低电压故障对非耦合型风电机组的影响

非耦合型风电机组的发电机与电网由全功率变流器相连，其典型拓扑如图6-44所示。

图6-44 非耦合型风电机组的典型拓扑

不考虑网络损耗，图6-44所示的发电机输出的电磁功率P_e和风电机组网侧变流器交流侧输出瞬时有功P_c满足如下功率平衡方程式：

式中，C为变流器的直流母线电容。(www.xing528.com)

正常工况下，系统运行至稳态时，存在功率守恒P_e=P_c，此时直流母线电压恒定。电网故障下，电网电压出现跌落，若发电机输出功率P_e不变，为保证式（6-76）的功率平衡关系，网侧变流器必须增加输出电流，以保证输出功率P_c不变。然而，网侧变流器输出电流受电力电子器件热容量的限制，当故障较严重或电压跌落幅度较大时，其输出电流无法继续增加，输出功率P_c<P_e，令不平衡功率ΔP为

ΔP=P_e-P_c （6-77）

由式（6-76）可知，ΔP将导致直流母线电压U_dc上升，当U_dc上升到一定数值，为保护变流器，风电系统将切机。

不对称电网故障条件下，网侧变流器的动态可基于其正负序模型分析，其模型与双馈风电机组的网侧变流器一致，可由式（6-56）表示。进一步，由式（6-58）和式（6-59）可知，不对称故障时，除了功率不平衡现象外，电网电压的负序分量还会导致变流器直流母线电压和输出功率的脉动。若对上述波动功率均不加控制，当发电机输出功率P_e恒定时，该功率波动可能会导致变流器直流母线电压中出现二次纹波^[54，55]。一方面，变流器存在直流母线过电压/欠电压保护，通常当直流母线电压瞬时值大于110%或小于90%额定电压时，为保护变流器，风电系统将会切机。另一方面，若网侧变流器采用传统的电压、电流双闭环控制方法时，由于并网电流的有功分量指令为直流母线电压外环的输出，电压环为抑制直流母线电压脉动会将二次纹波分量作为指令传递给电流环，最终使得并网电流出现3次谐波，由于功率守恒，并网电流中的3次谐波会导致直流母线电压中的4次纹波，此4次纹波进一步会引起并网电流中的5次谐波分量。以此类推，不对称故障下，变流器直流母线电压会出现偶次谐波，并网电流包含奇次谐波，严重影响风电机组输出电能质量。值得指出的是，网侧变流器输出至电网的瞬时功率P_g与其交流侧输出瞬时功率P_c不一定相等，网侧变流器并网电感上也会存在功率波动^[50]。