0 引言
在过去数十年中，随着能源和环境问题不断凸 显，风力发电产业和技术都取得了巨大发展，风电装机容量持续快速增长。近年来，随着电力电子装置在电能发、输、配、用各个环节的广泛使用，电网呈现出日趋显著的非理想特性，主要可分为谐波畸变、不平衡等持续性轻微非理想特性，以及电压 跌落等短时严重非理想特性[1]。
为保证电网稳定、高效运行，提升风电消纳能力，各国均制定了一系列风电并网技术标准，对谐波畸变、不平衡、电压跌落等非理想电网条件下的风电机组运行性能提出了严格要求。我国2012 年实施的《风电场接入电力系统技术规定》中，要求风电机组承受长期2%、短期4%的电压不平衡度，并根据并网点电压等级不同，承受2%～5%的谐波畸变率；同时要求风电机组在机端电压跌落至20%时，至少保持625ms 不脱网运行，并向电网提供无功功率支撑。面对严格的并网标准和日益复杂的电网环境，非理想电网下的风电机组控制技术十分关键。
在各类风力发电机类型中，双馈感应发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）以其造价低廉、变流器容量小、控制灵活等优势，长期占据主流地位。然而，由于双馈风电机组定子绕组直接接入电网，故对各类非理想电网特性十分敏感。同时双馈风电机组逆变器容量一般仅为机组容量的30%左右，在严重非理想电网下机组控制能力有限。因此，非理想电网下的双馈风电机组控制技术受到了广泛关注。
在谐波畸变、不平衡等持续性轻微非理想电网下，双馈风电机组运行技术的研究主要围绕两个目标：一是机组自身性能提升；二是并网点电能质量改善。当并网点电压存在谐波或不平衡时，采用传统控制策略的双馈风电机组将面临定子、转子电流畸变或不平衡、转矩波动、输出功率波动、直流母线电压波动等问题。对此，可通过改进控制策略，实现对谐波和负序分量的有效控制，达成电流平衡无畸变、转矩无波动、输出功率无波动等可选控制目标，改善双馈风电机组自身运行性能。然而在一些特殊情况下，如孤岛运行的微电网或远离主网的末端电网中，双馈风电机组可作为改善电网电能质量的有效手段。此时不再以双馈风电机组自身性能为目标，而是利用机组的冗余容量，主动发出适当的谐波或负序电流，抵消非理想负载的影响，提升并网点电能质量。
在电压跌落等短时严重非理想电网下，双馈风电机组运行技术的研究主要围绕两点：一是外加辅助装置的设计和控制；二是双馈风电机组本身的故障穿越控制。已有研究表明，定子端部电压骤降在定子磁链中产生暂态分量和负序分量（仅存在于不对称跌落的情况），导致转子绕组中出现较大的暂态和负序反电动势，进而引起转子过电流。同时，电网电压跌落时，双馈风电机组输出的有功功率骤降，而吸收的机械功率则近似不变，无法及时送出的能量将导致母线电压升高，危害电容安全。因此，各类外加辅助装置和双馈风电机组故障穿越控制本质上都以防止转子过电流和实现能量平衡为出发点。此外，为帮助电网电压恢复，双馈风电机组在得到有效保护的前提下，还需向电网提供足够的无功支撑。
本文将对谐波畸变、不平衡、电压跌落等非理想电网下的双馈风电机组运行技术进行综述，对现有各类技术方案的运行原理、设计思路和相互关联进行梳理和比较，并对相关技术的发展趋势和潜在研究热点进行探讨和预测。
1 谐波和不平衡电网下双馈风电机组运行技术
依据控制目标的不同，可将谐波和不平衡电网下双馈风电机组的运行技术分为两类：一类以提升机组自身运行性能为目标，对谐波和不平衡电网进行“抵御”；另一类以改善并网点电能质量为目标，对不平衡和谐波电网进行主动补偿。此外，机侧、网侧变流器还可协同运行，实现更多的补偿目标。
1.1 机组自身性能提升
谐波和不平衡电网下双馈风电机组自身运行性能下降，这主要表现在：①定子、转子电流含有谐波和负序分量，导致电机绕组发热增加和发热不均；②定子、网侧输出电流畸变、不平衡，可能违反风电并网标准，导致无法并网；③电磁转矩脉动，影响机械传动系统寿命和可靠性；④直流母线电压波动，影响母线电容寿命和可靠性；⑤定子、网侧输出有功功率、无功功率波动，其对机组自身影响暂不明确，但在相关研究中通常也被视为双馈风电机组性能指标之一。
针对以上问题已出现多种新型补偿技术，它们通过对波动分量的有效控制，实现一系列可选的补偿目标，例如定子电流平衡无畸变、电磁转矩无波动、直流母线电压无波动等。根据技术路线的不同，可将这些技术分为三类，即基于PI 带宽扩展的补偿技术、基于宽频控制器的补偿技术以及直接谐振控制技术。
