在现代电力系统中，风力发电在电网中所占比 重越来越大，电网对风电场安全稳定运行的要求也 越来越高。文献^[1,2,3]提出，当风电场与大电网并联 运行时，大电网出现单相或两相、三相故障时，会使风电场主变压器的电压降低。如果风机对电网的 电压降比较敏感，风力发电机会在电网故障期间与 电网解列，以实现自我保护，当大规模风力发电机 因为电压降低而脱网时，会对电力系统稳定带来一 定的影响。2011年甘肃某风电场由于电缆头短路 导致702台风力发电机组相继脱网，损失大量出力， 并降低了整个西北电网主网的频率。河北张家口 某风电场由于箱式变压器发生短路，造成644台风 机相继脱网，并且波及华北电网主网。因此要求风 力发电机组必须具备低电压过渡能力^[4]，且需对风 力发电机进行现场低电压过渡能力测试。

通常，在低电压过渡能力测试过程中，测试设 备会对风力发电机的稳定运行存在一定影响。低 电压过渡能力测试设备采用阻抗分压的原理，在风 力发电机的电压出口处会产生一定的电压降，可以 用来模拟电网三相和两相故障对风力发电机的影 响。当风力发电机正常并网运行时，向电网输送一 定的有功、无功功率，风力发电机接有低电压过渡 能力测试设备后，由于风力发电机桨距角不能突 变，因而风力发电机定子功率也不能突变，定子电 流会增大，转子电流也增大，这时转子输入功率大 于输出功率，直流侧电压上升，严重时会烧毁并联 电容。

本文根据在蒙西地区某风电场进行的电网电 压跌落20%时的电压、电流波形，分析双馈式风力发 电机在接有低电压过渡能力测试设备时，其阻抗与 风力发电机输出电流的变化关系^[4,5,6]，并且结合现场 测试经验提出风力发电机在低电压过渡能力测试 时需要改进的技术。 1 双馈式风力发电机低电压过渡能力测试 1.1 测试条件

试验采用额定容量4MW的低电压过渡能力测 试设备，对蒙西地区某风电场的1.5MW双馈式风力 发电机进行低电压过渡能力测试，测试点选择在箱 式变压器低电压侧，测试电网发生三相和两相20% 电压跌落故障时的风机输出电压、电流等情况。测 试时风速为11~13m/s，风力发电机发送功率≥90% 额定功率。测试按照《GB/T19963—2011风电场接 入电网技术规定》^[4]中对风电场低电压过渡能力的 要求执行。 1.2 测试过程

图 1为现场进行低电压过渡能力测试系统阻抗 原理图。测试前，CB₁闭合，CB₂断开，QI、QO为闭合状 态，风力发电机与大电网相连。测试时，先将CB₁断 开，投入限流阻抗，经过一定的预录波时间，将CB₂ 投入，这样根据阻抗分压原理会在风机侧产生低电 压，这时风机会运行在低电压状态（风力发电机会 发出无功电流来支撑风力发电机的出口电压不至 于降得太低^[4] ）。当低电压运行结束后，CB₂先断开， 限流阻抗限制风机在从低电压到正常电压过渡的 电流变化，使风机入网电流不至于变化太大。经过 一段时间后，将限流阻抗切除，风机直接和大电网 相连。风力发电机的低电压过渡能力测试结束。

图1(Figure 1)

图1 现场进行低电压过渡能力测试系统阻抗原理图

图 2为电网电压对称跌落到20%时风机电压波 形，图 3为有功功率和无功功率变化波形，图 4为电 流变化波形。从图 2可以看出，在跌落瞬间风机输 出电压较低，对于变流器而言，在电网电压跌落瞬 间到风机控制系统检测到电网电压跌落的几个周 期时间是不可控的，可以通过提高电网跌落电压的 检测技术来缩短这个时间。根据文献^[7,8]，在电网 电压跌落瞬间，风机定子电流增大，进而转子电流 也增大，直流侧电压上升。当转子直流侧电压升到 保护定值时^[5]，通过直流侧并联电阻释放多余的能 量，转子交流侧也会释放一定能量，转子交流侧并 联电阻和直流侧并联电阻之间的动作逻辑顺序是 由变频器的程序决定。

图2(Figure 2)

图2 电网发生三相对称20%电压跌落故障时风机出口电压波形

图3(Figure 3)

图3 电网发生三相对称20%电压跌落故障时风机有功、无功功率波形

图4(Figure 4)

图4 电网发生三相对称20%电压跌落故障时风机的输出电流波形

当转子直流侧和交流侧的并联电阻全部接入， 且直流母线电压超出了程序保护定值，这时风机就 会发出停车命令，以防止直流侧电压太高而损坏电 容器，对风机造成影响。 1.3.2 电网发生两相20%电压跌落故障

