fā)電機(jī)速度的振幅增加，結(jié)果使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定.而使用阻尼系統(tǒng)后這些振蕩很快地被抑制了.因此，附加的阻尼系統(tǒng)可以提高DFIG風(fēng)輪的穩(wěn)定運(yùn)行.

圖6 阻尼控制器效果

3.3 DFIG風(fēng)輪的電壓支持

電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求風(fēng)輪在電網(wǎng)故障期間仍能聯(lián)網(wǎng)，并且在電網(wǎng)故障期間提供電網(wǎng)電壓支持.DFIG的電網(wǎng)電壓支持能力不僅取決于注入的無(wú)功功率量，也取決于從發(fā)電機(jī)到與電力系統(tǒng)連接點(diǎn)的線性特性.

在電網(wǎng)故障?。ㄈ鐩]有觸發(fā)Crowbar）或無(wú)功功率略有不平衡時(shí)，RSC和GSC的功能仍能正常運(yùn)行.然而在受到嚴(yán)重電網(wǎng)故障時(shí)，若要DFIG風(fēng)輪維持聯(lián)網(wǎng)，必須根據(jù)電力系統(tǒng)操作人員制定的電網(wǎng)規(guī)范，設(shè)計(jì)一個(gè)特定的電網(wǎng)支持策略.

在原理上，電網(wǎng)電壓可以由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，也可以由網(wǎng)側(cè)變流器控制或由兩者一起進(jìn)行控制.為了提高DFIG在電網(wǎng)故障時(shí)的電網(wǎng)支持能力，控制策略的設(shè)計(jì)采用由兩個(gè)變流器協(xié)調(diào)工作來提供無(wú)功功率［8-11］.用RSC作為缺省的無(wú)功功率源，而GSC在RSC受阻期間作為一個(gè)補(bǔ)充的無(wú)功功率源，使之相當(dāng)于一臺(tái)同步補(bǔ)償器（STATCOM）［1，4］.當(dāng)轉(zhuǎn)子電路的過流或直流母線的過壓而觸發(fā)Crowbar時(shí)，RSC被阻斷，在故障期間最需要RSC起作用的時(shí)候，RSC單獨(dú)控制有功和無(wú)功功率的能力也失去了，使得DFIG對(duì)電網(wǎng)的支持能力大幅度減小.因此希望當(dāng)RSC被阻斷時(shí)，電網(wǎng)電壓（無(wú)功功率）控制由GSC來接管，GSC就作為STATCOM運(yùn)行.重新起動(dòng)RSC，可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)來完成，如電網(wǎng)電壓或轉(zhuǎn)子電流的大小.當(dāng)RSC開始運(yùn)行，移去Crowbar保護(hù)后，又將GSC設(shè)置為零，視為無(wú)功功率輸出.注意：RSC重新起動(dòng)的時(shí)間太短可能會(huì)在故障清除時(shí)再一次引起變流器的跌落.

為了在電網(wǎng)故障期間提高DFIG電網(wǎng)電壓支持能力，在正常運(yùn)行時(shí)的DFIG控制結(jié)構(gòu)中加入了第三級(jí)控制.三級(jí)控制級(jí)中包含3個(gè)控制器，分別為阻尼控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流電壓控制器（如圖7（b）所示）和網(wǎng)側(cè)無(wú)功補(bǔ)償器.如圖7（a）所示，第三個(gè)（電壓）控制級(jí)為故障運(yùn)行時(shí)的第二級(jí)控制器提供參考信號(hào).當(dāng)Crowbar電路保護(hù)沒有被觸發(fā)時(shí)，RSC電壓控制器為RSC提供無(wú)功功率參考信號(hào)Q.

圖7 提高電網(wǎng)電壓支持能力的DFIG擴(kuò)展控制結(jié)構(gòu)

RSC電壓控制器根據(jù)公共連接點(diǎn)的實(shí)際電網(wǎng)電壓U與它的參考值U的偏差，為RSC的第二級(jí)控制器提供無(wú)功功率參考信號(hào)Q.

