【摘 要】随着风力发电在电力系统中占比的提升，双馈风力发电机组因变流器容量小、调速范围宽等优势成为主流机型，但电网电压跌落易导致其脱网，低电压穿越技术成为保障电网适应性的核心。文章分析了该技术面临的转子侧暂态过电流、直流母线电压波动及无功功率支撑不足等挑战，阐述了硬件拓扑改进，如撬棒电路、直流母线卸荷电路、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）或静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）无功补偿装置，与控制策略优化，如定子磁链跟踪、网侧变流器无功支撑、协同控制等两大类方案，并指出未来发展趋势，为风电大规模并网提供可靠的技术保障。

【关键词】双馈风力发电机组；低电压穿越；技术研究

引言

伴随能源结构清洁化、低碳化的进程，风力发电以其清洁性、低碳性等特点不断融入电力系统结构。双馈风力发电机组以其变流器体积小、可调速范围广、控制效果好等优势成为当今风电场中最重要的机型。由于风力发电机组对电网电压的骤减无应对措施，使得运行中的双馈风力发电机组可能发生脱网风险。脱网风险导致的电网稳定性变差会对电网运行的安全性和可靠性形成威胁。低电压穿越技术作为风机电网适应性的核心技术，已成为研究人员关注的热点问题。本文剖析了低电压穿越技术面临的挑战，介绍了现有的低电压穿越解决方案，并对未来发展前景作出了展望。

一、双馈风力发电机组的结构与运行原理

（一）双馈风力发电机组的基本结构

双馈风电机组由风轮、增速箱、双馈感应发电机、背靠背变流器、控制装置和并网装置等组成。风轮为能量获取部件，能将风能转化为机械能；增速箱的作用是增速降扭矩，将风轮输入的机械能转化为高转速低扭矩的机械能并传给发电机；双馈感应发电机是能量转换的主体，定子直接连接电网，转子经过变频器和电网连接；背靠背变流器分为网侧变流器和转子侧变流器，二者之间通过直流母线相连，实现能量的双向流动和电机调速；控制装置根据机组的实际运行状态及风速、电网电压等参数，对机组的运行状态进行控制，达到机组安全稳定运行的目的。与传统的同步发电机和笼型异步发电机相比，双馈感应发电机的独特之处在于其转子绕组通过变流器与电网相连，使得发电机的转速可以在同步转速附近一定范围内变化，从而实现变速恒频运行。这种结构设计不仅降低了变流器的容量需求（通常仅为发电机额定容量的25%～30%），还提高了机组的风能捕获效率，因此在大型风电机组中得到了广泛应用。

（二）双馈风力发电机组的运行原理

风力发电机组按照电磁感应的基本原理工作，双馈型风力发电机组通过调节转子侧变流器的输出频率、幅值实现发电机的变速恒频发电。随着风速的变化，风轮转速改变，驱动发电机转子转动。转子侧变流器会随着发电机转速、电网频率的变化向转子绕组中注入不同频率的励磁电流，使定子绕组内产生的感应电动势频率始终与电网频率相同，实现恒频电能输出。双馈风电机组正常运行时可以分成几个过程：风轮捕获风能，并将其转化为机械能，通过齿轮箱转子传递给发电机；转子侧变流器根据控制系统的指令调节转子励磁电流的频率、幅值和相位，控制发电机的电磁转矩和有功功率输出；网侧变流器用来保证直流母线电压的稳定、实现功率因数调节和电网侧的谐波抑制；定子绕组产生的能量直接馈入电网，转子侧的能量通过变流器两向流动，当机组运行在高于同步转速的转速时转子将电能馈入电网，当低于同步转速时电网通过变流器将励磁能量馈入转子。双馈风电机组还具有有功功率与无功功率的独立控制能力，通过控制转子侧变流器实现发电机有功功率的输出，使其能够实现最大风能捕获；控制网侧变流器或转子侧变流器实现机组无功功率的输出，即为电网输出无功，补偿电网无功以维持电网电压的质量[1]。

二、双馈风力发电机组低电压穿越的技术挑战

（一）转子侧暂态过电流抑制

电压跌落瞬态时，定子磁链的暂态过程中将在转子回路中形成大冲击电流，以三相短路故障为例，电压跌落深度越大，则转子过电流幅值越高，可达额定电流的5～10倍，如果变流器过流保护阈值设定较小，机组可能发生误脱网；如果设定较大，则可能突破功率器件的工作安全区域，引起绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等器件过流损坏。