对于变流器而言，电网发生两相20%电压跌落 故障时，虽然短路电流对风机影响较三相对称故障 的小，但两相故障对于风力发电机的低电压过渡能 力要求更为严格。

当电网电压发生两相20%电压跌落故障时，网 侧变流器交流侧存在负序电流，造成三相电流不对 称。网侧变流器直流侧会存在一个2倍频的波动， 使得直流侧电压不断变化，交流侧chopper（斩波电 路）和直流侧crowbar（撬棒电路）频繁动作，导致低 电压过渡期间的控制变得复杂。图 5为电网电压跌 落20%时L1、L2相短路时风机侧的电压，图 6为风 机的输出电流。从图 6可以看出，在电压跌落瞬间， 虽然是L1、L2相两相电网故障，但对L3相电压也会 造成影响，但L1、L2相两相的冲击电流很大，L3相 比较小。

图5(Figure 5)

图5 电网发生两相20%电压跌落故障时风机输出电压波形

图6(Figure 6)

图6 电网发生两相20%电压跌落故障风机输出电流波形

风机接入电网时的阻抗模型如图 7所示。 正常运行时，电网电流的计算公式为：

U_grid—电网电压。

图7(Figure 7)

图7 风机接入电网的阻抗模型

为了研究风力发电机接有低电压过渡能力测 试设备后对风机入网电流的影响，针对风机接带有 测试设备的情况进行阻抗建模。当串联电抗器投 入时，系统阻抗模型见图 8所示，电网电流计算式为：

图8(Figure 8)

图8 低电压过渡能力测试设备仅投入串联电抗时的阻抗模型

图9(Figure 9)

图9 低电压过渡能力测试设备完全投入后的阻抗模型

设风机的输出电压为U_LVRT；风机电流为U_wt，等于 风机发出的无功电流和有功电流之和，在同等风况 下可以认为是恒定的^[5]。对其列节点电压方程：

（1）当电网电压轻度跌落时，Z₂较大，所引起的 电网等效阻抗变化较小，即在电网电压轻度跌落 时，风机在低电压过渡的稳态运行过程中，入网电 流变化较小。

（2）当电网电压重度跌落时，Z₂较小，所引起的 电网阻抗变化较大。所以说在电网电压重度跌落 时，风机在低电压过渡的稳态运行过程中，入网电 流变化较大。从图 4和图 6可以看出，当电网电压 重度跌落时，由于接入并联阻抗，所引起短路电流 增大，可见低电压过渡能力测试设备阻抗变化对风 力发电机入网电流的影响比较大。从图 6可以看 出，在电压跌落瞬间，虽然是L1、L2相两相的电网故 障，但对L3相的电压也会造成影响，但L1、L2相的 冲击电流很大，L3相比较小。经过2—3个电网周期 （40~60ms）后，变频器检测出电网的两相电压跌落， 进入低电压运行模式，常用的2种控制方式为抑制 交流侧负序电流和抑制直流侧电压波动^[9,10,11,12]。

（3）当电网电压突然跌落时，发电机定子端电 压会发生突变，但定子磁链不能突变，电磁转矩与 定子磁链成比例关系，即T_e=-（P_nL_m/L_s）ψ_si_qr，其中，P_n 为风机极对数；i_qr为转子q轴电流；Lm为定转子耦合 电感，L_s为定子电感，ψ_s为定子磁链。因此，当电压 跌落时，电磁转矩会相应减小，而发电机输入转矩 不变，这样会导致转子的转速增加。经过转子转 速、电流的控制环作用后，转子电流会增加。文献 ^[12]详细叙述了风力发电机运行于低电压期间，入 网电流的详细变化过程。 3 结论及建议

本文针对蒙西地区某风电场双馈式风力发电 机在发生电网两相、三相对称电压跌落20%故障时 的低电压过渡能力进行测试，建立了风力发电机在 接有低电压过渡能力测试设备后的阻抗模型，以此 对风机入网电流变化情况进行了分析。结果表明， 风力发电机在低电压过渡能力测试设备接入后，不 同的串联阻抗、并联阻抗会引起入网电流发生变 化。风力发电机在同等的电压跌落深度下，接入不 同配置阻抗的设备，其入网电流也会发生变化。低 电压过渡能力测试设备的并联阻抗越小，风机的入 网电流就会越大。因此选择最佳的测试设备阻抗 配置，可减小入网电流对风机的冲击。

为了保证风力发电机低电压过渡能力测试顺 利进行，在测试期间应将低电压过渡能力测试设备 设置成最高保护级别，变压器次之，电网最低。这 样能够避免在测试过程中由于阻抗配置不合理或 短路阻抗太小所引起流过箱式变压器的电流太大，从而导致变压器开关发生跳变。当电网电压跌落 比较小时，由于入网电流变化较小，可采用较小的 限流阻抗；当电压跌落较大时，则需要较大的限流 阻抗。而对于不同的电压跌落深度，箱式变压器都 可以在低电压设备和电路线路的保护之间动作。

针对风机低电压过渡能力测试过程中测试设 备阻抗对风机入网电流产生影响的情况，为保障风 机低电压过渡能力测试顺利进行，建议在现场试验 中应注意对箱式变压器保护定值的修改。另外风 机自身低电压过渡能力的提高也能够降低现场试 验参数配置要求，从而有利于风机的低电压过渡能 力测试顺利进行。