為了評(píng)估RSC控制器的性能，用一個(gè)無(wú)功功率sink連接到DFIG風(fēng)輪的高電壓端來進(jìn)行仿真.圖8分別表示在有或沒有RSC電壓控制器的情況下，DFIG風(fēng)輪機(jī)組在公共連接點(diǎn)處的電壓、無(wú)功功率和有功功率.

圖8 RSC電壓控制器性能（從上到下分別為：端電壓；有功功率；無(wú)功功率）

在無(wú)功功率sink連接的瞬間電壓跌落大約4%（產(chǎn)生一個(gè)不足以使Crowbar電路觸發(fā)的小的電壓跌落）.RSC控制器檢測(cè)到了電壓的偏差，命令RSC發(fā)出更多的無(wú)功功率.在不到10 ms內(nèi)，DFIG提供的無(wú)功功率增加，使電壓回到它的額定值（1 p.u.）.在1 s后斷開sink，在斷開無(wú)功功率sink的瞬間，電壓突然增加，但是RSC電壓控制器通過吸收無(wú)功功率再一次很快地將電壓控制到它的額定值.此時(shí)無(wú)功功率在連接和斷開的過程中分別有一個(gè)小的降落/峰值，其他時(shí)候基本上是穩(wěn)定的.在沒有RSC電壓控制時(shí)，電壓不能通過無(wú)功功率來補(bǔ)償，只有當(dāng)無(wú)功功率sink斷開的時(shí)候才會(huì)恢復(fù)到它的額定值.

一旦RSC被阻斷時(shí)，GSC無(wú)功補(bǔ)償器（補(bǔ)充的無(wú)功功率控制器）為GSC控制產(chǎn)生無(wú)功功率參考信號(hào)Q，GSC被當(dāng)作一個(gè)STATCOM.當(dāng)RSC有效時(shí)，無(wú)功功率補(bǔ)償器提供零作為無(wú)功功率參考值.如果RSC被阻斷時(shí)，GSC就提供最大無(wú)功功率（1 p.u.）作為參考值.這意味著在嚴(yán)重的電網(wǎng)故障下，GSC為支持電網(wǎng)提供最大無(wú)功容量，GSC控制還必須保持直流母線電壓在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值之上.當(dāng)端點(diǎn)電壓降低時(shí)，GSC在電網(wǎng)故障期間的控制容量小于RSC在正常運(yùn)行時(shí)的控制容量.

圖9表明在DFIG風(fēng)輪高電壓端出現(xiàn)100 ms三相故障時(shí)，GSC無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?在預(yù)定的時(shí)間，即在Crowbar被觸發(fā)后200 ms時(shí)移去Crowbar保護(hù).在這個(gè)仿真中，為了更好地說明在Crowbar連接期間GSC怎樣改善電壓質(zhì)量，選擇了50%的電壓降.

圖9對(duì)風(fēng)輪高壓端的電壓和GSC無(wú)功功率的產(chǎn)生進(jìn)行了說明.GSC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率改善了電網(wǎng)故障期間的電壓質(zhì)量，不僅在故障期間和故障清除期間，也在Crowbar斷開后.Crowbar連接會(huì)引起無(wú)功功率增加，因此將參考值設(shè)為1 p.u..當(dāng)Crowbar電路斷開，GSC就被設(shè)定為無(wú)功功率Q=0，GSC無(wú)功功率補(bǔ)償失效，重新被RSC電壓控制所代替.

圖9 GSC無(wú)功功率補(bǔ)償效果（從上到下分別為公共點(diǎn)PCC電壓和GSC無(wú)功功率）

4 結(jié)論

本文針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)可能出現(xiàn)的定、轉(zhuǎn)子電流過大、直流母線電壓過高和電磁轉(zhuǎn)矩振蕩等問題，分別提出了：采用Crowbar電路來抑制定、轉(zhuǎn)子的過流；采用變槳距控制器來平衡故障時(shí)變流器直流母線側(cè)兩側(cè)的功率，以維持電流母線電壓的穩(wěn)定；采用阻尼控制器來抑制機(jī)械轉(zhuǎn)矩振蕩.最后對(duì)電網(wǎng)故障期間電壓恢復(fù)的控制策略進(jìn)行了研究，提出了增加第三級(jí)控制的方法.仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的方案的合理性.