1.1.1 基于PI 带宽扩展的补偿技术
双馈风电机组中应用最为广泛的控制技术是矢量控制。它通常采用比例-积分（Proportional-Integral, PI）控制器，在正序同步旋转坐标系中对dq 轴转子电流和网侧电流进行控制。此外，一类基于PI 控制器和空间矢量调制（Space Vector Modulation, SVM）的直接功率控制（Direct Power Control, DPC），在双馈风电机组中也有较多应用，通常被称为SVM-DPC。
在谐波或不平衡电网下，采用基本矢量控制或SVM-DPC 的双馈风电机组都将面临定子、转子电流畸变或不平衡、转矩波动、直流母线电压波动、输出功率波动等问题。为提升机组自身运行性能，可在dq 轴电流参考值或有功、无功功率参考值中加入合适的补偿分量（为二倍基频及以上的波动量），以实现对电流、转矩、功率、母线电压等目标的选择性补偿。然而，PI 控制器受带宽限制，难以对波动分量进行有效控制。因此，双馈风电机组的谐波、不平衡补偿面临两个关键问题：一是针对不同控制目标的补偿分量计算；二是对波动分量的有效控制。
补偿分量的计算依赖于谐波和不平衡电网下的双馈风电机组数学模型。针对矢量控制，各可选控制目标的补偿电流计算在文献[2-5]中已有推导。而针对SVM-DPC 的补偿功率计算则较为分散。文献[6]推导了不平衡电网下消除定子负序电流、定子有功波动、定子无功波动三个目标所需的有功、无功补偿分量。需要注意的是，定子有功、无功补偿分量一般不应同时设置为零，否则将引入定子3 次谐波电流；文献[7]详细推导了不平衡电网下补偿转矩波动和定子负序电流所需的有功、无功补偿量；文献[8-9]提出了一种可连续调节的补偿分量设置方案，通过在-1～1 之间调节补偿系数，可实现定子有功、无功同时无波动（此时会产生定子3 次谐波电流）、定子电流正弦（但仍存在不平衡）和转矩无波动以及其他中间目标；文献[10]推导了谐波电网下消除定子谐波电流所需的定子有功、无功补偿分量；文献[11-12]运用扩展功率理论，简化补偿分量计算，可消除定子谐波电流、定子有功波动、定子负序电流等。
对波动分量的有效控制可通过扩展PI 控制器有效带宽来实现。针对矢量控制，文献[2-3, 13-14]提出在各次谐波和负序坐标系中分别使用PI 控制器对定子电流的相应次数分量（此时均表现为直流量）进行控制，这等效于将基本PI 控制器的带宽拓展到数个特定的频率点；文献[4, 15-21]使用比例-积分-谐振（Proportional-Integral-Resonant, PIR）控制器在正序同步坐标系下实现对波动分量的有效控制，利用了谐振器在特定频率点的高增益特性，也相当于拓宽了基本PI 控制器的有效带宽；文献[22-23]使用重复控制器替代PIR 中的并联谐振器，可用单一控制器同时补偿多次谐波分量；文献[24]将PIR 中的谐振器替换为一个特殊设计的带通环节，可抑制相应频带内的定子电流谐波和间谐波。针对SVMDPC，文献[25-27]利用PIR 控制器取代PI 控制器，以获取对波动分量的控制能力；文献[28]采用了矢量PI 控制器（可视为一种特殊的谐振器），通过零极点对消改善对波动分量的控制性能。
上述研究的技术路线均可归纳为：一方面基于双馈风电机组数学模型计算补偿分量；另一方面通过多重PI、谐振器、重复控制器等扩展PI 控制器的有效带宽。这类基于PI 带宽扩展的补偿技术可由图1a 统一描述。
图1 各类谐波、不平衡补偿控制器示意图
Fig.1 Diagram of different harmonic and unbalance compensation controllers
1.1.2 基于宽频控制器的补偿技术
不同于前述基于PI 带宽扩展的补偿技术，另一类技术则完全移除PI 控制器，转而利用各类新型宽频控制器完成对电流或功率的控制。在相当宽的频带内，若仅考虑幅值响应，这些新型控制器可等效为大系数比例控制器，因此其有效控制频带可覆盖负序分量和低次谐波分量，同样可实现对波动分量的有效控制。需要指出的是，这类补偿技术仍需结合与1.1.1 节相同的补偿分量计算，可通过图1b 统一描述。
