摘要:本文介绍了风力发电系统的无功补偿部分成分以及双馈电机的转速、无功控制，然后研究了双馈风力发电(DFIG)系统的低电压穿越现象，指出双馈风力发电机自身的无功补偿是该系统电压稳定的一种有效选择。仿真结果表明，在故障期间，DFIG风电机组能够发出无功给电网提供电压支持，实现电网规程所要求的低电压穿越功能。

0 引言

随着风电在电网比例的增加，并网风力发电系统稳定运行越来越来越受到国家及各省电力公司的重视。目前，对于并网风电系统，电能质量、无功控制及电压稳定问题是研究的热点[1][2][3]，特别是电网故障情况下的风电场低电压穿越能力是对系统稳定极其重要。

电压与无功功率紧密相关，风电系统在正常运行状态下，各无功发生设备有效配置。经常是保证电力传输功率损失最小或风电场满足并网点其他需要。对于海上风电系统来说，各无功源主要是并联电容器组、柔性交流输电装置(FACTS)及风力发电机。

大型海上风电场通常连接到高压或超高压电网，并被要求尽可能长时间地并网运行。这就要求在稳态运行时，风电场提供无功功率以满足指定点的电压等需要，同时在规定的故障及电网电压跌落期间，风电场要保证一定时间范围内的不脱网连续运行，并对电网提供电压支持。也就是说，风电厂被要求具有与同步电机风电厂相似的运行特性。

1 并网风力发电系统

海上风电场发出的电能通常是由升压变压器升至35KV至110KV，经交流传输电缆传送给电网，在电网接入点(PCC)处装有并联电容或电抗器，亦或FACTS装置。一种典型的海上风电系统如图1所示。

图1中并联电容器和电抗器用来补偿电路的无功需求;FACTS装置由于可以提供连续的无功输出被装设在PCC处，同时在系统受到小干扰时可以提供电压支持。变速风电机主要是全功率转换电机和双馈电机，前者采用全额定功率变流器，后者采用仅约1/3额定功率的变流器。双馈电机典型配线如图2所示，电机定子侧指节连接电网，转子侧通过变流器与电网相连，变流器可以控制电机转子电压的频率、幅值和相位，实现转子有功和无功功率的解耦控制。变流器A、B又称为转子侧和网侧电压控制器。

由于双馈电机的定子转子匝数比，使得流过变流器部分的功率较少，约为0.2~0.35发电机额定容量。转子侧变流器常用来控制有功功率、无功功率和转子转速;网侧变流器B常用来维持变流器两端电压UDC稳定，亦可用于控制无功功率流动。当PCC点电压降低时，变流器A、B都参与无功控制，因此，短路时，双馈电机可提供电压支持。

2 DFIG机组数学模型及变换器控制

2.1 空气动力学模型

假设风力机叶片半径R，风速VW，空气密度为ρ，根据空气动力学原理，风吹过风力机扫掠面，风力机捕获的风能为：

2.2 双馈感应发电机数学模型

双馈电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量模型。在建立其多变量数学模型时，通常作如下假设：忽略空间谐波、忽略磁路饱和、忽略铁心损耗、忽略绕组电阻参数的变化等，并将转子绕组等效折算到定子侧。若定子、转子侧参考方向按电动机惯例，双馈电机在同步旋转d-q坐标系统下各矢量空间位置如图3所示。

图中，定子a轴与定子a相绕组中心线一致，转子a轴与转子a相绕组中心线一致，d轴定向在定子磁链最大值方向，q轴超前d轴90°，d轴与定子a轴夹角θ1，转子a轴与定子a轴夹角θr, d轴与转子a轴相对于该坐标系的瞬时旋转速度分别为W1、W2,有W3为W1与Wr之差，为所并电网角频率。

双馈电机在同步旋转坐标系下的电机方程可表示为：