并网规范要求风电机组在电网电压故障期间，不脱网运行，同时能够进行无功电流控制。当风电场电压在90%～110%范围内波动时，风电机组能够正常运行。当电网电压骤升或者跌落，脱离这个范围区间时，电网运营商要求风电场向电网注入一定的无功电流。以澳大利亚风电并网规范为例，要求风电机组按照电压每骤变1%，输出不小于4%额定电流的无功电流的标准对电网电压进行快速补偿。当电网电压低于75%时风电机组输出的无功电流须达到额定值。定义无功电流输出的百分比与电压骤变的百分比的比值为无功电流补偿比。澳大利亚并网规范所要求的无功电流补偿比至少为4，而我国并网规范所要求的无功电流补偿比至少为1.5。上述无功电流补偿规范适用于LVRT和HVRT。在LVRT过程中，风电机组向电网传输感性无功，在HVRT过程中，风电机组从电网吸收感性无功。
本书提出采用以定子电压幅值保持恒定值为控制目标，在无功电流调节PI控制器前级增加电压幅值调节PI控制环，对无功电流给定值进行闭环控制。这样避免了无功电流太小无法起到电压调节作用，无功电流太大，电压低于正常电压范围下限。增加定子电压幅值调节环提高了无功电流调节的灵活性和适应性，有利于维持电压的稳定。根据式（2－36）可知，RSC从电网吸收感性无功有利于降低转子电流无功分量。RSC的高电压故障穿越控制策略如图5－64所示。RSC优先调节定子电压幅值，参与无功补偿；另外，在RSC最大电流约束下，尽可能保证有功输送。具体实现方式如下：当检测到电压骤升时，开关S1切换，无功功率调节环切换为定子电压幅值调节环，进行无功补偿，无功功率调节环和定子电压幅值调节环共用一个PI控制器。根据最大电流约束，计算转子电流有功分量限幅值，当转子电流有功分量限幅值小于有功功率调节环输出的转子电流有功分量给定值时，开关S2、S3切换，转子电流有功分量给定值跟踪转子电流有功分量限幅值，同时有功功率调节环输出的给定值被锁存。当电网电压恢复后，RSC切换到无功功率调节环，在单位功率因数下运行，同时有功功率调节环使能，迅速恢复有功功率控制，维持电网频率稳定。上述切换过程实现了RSC优先进行无功调节，其次进行有功调节。根据电网故障点的位置，以及配合风电场内部无功调节装置的工作，则在故障期间，RSC存在三种运行情况：
（1）RSC进行了较小的无功电流调节，实现了定子端口电压幅值恢复到额定值，同时不影响有功出力；
图5-64 RSC的高电压故障穿越控制策略
（2）RSC进行了较大的无功电流调节，实现了定子端口电压幅值恢复到额定值，在RSC最大电流约束下，有功出力减小；
（3）RSC需要提供全部容量的无功电流，无功电流达到最大值，此时，有功出力为零。
为了可靠有效保护RSC，最经济的方式是在转子绕组端口并接Crowbar硬件电路。我们知道，过电压过电流现象发生在磁链暂态起始几个振荡周期内，随着磁链衰减，过电压和过电流的程度减弱。当检测到转子电流幅值超过额定电流的2倍时，投入Crowbar电路，闭锁RSC，Crowbar电路起到分流作用。本书选择的Crowbar拓扑结构如图5－58所示，采用二极管整流桥和IGBT投切单个电阻方式。另一种拓扑结构是由三个相同的电阻和三个交流开关构成，开关是双向开关。两种主动型Crowbar中，在忽略整流方式谐波影响的情况下，两者之间的电阻值满足如下关系：
式中，RCrowDC、RCrow分别为整流桥型Crowbar、普通三相型Crowbar中的电阻。
当Crowbar保护电路使能，RSC闭锁，相当于Crowbar电阻替代RSC等值阻抗，与转子绕组串接构成电气回路。基于式（5－81）和定转子绕组匝数比将Crowbar实际分流电阻折算到定子侧进行分析。考虑到直流母线电压约束和转子电流约束，分流电阻的取值太大，有利于满足转子电流约束，但分压增大，当高于直流母线电压时，电流会通过RSC的IGBT反向并联二极管流向直流母线，存在电压骤升风险。因此，需要合理选择Crowbar分流电阻阻值，同时满足电流和电压约束。