具体而言，文献[29-31]和文献[32]分别使用模型预测控制和H∞控制提升电流环的控制带宽，以实现对电流波动分量的有效控制；文献[8, 33-34]利用查表法控制有功、无功功率，该方法天然具有较高的控制带宽，无需额外改造即可实现对功率波动分量的有效控制；与之类似，为有效控制有功、无功功率的波动分量，文献[6, 12]采用了滑模控制，文献[7, 9, 35-37]采用了模型预测控制（Model Predictive Control, MPC），文献[10]采用了反推控制，文献[11]则采用了无差拍控制。
为便于对比，基本PI 控制器、带宽扩展后的PI控制器（PIR 控制器）和宽频带控制器的开环传递函数如图2 所示。可以看出，宽频带控制器的最大优势是控制器本身具有足够带宽，无需对控制器进行任何改进，即可应对电网频率偏移、间谐波等问题。同时，在基于PI 带宽扩展的各类技术中，谐振器（或类似环节）的引入将明显改变控制回路的相频特性，有潜在的稳定性风险，而无需改动的宽频带控制器 则无此问题。
图2 控制器带宽对比示意图
Fig.2 Brief comparison of control bandwidth of different controllers
1.1.3 基于直接谐振控制的补偿技术
在前述两类补偿技术中，补偿分量的计算通常需对电压、电流进行正、负序分离和谐波提取，且部分控制目标对应的补偿分量计算还依赖电机参数。为此，有学者提出了无需补偿分量计算的直接谐振控制技术。这种控制技术与文献[4, 15-21]所采用的PIR 技术不同。在PIR 控制中，PI 部分与谐振器部分均对相同的被控量进行调节，只是各自起作用的频段不同；而直接谐振控制中，仅PI 控制器对被控量，而谐振器则直接对多种可选的待补偿量（例如电流、功率、转矩、母线电压等）起作用，故可省去补偿分量计算环节。
文献[38-39]中，转子电流采用基于PI 的矢量控制，同时利用常规的二阶谐振器对不平衡电网下的双馈风电机组电流、功率、转矩等可选补偿量进行直接谐振控制；文献[40]采用矢量PI 控制器（可视为一种特殊的谐振器）对不平衡电网下的双馈风电机组电流、功率等可选补偿量进行直接谐振控制，以消除对系统动态性能有负面影响的极点；文献[41-42]利用降阶谐振器对不平衡电网下的双馈风电机组电流、功率、转矩等可选补偿量进行直接谐振控制，所用的降阶谐振器除具备常规二阶谐振器的选频特性外，还对相序（同次谐波的正反转分量）具有选择功能，可避免在定子/网侧电流中引入3 次谐波分量；文献[43]利用降阶谐振器对直流母线电压进行直接谐振控制，以消除不平衡电网下的母线电压波动。
基于直接谐振控制的补偿技术可由图1c 统一描述。
1.1.4 对比分析
对前述三类补偿技术进行全面对比，见表1，具体分析如下：
1）补偿分量计算。对基于PI 带宽扩展和基于宽频控制器的两类技术，除补偿目标恰为被控量外（例如采用矢量控制，而补偿目标为转子电流平衡无波动，或采用DPC，而补偿目标为输出有功或无功功率无波动），其余情况均需较为复杂的补偿分量计算环节，且通常涉及多重坐标变换和各次分量提取。直接谐振控制技术则无需补偿分量计算。
2）参数依赖性。对某些补偿目标而言，补偿分量的计算需用到电机的电感参数，但此参数仅影响补偿的准确程度，不会影响基频分量的控制精度；然而，对模型预测控制等基于系统模型的控制技术而言，参数偏差将同时影响基频分量和补偿量的控制精度；直接谐振控制则无参数依赖性。
表1 以双馈风电机组自身性能提升为目标的各类补偿技术对比
Tab.1 Comparison of different compensation methods aiming at DFIG performance improvement
补偿技术 补偿分量计算 参数依赖 稳态性能 应对电网频率偏移 稳定性风险 控制复杂度 工业推广难度PI 带宽扩展 多重PI 需要 中 优 易 不明 中 低 PIR 需要 中 优 中 高 中 低 并联重复控制器 需要 中 优 难 高 低 低 并联带通环节 需要 中 中 易 高 低 低 宽频 控制器 查表DPC 需要 中 差 易 低 低 中 滑模控制 需要 中 中 易 低 高 高 FCS-MPC 需要 高 差 易 低 高 高 SVM-MPC、反推、无差拍、H∞等 需要 高 中 易 低 高 高 直接谐振 不需要 无 优 中 高 中 低
