摘要：本文主要研究直驅永磁同步風電變流器系統的控制策略,以提高其低電壓穿越的能力。研究了PWM變流器的數學模型，并對變流器能量傳輸進行分析。網側變流器采用電網電壓定向矢量控制策略，機側變流器采用轉子磁場定向id=0矢量控制策略，為研究直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術建立起良好的理論基礎。

　　本文詳細的介紹了儲能Crowbar和電網電壓跌落時的無功需求，在此基礎上本文提出了一種新的網側變流器故障時無功控制策略，仿真驗證了控制策略的有效性。接著提出了直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越的控制邏輯，在直驅型永磁風力發電系統仿真平臺上運用Matlab/Simulink，采用儲能Crowbar和故障時無功控制策略以及葉尖速比控制等策略實現了直驅型永磁風力發電系統的低電壓穿越。

　　關鍵詞：風力發電變流器；永磁發電機；低電壓穿越；

      Research on the Low Voltage Ride through Capability of Directly-driven PM Wind Generation System

      Abstract: The control strategy for directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator was investigated to enhance its capacity of low voltage ride through (LVRT). The mathematical model of PWM converter is studied, and the power's transformation is analyzed. The controller of grid-side converter uses voltage-oriented vector control strategy and the controller of motor-side converter uses the rotor flux-oriented vector control strategy. That established a good theoretical basis for the direct drive permanent magnet wind power system low voltage ride through technology.

      This paper describes power storage crowbar and the demand of reactive power when grid voltage dips. The paper presents a new power control strategy, when the grid-side converter is failure. Then simulation results verify the effectiveness of the control strategy. Then, the study puts forward a set of control logic for the based low voltage ride through. In the directly-driven permanent magnet wind power system simulation platform built with Matlab/Simulink, the low voltage ride through of directly-driven PM wind generation system is achieved by using the power storage crowbar and reactive power control strategy during the breakdown time.

      Key words：Wind Power Converter; Permanent Magnet Synchronous Motor; Low Voltage Ride Through

　　引言

　　隨著風力發電在我國的快速發展，風電系統對國家電網的影響也越來越大。風力發電技術領先的國家已經相繼發布了電網故障穿越的定量標準，要求電網故障時風力發電機能夠實現低電壓穿越運行，并能為電網提供無功功率支持，以幫助電網快速恢復正常工作。

　　本文針對采用雙PWM變換器并網的永磁直驅風電機組的運行特點，提出一種適用于永磁直驅風電機組的低電壓穿越運行變換器協調控制方案。在電網故障時，根據輸入電網的電磁功率的變化控制電機側變換器來限制發電機的電磁功率以平衡直流側電容兩邊的功率，穩定直流側電容電壓；根據電網電壓跌落深度控制電網側變換器，提供一定的無功電流，有利于電網電壓穩定與恢復，維持風力發電機的穩定運行，提高風電機組的低電壓穿越能力。

　　通過仿真表明該控制策略能有力支持電網電壓的恢復，并有效提高直驅永磁風電機組的低電壓穿越能力。

　　1 低電壓穿越技術概況和低電壓特性分析

　　1.1低電壓穿越技術概況

　　低電壓穿越LVRT，指在風機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區域)。低電壓穿越技術是風力發電系統中的一個非常關鍵的技術之一，關系著風力發電的大規模應用。

　　歐洲在風力發電領域起步較早，發展很快，在一些北歐國家，例如丹麥、德國等，風力發電已經成為了一種主要的能源形式。其中包含了風力發電機故障運行的內容，對風力發電機組的并網運行特性進行了詳細的規定，圖1.1為歐洲E.ON標準中的低電壓穿越能力曲線。在圖中實線以上部分所示的區域不允許風力發電機脫離電網，只有在實線以下區域才允許風力發電機脫離。

　　在我國對低電壓穿越有如下要求，圖1.2為我國標準中的低電壓穿越能力曲線。風電場并網點電壓（三相）在圖中電壓輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不間斷并網運行；并網點電壓（任一相）在圖中電壓輪廓線以下時，場內風電機組允許從電網切出。該規定的風電場低電壓穿越要求為：（1）風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保持并網運行625ms的低電壓穿越能力；（2）風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組保持并網運行。

