背景近几年来我国的风力发电机组装机容量始终在快速增加，并呈现逐年递增的趋势，其安装的类别大致可分为以下两种：恒速恒频风电机组和变速恒频风电机组[5]。

VSCF(Variable Speed Constant Frequency,变速恒频)风电机组能够使风力机随着因风速变化引起的捕捉风能的变化而改变发电机的转速，这样的柔性控制策略的优点是：使风机能够吸收阵风的能量；减少传动杆的机械应力；同时可以让风力机最大程度的捕获风能，从而提高风力机风能利用率。

正是因为这些优点是CSCF(Constant Speed Constant Frequency,恒速恒频)风电机组无法与VSCF风电机组相比的，所以VSCF技术是目前国内外风电研究领域的热点。

在VSCF机组之中，还有两大分支，分别是双馈感应异步发电机风电机组和直驱永磁同步发电机风电机组。

DFIG(Doubly Fed Induction Generator,双馈感应异步发电机)是早期大量建设的机组，至今仍占据风电市场的大半份额，是现在VSCF机组中的主流机组。

DFIG 要满足并网发电的要求，其发电机转速必须要高，但风力机的转速达不到要求的高速，故风力机与发电机之间通过升速齿轮箱连接，使其可以在低风速条件下提高转速，满足发电要求。

但是升速齿轮箱以及发电机中碳刷和滑环的存在会使系统结构复杂，不便维护与维修。

D-PMSG(Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Generator,直驱永磁同步发电机)是近几年才发展起来了的机组，以永久磁铁励磁代替电励磁，同时用增加磁极对数的方法解决低风速下发电问题，抛弃了升速齿轮箱，减少了中间环节的传动部件，简化了系统结构，缩减了维修费用，从而使系统的可靠性得以增加。

并且机组采用了全功率PWM变流器，提高了机组发生电网故障时的抵抗能力，由此可知D-PMSG将会成为VSCF机组未来的发展趋势[6]。

由于电力电子变流器拓扑结构的多样性，直驱型变速恒频发电系统中间的交流到交流变流器环节的构造可以不同，其中D-PMSG采用的变流器环节可以根据风电机装机容量的不同，分为低压变流环节和中压变流环节两种。

低压变流环节的D-PMSG机组工作的电网电压等级基本在690V以下，多选用双电平结构；中压变流环节的D-PMSG机组工作的电网电压等级基本在690V以上，基本都选用多电平结构。

如今风电机组的工作电压等级通常在690V左右，多是低压变流环节的D-PMSG机组，其中较普遍的拓扑结构主要有以下两种[16]，分别如图2.1和图2.2所示。

如图2.1所示的系统中采用了back-back型双PWM变流器拓扑结构，也即“机侧整流器+电压源型网侧逆变器”的拓扑结构。

dC 永磁同步发电机风力机电网back-back 变流器机侧整流器网侧逆变器图2.1 采用back-back 式双PWM 变流器的D-PMSG 机组拓扑结构从图2.1中可知，机侧整流器可以通过对永磁同步发电机的功率、转速、转矩和效率的控制以实现最大转矩、最大效率、最小损耗控制的目标，并通过控制电机的转速从而实现最大功率点跟踪，可以有针对性地提高系统运行特性。

网侧逆变器可以稳定直流母线电压，还可以解耦控制，是通过分别控制系统的有功功率和无功功率，从而灵活调节发电机及电网的功率因数。

虽然这样的拓扑结构控制复杂，同时机组的成本也偏高，但因为该系统控制方法灵活，可以有效提高机组性能，所以具有较好的应用前景。

研究目的及意义虽然中国2012年总装机容量成为全球第一，但是还远远不能证明中国的风电产业全球第一。

风电产业是一个整体，不仅仅是包括装机总量这样的硬实力，还有软实力，即电网相关基础设施的建设和相关技术问题的解决。

中国现阶段的电网接纳能力不够，由于风电项目的快速上马，而风机安装周期很短，故电网基础建设难以跟上。

风电场建设的最终目的就是把风电机发出的电并入电网，但是与电网公司并网艰难，存在“弃风窝电”的问题。

外送瓶颈的制约，已使北方部分地区快速发展的风电限于停滞，装机容量再大成为摆设。

同时部分风电机组性能不达标，风电场建设、运行管理水平相对落后。

风电产业面临的不仅仅是建设和管理的问题，同时还有技术上的难题，其中低电压穿越技术就是的主要技术难题之一。

随着风电能源在整个电力能源中的比例不断增大，风电机组并网对电网的影响已经到了不能忽视的地步。

在早期，风电机组正常运行时，只要电网电压骤降到某一值，风电机组就可以自动脱网，这在风电能源在电网中所占比例不高的情况下是可以被接受的。

但是现在风电能源在电网中所占比例不断增加，风电机组的大范围脱网就会发生电网崩溃的后果，这会对工业生产等方面造成巨大影响，给大规模应用风电能源并网蒙上一片阴影，使这种最易应用的可再生能源的发展受到制约[7]。

所以在风力发电量和风电容量都不断增加的今天，风电机组用自动脱网来应对电网电压骤降的方法已经不再符合如今的电网规则。

因此，世界各国对电力系统的安全运行准则都实施了进一步的规范，也对风电机组的故障运行提出更加严格的要求，尤其在电网侧或风电接入点发生严重故障导致电网电压严重跌落时，风电机组要继续保持并网运行，有一定的故障穿越能力。