3）稳态性能。基于谐振控制器的各类补偿技术能够为波动分量提供足够大的开环增益，因此稳态性能较好；而文献[24]中PI 控制并联带通环节的方案受稳定性限制只能在带通频带内选取较小的开环增益，这导致对波动分量的控制能力较弱；滑模控制器稳态时存在难以消除的抖振，稳态性能一般；而直接基于矢量选择的查表DPC 和有限控制集合模型预测控制（Finite Control Set MPC, FCS-MPC）则存在较大的稳态波动。
4）应对电网频率偏移。多重PI 技术无需额外改进即可应对电网频率偏移；基于谐振器的各类方法则需对谐振器进行频率自适应改造；基于重复控制器的技术较难应对电网频率偏移，因为当电网频率与采样频率不成整数倍关系时，其参数整定较为困难；并联带通环节和各类宽频控制器均能有效应对电网频率偏移。
5）稳定性风险。基于PI 带宽扩展和直接谐振的补偿技术中，除多重PI 技术尚无明确的稳定性研究外，其余技术均有较高的稳定性风险，因为外加谐振器和带通环节都会在很大程度上改变系统的相频特性，引起稳定性风险。各类宽频控制器不需额外改造，因此只要在控制器设计时保证稳定性，就不会有额外的稳定性风险。
6）控制复杂度。基于多重PI 或并联多个谐振器的方法较为复杂，而并联重复控制器或带通环节则可有效简化控制系统；查表DPC 类似电机驱动中的DTC 技术，较为成熟且控制较为简单；其余各类宽频带控制技术有的设计过程十分复杂，有的则运算量很大，控制系统复杂度都较高。
7）工业推广难度。由于现有双馈风电机组大多采用传统的PI 控制器，因此基于PI 带宽扩展和直接谐振的技术相对较易推广；查表DPC 技术实现难度不高，但考虑其较差的稳态性能和较低的应用普及度，其推广难度中等；其余各类宽频带控制技术短期内难以在实际双馈风电机组中大范围推广。
1.2 电网电能质量改善
在某些特殊场景下，例如孤岛运行的微电网或远离主网的末端电网中，由于缺乏足够的电能质量治理手段，非理想负载接入造成的电能质量问题会对本地其他设备的运行造成很大影响。同时，电压不平衡、谐波等问题还会增加线路损耗，甚至引起继电保护装置误动作。考虑到风电机组冗余容量较大（我国 2017 年风电机组平均年利用小时数为 1 948h），因此部分学者提出利用风电机组的冗余容量，输出适当的补偿电流，改善并网点电能质量。此时风电机组的控制目标不是“抵御”非理想电网电压，而是对其主动补偿。
目前双馈风电机组参与电网电能质量改善的研究主要分为三类：一是基于负载电流采样的补偿技术；二是基于公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）电压闭环的补偿技术；三是基于虚拟阻抗的补偿技术。
1.2.1 基于负载电流采样的补偿技术
基于负载电流采样的补偿技术十分直观，即采集并提取出本地非理想负荷谐波或负序电流，并控制双馈风电机组发出与之相反的补偿电流。由此，可将污染电流就地抵消，避免流经输电线路造成电压污染。该补偿技术原理如图3a 所示。
图3 双馈风电机组参与电能质量改善的补偿技术
Fig.3 Compensation methods for DFIG to improve PCC power quality
文献[44-45]利用相序分离提取出负载电流的负序和各次谐波分量，再利用多重PI 控制的网侧变流器发出与之相反的负序和谐波电流，以抵消本地污染负载的影响，补偿PCC 电压谐波和不平衡状况；文献[46]同样利用网侧变流器抵消本地负载谐波电流，但只需提取总的负载谐波电流并用PIR 加以控制，无需进行各次谐波分量提取。考虑到DFIG网侧变流器容量较小，对电网电压补偿能力有限，文献[47-48]将前述基于负载电流采样和相序分离的控制方法应用于DFIG 机侧变流器，利用定子绕组输出补偿谐波电流。文献[49]则提出一种在机侧和网侧变流器灵活分配补偿电流的控制策略。
需要说明的是，上述控制策略的补偿力度可调，只需将补偿电流设置为负载谐波和负序电流的一部分即可。然而，这类技术均需采集负载电流信息，而在负载或机组分散的场合实用性下降。
1.2.2 基于PCC 电压闭环的补偿技术
为避免负载电流采样，研究者提出一类基于电压闭环的控制策略，如图3b 所示。文献[50]提出一种电压-电流双闭环结构，利用双馈风电机组的网侧变流器补偿并网点不平衡电压。在外层电压环中，利用PI 控制器对PCC 电压负序分量闭环控制，且将负序电压参考值设置为0；电压环获得的负序电流参考值由内层电流环进行跟踪，最终实现对不平衡PCC 电压闭环补偿。为获得更大的补偿能力，文献[50-56]将这类电压-电流双闭环结构应用到机侧变流器和电压谐波补偿。文献[57]将外层电压环获得的补偿电流指令在机侧和网侧变流器间灵活分配，充分利用了双馈风电机组的冗余容量。文献[58-59]利用直接谐振的思想，对PCC 电压进行单层谐振闭环控制，分别实现了对PCC 不平衡电压和谐波的补偿。