某一故障时刻，两相电压骤升故障引发的磁链暂态现象最严重的，引发最大的感应电动势，以此故障类型为例，分析转子侧感应电动势各个分量幅值大小与转差率之间的关系，如图5－65所示。转子侧感应电动势幅值以定子额定电压为基准值。当风电机组转差率为－0.3时，故障引发的转子侧感应电动势最大。因为转子侧感应电动势分量之间的频率不同，因此转子侧回路漏感的阻抗与转差率有关。当Crowbar分流电阻远小于漏感阻抗时，回路阻抗主要取决于漏感阻抗，正序电压和负序电压导致的转子侧感应电动势与转差率之间的比例关系与漏感阻抗与转差率之间的比例关系相同，因此，在整个转差率范围内，无论正序电压还是负序电压引发的转子侧感应电动势在转子侧回路中的电流分量幅值几乎不变。当Crowbar分流电阻远大于漏感阻抗时，回路阻抗主要取决于分流电阻，与转差率无关。基于上述分析可知，在转差率为最小值的情况下，故障引发的转子侧感应电动势最大，同样转子电流也为最大，过电压过电流风险最大，Crowbar分流电阻的取值需要满足这一工况下的电压电流约束。
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图5-65 两相定子电压骤升故障下转子侧感应电动势各个分量的幅值与转差率的关系
根据式（5－28），本书将不同感应电动势分量导致的转子电流分量进行幅值叠加视为总的转子电流。图5－66所示为不同Crowbar分流电阻值下，转子电流幅值及对应的Crowbar电阻分压（线电压幅值）的标幺值。Crowbar电阻分压的基准值为折算到定子侧的直流母线额定电压，转子电流的基准值为机组在单位功率因数、额定功率运行下的转子电流。只有满足转子电流低于2 p.u.，Crowbar电 阻分压 低于1 p.u.，RSC和 发电机处 于安全 状态下，则Crowbar分流电阻的电阻取值范围满足如下方程：
图5-66 满足电压电流约束的Crowbar分流电阻取值范围
为了有效抑制转子电流，Crowbar分流电阻取值应偏大。
目前，Crowbar保护电路的投切策略分为两大部分，即考虑电压故障时间的Crowbar投切控制策略和不考虑电压故障时间的Crowbar投切控制策略。Crowbar投切控制策略所涉及的投切判据量主要为转子电流、电网电压、直流母线电压、Crowbar投入固定时间等。在实际中电网电压故障时间是未知的，如果Crowbar投入固定时间过长，影响RSC及时恢复对发电机的控制。定子磁链暂态过程主要由两个时刻触发，分别是电压故障开始发生时刻和电压恢复时刻，本书设计的Crowbar保护电路的投切控制策略如下：Crowbar的投入机制，无论何时检测到转子电流最大值达到上限，Crowbar立即投入运行，同时闭锁RSC。Crowbar的退出机制为：
（1）预先设置Crowbar每次投入的固定时间（固定时间的长短根据实际中磁链衰减速度设置），一旦Crowbar投入运行，就进行投入时间计时，投入时间达到预设时间后，Crowbar退出运行，同时RSC恢复控制；
（2）如果在预设的投入固定时间内，转子电流最大值低于下限时，则Crowbar可立即退出运行，同时RSC恢复控制；
（3）如果在Crowbar投入计时期间，电网电压故障切除，则Crowbar投入时间清零，重新计时。
上述Crowbar的投切控制策略在防控过电流风险的基础上，可减小硬件电路的投切次数。Crowbar投入对应的转子电流最大值上限为2 p.u.，Crowbar退出对应的转子电流最大值下限为1.8 p.u.。
当电压故障持续时间较短时，故障发生时刻引发磁链暂态过程尚未衰减完毕，与故障恢复时刻引发的磁链暂态过程叠加，造成较大的转子电流和转子侧感应电动势。这种情况下，DC－Chopper和Crowbar协同工作才能防止过电压和过电流。整定Crowbar分流电阻时取值应偏大。
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