　　這表明在電網電壓發生瞬時跌落的情況下風力發電機不能像以往一樣可以隨意脫離電網，需要像傳統的火力發電機組一樣，在電網故障時為電網提供支撐。

　　1.2 電網電壓跌落對風電系統的影響

　　本文采用的直驅式永磁同步風力發電系統如圖1.3所示,其中的風力機直接驅動永磁同步發電機經背靠背雙PWM變流器并入電網。

　　風力發電系統注入電網的功率Pe可由式1-1表示：

　　電壓跌落時,假定逆變器工作于單位功率因數且已經達到額定電流,iq被限制不能增加。這時,注入電網的有功功率下降,并且下降幅度與電壓跌落幅度一致,其表達式為:

　　2 永磁直驅風電變流器系統控制策略

　　2.1網側變流器控制策略

　　將三相靜止坐標系下的變換器數學模型變換經變換矩陣變換到到兩相同步旋轉的d-q坐標系中變換后得到三相PWM變換器在兩相同步旋轉坐標系中的數學模型為。

　　設變換器交流側輸出電壓為：

　　式(2-7)中，P大于0表示變換器工作于整流狀態，從電網吸收能量；P小于0表示變換器工作于能量回饋狀態，這時能量從直流側輸向交流電網。Q大于0表示變換器相對于電網呈感性，吸收滯后無功電流；Q小于0表示變換器相對于電網呈容性，吸收超前無功電流。所以電流矢量在d、q軸分量id、iq實際分別代表著變換器的有功電流分量和無功電流分量。

　　由電路拓撲結構可知，當交流側輸入功率大于負載消耗功率時，多余的功率會使直流側電壓升高；反之電容電壓會降低。又由于變換器d軸電流與輸入至交流側功率呈正比，因此可對電容電壓進行控制，用電壓調節器的輸出作為d軸分量電流(有功電流)id的給定值，它反映了變換器輸入有功電流幅值的大小。

　　2.3 機側PWM變流器控制策略

　　2.3.1永磁同步電機數學模型

　　認為磁路為線性，既沒有飽和現象，又沒有磁滯和渦流效應；認為永久磁體的磁場沿氣隙周圍正弦分布，忽略漏感，利用坐標變換理論，可得永磁同步電機同步旋轉坐標系下的電壓方程、磁鏈方程和轉矩方程分別如式(2-8)-式(2-10)所示：

　　2.3.2永磁同步電機轉子磁場定向矢量控制原理

　　標準的三相交流電流通過對稱的三相繞組時能產生一個旋轉磁場，這個旋轉磁場的頻率(轉速)是和交流電流的頻率是一致的，它的幅值是一相電流幅值的1.5倍。通過控制線圈的轉速、位置、轉向來改變磁場的變化。所以電機中的旋轉磁場矢量可以由產生它的三相交流電來控制，將這個旋轉矢量概念加以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場矢量等。矢量控制就是通過對交流電流的控制來達到控制目標矢量空間的位置，使之能滿足我們的要求。

　　2.3.3 id=0控制策略

　　id=0控制旨在將永磁同步電機d軸電流控制為零，是永磁同步電機最常用的控制策略。將isd=0代入式(2-12)，則電磁轉矩方程變為如下形式：

　　要使實際電流跟隨給定值，上式中還應加入反饋控制量。以PI調節器為例，可得系統最終控制方程如式(2-15)所示，其中稱Kp、Ki分別為電流壞的比例和積分系數，系統整體控制框圖如圖2.7所示。

圖 2.8 機側變流器控制框圖。

　　2.3.3 機側變流器仿真

　　依照上述數學模型和控制策略，利用Matlab/Simulink仿真工具，直驅型風力發電系統機側變流器進行仿真。永磁同步發電機參數：定子電阻0.00405485，定子電感0.3mH，電機極對數160，永磁體磁鏈1.48Wb。有功功率初始給定為2MW，在0.2秒時給定降為1.5MW，由于發電機轉動慣量很大，調整時間較長，仿真波形見圖2.9-圖2.11。仿真結果表明，機側變流器控制策略是正確有效的、平穩的。

圖 2.11 永磁發電機電磁轉矩波形

　　3 直驅型風力發電系統低電壓保護策略

　　當電網發生電壓跌落時，網側變流器會出現過電流，當對變流器采取限流后，直流側母線電壓會出現過電壓。如果不能消除直流側過電壓勢必會影響整個發電系統的安全，甚至會損壞發電設備，引起更大事故。因此必須采取一定的措施，消除直流側過電壓，提高直驅型風力發電系統低電壓運行能力。直流側過電壓是由于機側變流器的輸出能量與網側變流器的輸出能量不平衡引起的，因此釋放這一部分多余的能量是解決直流側過電壓的根本途徑。