上述基于PCC 电压闭环的补偿技术不需采集负载电流信息，但却无法调节双馈风电机组的补偿力度。换言之，一旦启用此类技术，双馈风电机组将全力输出补偿电流，直至某些限幅器饱和，这可能导致转矩波动、母线电压波动等超出机组能够承受的范围。因此，有必要研究更为灵活的补偿技术。
1.2.3 基于虚拟阻抗的补偿技术
为灵活控制双馈风电机组对电能质量的补偿力度，文献[60]提出了一种基于虚拟阻抗的电压不平衡补偿技术，可灵活控制双馈风电机组的负序输出阻抗，进而改变电网中的负序潮流，实现对PCC 处不平衡电压的灵活补偿。文献[61]将此技术推广到多机并联系统，一方面可闭环调节多机总体补偿力度，另一方面可实现在各台机组间根据剩余容量自治分配补偿电流。基于虚拟阻抗的补偿技术如图3c 所示。
1.3 机侧、网侧协同运行技术
在实际双馈风电机组中，机侧变流器和网侧变流器往往由同一套微处理器实施控制，即使是机侧、网侧独立控制的机组，两套控制器间往往也保持实时通信。因此，在谐波、不平衡电网下，可为机侧、网侧变流器设计适当的协同控制策略，以充分发挥两侧变流器的优势。
在机侧变流器的可选补偿目标中，电磁转矩无波动尤其重要。这是由于电磁转矩波动直接影响双馈风电机组的传动系统寿命和机械可靠性，且只能由机侧变流器实施补偿。因此，在大多数机侧、网侧协同控制研究中，机侧变流器的补偿目标均设置为电磁转矩无波动，而网侧变流器则可灵活地设置为多种可选补偿目标。
例如，文献[13, 15-16, 20, 41-42]中，机侧补偿目标为电磁转矩无波动；网侧有三个可选补偿目标：机组总输出电流平衡无畸变、总输出有功功率无波动或总输出无功功率无波动。文献[62]指出，当带LC 滤波器的双馈风电机组并入谐波电网时，即使定子和网侧均不输出谐波电流，仍存在流经LC 滤波器的谐波电流通路。对此，利用一种基于直接谐振控制的虚拟阻抗法，灵活地控制定子、网侧及整个机组的谐波阻抗，实现机侧和网侧变流器对LC 滤波器中谐波电流的协同补偿。
2 电网电压跌落时双馈风电机组运行技术
根据风电并网标准，电网电压跌落时双馈风电机组需保持并网运行，并向电网提供必要的无功支撑，这一过程称为低电压穿越（Low Voltage Ride Through, LVRT）。根据磁链守恒原理，电网电压跌落瞬间定子磁链包含静止的暂态分量和由跌落后电网电压决定的强迫分量[63]。其中定子暂态磁链在常规控制下按定子时间常数（对MW 级双馈风机而言可达数秒）呈指数衰减。在不对称跌落情况下，强迫分量中还包含反向旋转的负序分量[64]。定子暂态磁链和负序磁链的转差率远大于正常定子磁链，将在转子绕组中感应出很大的暂态反电动势，最终导致转子过电流，同时也造成较大的电磁转矩脉动。
此外，电网电压跌落将导致双馈风电机组向电网送出有功功率减少，其原因一方面是由于电压跌落后，输出相同的有功功率需要更大的电流，受变流器电流容量限制只能削减有功输出；另一方面是由于低电压穿越过程中，机侧变流器需执行灭磁控制、提供无功支撑等，可用于有功输出的容量进一步减少。然而，由于风力发电机变桨环节的响应速度多在秒级，电网电压跌落暂态过程中双馈风电机组吸收的机械功率可认为近似不变，导致双馈风电机组进、出功率失衡，过剩的能量将导致母线电压和转速升高，危及机组安全。
目前双馈风电机组的低电压穿越技术主要分为两大类，一类基于辅助装置，另一类基于机组控制。在实际机组中，这两类技术往往相互配合，以应对不同程度、不同类型的电压跌落。
2.1 低电压穿越辅助装置
本文中，任何为低电压穿越而新增的硬件设备或电路拓扑改造均被归入辅助装置之列。双馈风电机组通常配备不止一种低电压穿越辅助装置。