低电压穿越，就是指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）[8]。

在2011年发生了密集的风电大规模脱网事故：2月24日，甘肃酒泉发生598台风电机组脱网事故，损失出力840.43兆瓦；4月17日，甘肃瓜州发生702台风电机组脱网事故，损失出力1006.223兆瓦；同日，河北张家口发生644台风电机组脱网事故，损失风电出力854兆瓦；5月甘肃酒泉又发生一起规模更大的1278台风机组脱网事故，不仅创造了多项风电机组集中脱网纪录，而且对电网安全稳定运行造成巨大的冲击[9]。

以D-PMSG机组的LVRT(Low Voltage Ride Through,低电压穿越)问题为切入点，分析其运行的原理和LVRT问题发生的原因。

D-PMSG机组的LVRT能否到达很好的效果，关键在于并网变流器的控制策略。

就目前研究可知，D-PMSG机组的低压保护方法有很多，例如Crowbar电阻方法、Vestas公司采用的制动电阻方法、添加储能电路法、外置无功装置补偿法等[10-12]，但是这些方法的运用都必须要考虑实际的情况进行最优选择。

因此论文的目的在于合理运用D-PMSG的优势，找出可以在发生电压跌落时迅速反应，并能适当的应对，保护系统的稳定性和可靠性，确保电网的稳定性的LVRT方案。

未来，风电的发展趋势是机组由小变大，并网容量由少变多，风电在很多地方可能成为第二或第三大电能来源，在这方面D-PMSG的设计和限制等问题相对与DFIG要小得多，并且D-PMSG和电网之间的接口是柔性友好的，更加有利于电力系统的稳定，因此对D-PMSG低压穿越的研究对风电技术的发展有着重要的意义。

国内外研究现状国外LVRT技术动态近年来很多欧美国家的电力运营商对电网稳定性问题进行了深入的研究，纷纷制定了不同的针对各自国情的风力发电系统LVRT技术标准[13]。

其中的部分国家还提出当电网电压出现骤降时，维持风力发电机组不脱网，同时还要向电网提供一定的无功支持。

还有一些国家对当电网电压恢复时向电网输出有功的恢复速度提出了目标，也是对当前风电技术提出的挑战[14]，以下是几个国家对LVRT的具体标准：(1) 美国LVRT标准美国的LVRT标准如图1.1所示，要求风电场节点电压跌落至额定电压的15%时，能够维持并网运行625ms的LVRT能力，当风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行。

并网点电压(p u )故障时间t /s图1.1 美国LVRT 标准示意图(2) 加拿大LVRT 标准加拿大的LVRT 标准如图1.2所示，要求风电场节点电压跌落至0时，能够维持150ms 的LVRT 能力，3s 内恢复到节点额定电压的85%时，风电场必须保持并网运行；对风电场的LVRT 规定，各省各地区可以根据实际情况进行相应的修正，允许LVRT 的要求根据实际需要调整，电力系统运营商也应该接受这些调整。

并网点电压(p u )故障时间t /s图1.2 加拿大LVRT 标准示意图(3) 德国LVRT 标准德国的LVRT 标准如图1.3所示。

在图1.3(a)中当高短路电流导致风电场并网点电压跌至0时风电机组应能够保证不脱网连续运行150ms ；在图1.3(b)中当低短路电流故障发生时，封闭区域中的有功功率每秒钟可以增加额定功率的5%；在系统低电压跌落时机组必须能够提供电压支持；若电压降落幅度大于电机端电压均方根值的10%，机组必须切换至支持电压；机组必须在通过提供电机端无功功率进行的故障识别后20ms 内提供电压支持，无功功率的提供必须保证电压每降落1%的同时无功电流增加2%。

t /s并网点电压(p u )故障时间t /s并网点电压(p u )故障时间(a) 高短路电流故障的LVRT 标准 (b) 低短路电流故障的LVRT 标准图1.3 德国LVRT 标准示意图(4) 丹麦LVRT 标准丹麦的LVRT 标准示意图如图1.4所示，双重电压降落特性是丹麦并网要求的一部分，它要求两相短路l00ms 后间隔300ms 再发生一次新的100ms 短路时不发生切机；单相短路100ms 后间隔1s 再发生一次新的100ms 电压降落时也要求不发生切机。

并网点电压(p u )并网点电压(p u )并网点电压(p u )并网点电压(p u )并网点电压(p u )t /s并网点电压(p u )图1.4 丹麦LVRT 标准示意图国内LVRT 技术动态随着我国政府对可再生能源，尤其是风能的大力支持，风电机装机容量正逐年增加，电力相关部门也颁布了LVRT 标准。

我国的LVRT 标准要求节点电压跌落到额定值的20%时持续625ms ，风电机组能够维持运行；在2s 内恢复到额定电压的90%时保证风力发电机组不脱网[15]，其示意图如图1.5所示。

将其与各国标准对比可以发现我国的风电LVRT 标准基本上与美国的类似。

但是也可以发现我国的标准明显不如美国标准严格，并且在我国的LVRT 标准中，既没有对电网电压跌落时风电机组向电网提供无功支持提出要求，也没有对有功恢复速度制定相应的标准。

这是因为我国风力发电起步晚，如果初始就推行严格的标准势必对我国风电产业的发展产生负面影响，所以对LVRT 标准进行了适当的放宽。

并网点电压(p u )故障时间t /s图1.5 我国LVRT 标准示意图。