　　3.1基于儲能Crowbar的過電壓保護方案

　　圖3.1是基于儲能Crowbar的低電壓穿越方案，采用電流可逆斬波電路把直流母線和儲能設備連接在一起，儲能設備可以選用蓄電池或者超級電容等。在該電路中V1與VD2構成降壓斬波電路，由直流母線向儲能設備供電，當直流側電壓過高時，把多余的能量存儲在儲能設備中；V2與VD1構成升壓斬波電路，將儲能設備中的能量反饋至直流母線，當直流側電壓不足時，可把儲能設備中存貯的能量釋放出來，為母線電容充電，提高直流側電壓。分別對但需注意的是，當V1與V2同時導通，將導致直流母線短路，有可能會損壞整個系統。

　　V1與V2的觸發信號可采用滯環比較方式觸發，并對V1與V2的觸發信號進行互鎖，使其不能同時導通，但是這種方式開關動作頻率不能得到有效控制，易損壞開關元件。本文采用兩個PI控制器分別對母線電壓的上限與下限進行控制，對兩個元件觸發信號進行互鎖，如圖3.2所示。當選用足夠容量的儲能設備的儲能Crowbar能夠對直流母線上的過電壓與欠電壓都能進行有效的保護，由于儲能設備的能量回饋作用，有效的抑制了當電網電壓恢復時引起的直流母線電壓跌落，與采用耗能Crowbar保護相比，電網電壓的跌落對永磁發電機的運行所造成的影響基本沒有，有效的保護了系統的安全，并且由于能量的回饋作用，減少了能量的損耗。但是儲能Crowbar的有效保護是建立的具有足夠容量的儲能元件的基礎上，隨著電網跌落程度的加深和持續時間的拉長，其經濟性會顯著降低。

　　3.2 基于輔助網側變流器的過電壓保護方案

　　圖3.3是在直流側和電網之間增加輔助網側變流器的低電壓穿越方案。風電系統網側變流器一般采用IGBT、IGCT等功率器件，成本比較高，而增加的輔助變換器，可以選擇成本相對較低的器件如SCR、GTO等，構成輔助變流器，與主變流器并聯，在電網故障時，使部分電流從輔助變流器流人電網，保持直流側的功率平衡。

      電機負載運行時，共模電壓仍會通過負載軸承產生具有破壞性的電流。因此開始采用由無源器件組成的濾波器，它對消除共模的影響非常有效，有源濾波技術和基于調制技術的方法來降低逆變器輸出共模電壓。

      這種方案需要在故障時實現主從變流器并聯的分流控制，且還需抑制并聯變流器之間環流。當檢測到網側電壓發生跌落時啟用輔助變流器，發出電流分配指令，進行低電壓穿越。根據分析，這種方案必須根據電網電壓允許跌落的深度，確定輔助變流器的電流等級，當電壓跌落較多時，需要輔助變流器的容量也較大，經濟性較差，且由于GTO等器件開關頻率較低，在故障期間會產生一定的諧波注入電網。

      3.3 網側變流器提供無功支持控制策略

      電網電壓顯著跌落時會產生大量的無功需求，電網也要求風電系統能像傳統火力發電一樣，可以方便地控制輸出功率因數，安全地運行在一定的功率因數范圍內，并且能夠在電網故障如電壓跌落等情況下，快速向電網提供無功，調節系統電壓。

      由本文2.3節可知，采取電網電壓定向d-q軸電流解耦控制網側變流器，能夠實現有功與無功的獨立調節。因此在電網電壓發生故障時，使直驅風電系統電網側變流器運行在靜止無功補償模式，對電網提供穩定的無功支持，在技術上是可以實現的。當原有功參考電流大于限制值時，直流側電壓外環已經不能有效保持直流側電壓穩定，此時需要投入直流側卸荷電路，消耗掉直流側積累的多余能量，使直流側電壓保持在安全范圍內。

      同時考慮在發生電壓跌落時直流側電壓由Crowbar控制將電壓值限制于最大母線電壓，控制策略見上節，有功電流參考值通過電網電壓外環PI調節器得到并限幅于最大輸出電流，無功電流通過iqref=i2max-i2dref來獲得。由于電網電壓跌落越深，直流側與電網側功率越不平衡，對發電系統的威脅越大。本控制策略在通過合理的控制有功電流使整個系統能夠處于直流側Crowbar的保護范圍內的同時，最大限度的輸出無功功率來滿足電網對于無功的需求。本文所提控制策略見圖3.4。