应对电网电压跌落最有效的辅助装置是动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer, DVR）。DVR能够通过串联变压器向电网注入补偿电压，以消除电网电压跌落对风电并网点的影响[65]。然而DVR 成本较高，难以作为双馈风电机组应对电网电压跌落的常规方案。为此，文献[66-67]提出一种开绕组结构，即将Y 联结的双馈电机定子绕组打开，并通过一个变流器向定子绕组注入一个补偿电压，保证电网电压跌落时定子绕组两端电压不突变，即可避免定子暂态磁链及其导致的转子过电流。为进一步降低成本，文献[68-69]在网侧变流器上增加了三个开关管，并借此调制出补偿电压注入定子开绕组中，而无需添置额外变流器。这类基于开绕组的方法等效于小容量DVR，但却提供了一条从电机到直流母线的额外能量通道，可能加剧母线电压升高的问题。文献[70]提出了一种PWM 调制型串联动态刹车电阻（Series Dynamic Braking Resister, SDBR），通过调制其投切开关信号，获得可调的电阻分压，以补偿跌落的电网电压，起到类似DVR 的效果。
撬棒（Crowbar）是一种应用十分广泛的低电压穿越辅助装置。文献[71]较早提出了Crowbar 技术，其实质是一组并联于转子绕组上的可控制投切限流电阻。当检测到转子过电流时，迅速封锁网侧变流器脉冲，并投入Crowbar，以消耗过剩能量，并为定子暂态磁链的衰减提供阻尼。文献[72-73]提出了Crowbar 限流电阻的选型方法。然而Crowbar 投入时机侧变流器必须封锁脉冲，无法控制机组转矩和转速，也无法为电网提供无功支撑，且此时双馈电机等效为一台笼型电机，需从电网吸收大量无功功率用于励磁。因此，双馈风电机组应尽量减少Crowbar 的投入次数。为此，文献[74]提出一种串接于转子绕组中的串联动态刹车电阻。电网电压跌落时，投入此动态电阻可限制转子电流，减少Crowbar投入次数。为避免常规Crowbar 投入时封锁转子脉冲，文献[75]提出一种并联于定子端部的定子Crowbar。为避免Crowbar 投入期间双馈机组超速，文献[76]提出一种Crowbar 保护主动退出判据。文献[77-78]指出，无刷双馈电机定子、转子漏感远大于普通双馈电机，因此无需配置Crowbar。
故障电流限制器（Fault Current Limiter, FCL）也被广泛应用于双馈风电机组的低电压穿越。文献[79-81]在并网线路上配置FCL，文献[82-83]在转子绕组上配置FCL，文献[84]在定子绕组上配置FCL，以及文献[85]在直流母线上配置FCL，都有利于双馈风电机组的低电压穿越。
并联于直流母线上的斩波器（Chopper）是防止直流母线过电压的有效装置，其基本结构为一个开关管串联一个卸荷电阻。当直流母线电压过高时，投入卸荷电阻以消耗过剩能量，拉低直流母线电压。文献[86]提出一种可实现串并联切换的新型Chopper，当直流母线过电压时将卸荷电阻并入直流母线，起常规Chopper 的作用；当主流母线过电流时将卸荷电阻串入直流母线，起到限流的作用。一些并联在直流母线上的储能系统具有与Chopper 类似的功能，文献[87]在直流母线上接入超级电容，并利用双向DC-DC 变换器控制充放电，可获得更稳定的直流母线电压。文献[88]提出一种带卸荷回路的超级电容，充入超级电容的能量在电网电压恢复前利用卸荷回路耗净，以更好地应对电网电压恢复造成的二次暂态过程。
为更好地实现低电压穿越，有学者提出在电网电压跌落时改变双馈风电机组的拓扑结构。文献[89]在电网电压跌落时，起动Crowbar 同时将机侧变流器转接到电网上，一方面可避免转子端电压超过变流器钳位电压而向直流母线电容充电，另一方面可利用机侧、网侧变流器一起向电网提供无功支撑。与此相反，文献[90]在电网电压跌落时，将网侧变流器转接到转子绕组上，可获得双倍的转子电流容量，以更好地实施灭磁控制（后文将对此详细介绍）。但是网侧变流器转接后无法继续控制直流母线电压，因此必须在直流母线上并联一套储能装置。文献[91]提出一种利用储能装置改善风电场注入电流特性进而提高系统稳定性的方法。
上述各类双馈风电机组低电压穿越辅助装置的作用及安装位置如图4 所示。
图4 低电压穿越辅助装置及其接入方式
Fig.4 Auxiliary devices for LVRT and their installation locations
2.2 低电压穿越控制技术
除利用各类辅助装置外，双馈风电机组自身的低电压穿越控制也是应对电网电压跌落的重要措施。现有研究主要围绕两个方面：一是高性能转子电流控制，可有效抑制转子过电流；二是灭磁控制，可加快定子暂态磁链衰减，减小转矩脉动。此外，本节也综述了其他颇有价值的双馈风电机组低电压穿越控制技术。
2.2.1 高性能转子电流控制
电网电压跌落时定子暂态磁链在转子绕组中感应出暂态和负序反电动势，可视作转子电流控制器受到的外界大扰动。若机侧变流器的转子电流控制能力不足，则会引起转子过电流。因此高性能转子电流控制对双馈风电机组低电压穿越十分关键。无论采取何种转子电流控制策略，实质上都要求机侧变流器调制出与暂态和负序反电动势相抵消（或部分抵消）的补偿电压。因此，转子过电流抑制能力客观上取决于机侧变流器的电压调制能力。
前馈控制是提高转子电流控制能力、抑制转子过电流的有效方法。传统转子电流控制环的前馈项计算均假设定子电压空间矢量与定子磁链具有相同的旋转速度。此假设在电网电压跌落的暂态过程中不再成立，因此必须对转子电流环的前馈项做相应修改，以抑制转子过电流。文献[92-94]计及电网电压跌落的暂态过程，提出了改进的前馈项计算方法，可避免转子过电流。该方法实质是将估算的转子暂态和负序反电动势作为补偿量加到机侧变流器待调制电压中。
文献[95]推导了定子暂态磁链引起的转子电流数学表达式，发现转子暂态电流近似与定子、转子漏抗之和成反比，故可利用虚拟电感技术增大转子等效漏感，抑制转子过电流，提高转子电流控制能力。
相比于传统PI 控制器，一些新型控制技术在控制带宽和抗干扰能力方面具有很大优势，有利于抑制转子过电流。文献[96]利用内模控制，文献[97-98]利用滞环控制，文献[99]利用滑模控制，均可提高转子电流控制能力，抑制转子过电流。
需要指出的是，上述技术只能提高转子电流控制能力、抑制转子过电流，而不能加快定子暂态磁链衰减。因此，在较长的暂态过程中，机侧变流器大部分的电压调制能力将被用于抵消转子暂态反电动势，而难以用于控制定子向电网提供无功支撑。同时，持续存在的定子暂态反电动势将引起电磁转矩大幅脉动，危及机组传动系统。
2.2.2 灭磁控制
为尽快结束电网电压跌落引起的暂态过程，可控制机侧变流器发出合适的转子电流以加速定子暂态磁链衰减，这种技术称为灭磁控制。
文献[100]提出一种典型的灭磁控制技术。当检测到电网电压跌落时，利用磁链观测器获得定子暂态磁链，据此计算出将其完全抵消所需的转子指令电流，并使用比例控制器进行跟踪。此时机侧变流器完全用于灭磁，放弃对定子有功、无功的控制，因此无法为电网提供无功支撑。为支撑电网电压恢复，文献[90]将灭磁电流指令与正常转子电流指令叠加，控制转子变流器同时完成灭磁控制和无功支撑，但需更大的机侧变流器电流容量。为避免使用磁链观测器，文献[83]直接利用反向定子电流作为转子电流指令，可实现与文献[90,100]相似的灭磁效果。文献[101]将灭磁控制与虚拟电阻控制相结合，可在灭磁同时兼顾转子过电流抑制。
以上研究均以最快速度灭磁为目标，但在电网深度跌落时可能超出机侧变流器的电流容量。文献[102-107]利用0～1 的可调系数对灭磁电流指令加权，灵活调节灭磁速度，以满足机侧变流器的电流容量约束。文献[108]提出最优灭磁概念，通过选择合适的灭磁系数，使机侧变流器在低电压穿越中承受的电流峰值最小。文献[109]考虑了连续两次电压跌落，为避免电压二次跌落时引起更严重的过电流问题，可在电压恢复的过程中使用灭磁控制，保证下一次电压跌落前已将定子暂态磁链衰减至零。文献[110]将转子暂态分量提取出来并使用额外的PI 控制器进行控制，可使得磁链衰减过程更加灵活可控。
某些不含转子电流环的控制方式也可采用灭磁控制。文献[99]研究了基于滑模控制的双馈风电机组灭磁技术，通过将灭磁电流指令转换为转矩和无功功率指令实现灭磁。
事实上，转子电流的有效控制是实现灭磁的前提条件。因此可将灭磁控制与前述前馈控制结合，如图5 所示，不仅可以抑制转子过电流，还可快速、准确地发出灭磁电流，加快定子暂态磁链衰减，消除转矩脉动。
2.2.3 其他新型控制
图5 带灭磁功能的高性能转子电流控制示意图
Fig.5 High performance rotor current control with demagnetizing function