　　4 直驅永磁風力發電變流器系統低電壓穿越實現

　　如果采用直流側過電壓保護電路對電網電壓跌落時的直驅型風力發電系統變流器進行保護時，很少有涉及到直驅永磁風力發電系統在不同運行狀態之間的切換問題。為提高基于直流側Crowbar保護電路的直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越控制技術工程應用的可操作性，本文提出了一套基于大電容儲能Crowbar保護電路，并兼顧網側變流器對電網無功支持和風力發電機轉速調節調整葉尖速比的完整的控制邏輯，如圖4.1所示。

　　圖4.1直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越控制邏輯可描述為：首先通過網側電壓的監測，一旦發現電網電壓發生跌落故障，網側變流器即刻運行低電壓故障時無功補償控制策略，直流母線電壓由直流側Crowbar限制于母線最大允許電壓，并在同時調整發電機轉速使其偏離最佳葉尖速比，減少發電機的輸出功率。當電網電壓恢復后，恢復正常無功補償控制策略，母線電壓恢復由網側變流器直流電壓環控制。當直流母線電壓恢復至額定電壓時，調整發電機轉速使其恢復運行于最佳葉尖速比。當電網電壓恢復，由于網側變流器電流環控制的滯后性，母線電壓會出現跌落，當監測到直流母線低于母線電壓下限時，啟用Crowbar釋放儲能元件的能量支撐母線電壓，至網側變流器電流恢復。根據上述控制邏輯與前述控制策略，建立完整的直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越仿真模型如圖4.2所示。

　　由仿真結果可知，當電網電壓如圖4.3(a)所示發生跌落瞬間，仿真模型的檢測迅速檢測到跌落故障，迅速發出指令減小機側發電機轉速如圖4.3(c)所示，通過發電機與風力機的聯動軸調整風力機的轉速，使風力機迅速偏離最佳葉尖速比，風能捕獲系數在0.2s-0.4s時間段迅速減小如圖4.2(d)所示，同時如圖4.2(e)所示發電機發出的電磁功率在0.1s-0.3s時間段亦減小由額定功率降至約為0.5倍額定功率。在發電機調整轉速的同時，網側變流器啟用跌落故障無功補償控制策略，網側變流器有功電流給定由電網電壓環獲得，約為0.6p.u，無功電流經過計算得到約為1.4p.u，經過網側變流器電流環控制，網側有功電流與無功電流迅速跟隨給定值如圖4.3（i)與4.3（j)所示，網側變流器輸出的有功功率與無功功率見圖4.3（f)與4.3（g)。在電網電壓跌落的這段時間過程中，直流母線電壓由Crowbar控制，波形見圖4.3（h)的0.2s-0.4s段，直流母線電壓為1.1p.u，當電網電壓恢復時，直流母線電壓恢復由網測變流器的直流電壓環控制，直流母線電壓向額定電壓值調整，此時因為Crowbar中續流二極管的存在，當儲能電容電壓高于母線電壓時，儲能元件向直流母線饋入能量，使二者電壓同步跌落，當母線電壓到達額定值時，由于慣性環節的存在和電流環的滯后性，直流母線電壓繼續跌落，當跌落至直流母線電壓下限0.875p.u時Crowbar重新啟動以升壓斬波狀態運行，釋放儲能元件中的能量，支撐直流母線電壓直至能量全部釋放完。上述過程Crowbar釋放了在電網電壓跌落過程中存儲的能量，在圖4.3（f)中可見，這一時間段(約為0.4s～0.7s)網側輸出功率高于額定值。之后在網側變流器直流電壓環的調節下，母線電壓恢復額定電壓，整個系統恢復正常工作狀態，低電壓穿越過程結束。

　　4 結語

　　本文首先描述了低電壓穿越的技術特點和電網電壓跌落對風電系統的影響，之后分別介紹了機側變流器和網側變流器的控制方式。從而根據機側和網側變流器的控制特點對幾種實現低電壓穿越功能的方法進行了論述。最終提出了以儲能Crowbar和網側提供無功支持控制為主，并結合葉尖速比控制等策略為輔的整體控制方案，通過仿真實驗驗證了這個方案的可行性，從而為實現了直驅型永磁風力發電系統的低電壓穿越提供了理論和實驗指導。

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