在上述两个主题之外，也有一些颇有价值的双馈风电机组低电压穿越控制研究。文献[111]提出一种内电压控制策略，可赋予双馈风电机组电压源特性，以实现对电网的快速无功支撑。然而这种技术对机组电流容量要求很高，仅适用于电网电压浅度跌落的情形。文献[112-113]通过改进转速控制环，可在电网电压跌落时将过剩能量可控地转变为转子机械能，以避免直流母线过电压。文献[114]利用模 糊控制获得合适的转子电压前馈补偿量，实现转子电流幅值和母线电压上升峰值间的平衡。利用这种方法可优化Crowbar 和Chopper 的选型，降低设备成本。为提高弱电网下双馈风电机组低电压穿越过程的稳定性，文献[86]提出一种转子电流指令优化配置策略。然而这种方法需要对短路故障位置进行估计，且需利用电网阻抗参数，目前仅适用于拓扑较为简单的电网结构。文献[115]提出一种计及定子励磁电流变化的零转矩控制策略，可改善双馈发电机低电压穿越能力。文献[116-117]建立了计及双馈风电机组低电压穿越暂态过程的短路电流计算等效模型，以提高短路电流计算的准确性。文献[118]增加了转速闭环，可提升转速与功率实时匹配的动态性能，增强抗冲击能力。
在电网电压三相不对称跌落的情况下，除需考虑暂态过程中转子电流过电流抑制、灭磁控制等问题外，还需保证暂态过程结束后机组在不对称电网下高性能运行。文献[119-120]均利用正、负序PI 控制器抑制电压不对称跌落时DFIG 的转矩波动，该方法与前文中持续性轻微不平衡电网下的控制技术一致。
基于整个风电场层面，文献[121]根据DFIG 转子电流值判别是否投入Crowbar，将DFIG 风电场分为投入与不投入Crowbar 两组，再运用容量加权法计算各组参数，建立DFIG 风电场的双机等效模型，以便于风电场层面的实时调度。
3 讨论与展望
作为改善风电机组运行性能、提高风电消纳能力的一项关键技术，非理想电网下双馈风电机组的运行控制已获得广泛关注和较为深入的研究，但目前仍有一些问题有待进一步探索：
1） 精细化建模。在电压深度跌落等暂态过程中，定子、转子电流可能大幅超过额定值，此时双馈电机可能出现磁路饱和、绕组温度上升等问题，导致电阻、电感参数发生较大变化，进而影响低电压穿越能力，故需在建模中计及电机和开关器件的非理想特性。
2）灵活补偿。电压谐波畸变、不平衡等轻微非理想电网下，现有文献大多将机组自身性能提升和电网电能质量改善作为两个完全独立的课题进行研究。然而当考虑电网阻抗时，这两个补偿目标存在紧密联系，可将其纳入统一框架，达到更加灵活的补偿效果。
3）多机协同运行。现有研究大多限于单台机组控制，而少有对多机协同运行的研究。考虑线路阻抗时，风电场内各台机组的运行工况都将相互耦合。在谐波和不平衡补偿、并网点电能质量改善、电压跌落时电网无功支撑及能量平衡等角度，均可研究多机组间的协同运行技术。
4）低电压穿越辅助装置改进。目前DVR、储能系统、FCL 等辅助装置成本较高，若仅用于低电压穿越，则性价比过低。一方面可考虑简化拓扑，降低成本；另一方面，可考虑在辅助装置中集成更多功能。改造后的多功能辅助装置与双馈风电机组间的协同运行也值得探索。
5） 直流并网模式下的故障穿越。随着直流微网、交直流混合电网等新技术的兴起，双馈风电机组直流并网方式受到广泛关注。对直流电压跌落等新型故障形态下双馈风电机组运行、保护、控制的研究十分具有前景。
4 结论
本文围绕非理想电网下双馈风力发电系统运行技术这一主题，对现有研究成果和技术方案进行综述，得到以下结论：
1）在电压谐波畸变、不平衡等轻微非理想电网下，双馈风电机组的控制目标可分为两类：通常情况下以改善自身电流、转矩等运行性能为目标，必要时也可牺牲自身性能而以提高并网点电能质量为目标。这两类目标的实现均基于对波动分量的有效控制，可通过对常规PI 控制器进行带宽扩展，或直接采用各类新型宽频带控制器，以及无需补偿分量计算的直接谐振控制来实现。
2）在电压跌落等短时严重非理想电网下，定子暂态磁链会导致转子过电流。各类低电压穿越辅助装置可为双馈风电机组提供电压支撑、过电流保护、能量平衡等帮助，同时机组自身的高性能转子电流控制、灭磁控制等也能抑制转子过电流、加速定子暂态磁链衰减。
3）现有非理想电网下双馈风电机组运行技术研究主要基于理想模型，在电压深度跌落等情况下还应计及电机和开关器件的非理想特性。考虑电网阻抗时，双馈风电机组的不同补偿目标之间相互关联，多台机组运行性能也相互耦合，因此可研究更为灵活的谐波和不平衡补偿技术，以及多台机组间的协同运行技术。各类低电压穿越辅助装置的低成本、多功能改造也值得探索。此外，直流并网型双馈风电机组的故障穿越研究也具有很好的前景。
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