摘要：本文主要研究直驅(qū)永磁同步風(fēng)電變流器系統(tǒng)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(shù)學(xué)模型，并對(duì)變流器能量傳輸進(jìn)行分析。網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略，機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向id=0矢量控制策略，為研究直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)建立起良好的理論基礎(chǔ)。

　　本文詳細(xì)的介紹了儲(chǔ)能Crowbar和電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的無(wú)功需求，在此基礎(chǔ)上本文提出了一種新的網(wǎng)側(cè)變流器故障時(shí)無(wú)功控制策略，仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。接著提出了直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的控制邏輯，在直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺(tái)上運(yùn)用Matlab/Simulink，采用儲(chǔ)能Crowbar和故障時(shí)無(wú)功控制策略以及葉尖速比控制等策略實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電變流器；永磁發(fā)電機(jī)；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(fēng)力發(fā)電在我國(guó)的快速發(fā)展，風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的影響也越來(lái)越大。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家已經(jīng)相繼發(fā)布了電網(wǎng)故障穿越的定量標(biāo)準(zhǔn)，要求電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越運(yùn)行，并能為電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持，以幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)正常工作。

　　本文針對(duì)采用雙PWM變換器并網(wǎng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，提出一種適用于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行變換器協(xié)調(diào)控制方案。在電網(wǎng)故障時(shí)，根據(jù)輸入電網(wǎng)的電磁功率的變化控制電機(jī)側(cè)變換器來(lái)限制發(fā)電機(jī)的電磁功率以平衡直流側(cè)電容兩邊的功率，穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓；根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度控制電網(wǎng)側(cè)變換器，提供一定的無(wú)功電流，有利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定與恢復(fù)，維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。

　　通過(guò)仿真表明該控制策略能有力支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，并有效提高直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。

　　1 低電壓穿越技術(shù)概況和低電壓特性分析

　　1.1低電壓穿越技術(shù)概況

　　低電壓穿越LVRT，指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。低電壓穿越技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，關(guān)系著風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。

　　歐洲在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域起步較早，發(fā)展很快，在一些北歐國(guó)家，例如丹麥、德國(guó)等，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為了一種主要的能源形式。其中包含了風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障運(yùn)行的內(nèi)容，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，圖1.1為歐洲E.ON標(biāo)準(zhǔn)中的低電壓穿越能力曲線(xiàn)。在圖中實(shí)線(xiàn)以上部分所示的區(qū)域不允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，只有在實(shí)線(xiàn)以下區(qū)域才允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫離。

　　在我國(guó)對(duì)低電壓穿越有如下要求，圖1.2為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的低電壓穿越能力曲線(xiàn)。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓（三相）在圖中電壓輪廓線(xiàn)及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓（任一相）在圖中電壓輪廓線(xiàn)以下時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。該規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求為：（1）風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力；（2）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行。

　　這表明在電網(wǎng)電壓發(fā)生瞬時(shí)跌落的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能像以往一樣可以隨意脫離電網(wǎng)，需要像傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組一樣，在電網(wǎng)故障時(shí)為電網(wǎng)提供支撐。

　　1.2 電網(wǎng)電壓跌落對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的影響

　　本文采用的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1.3所示,其中的風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)背靠背雙PWM變流器并入電網(wǎng)。

　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的功率Pe可由式1-1表示：

　　電壓跌落時(shí),假定逆變器工作于單位功率因數(shù)且已經(jīng)達(dá)到額定電流,iq被限制不能增加。這時(shí),注入電網(wǎng)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(dá)式為:

　　2 永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器系統(tǒng)控制策略

　　2.1網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

　　將三相靜止坐標(biāo)系下的變換器數(shù)學(xué)模型變換經(jīng)變換矩陣變換到到兩相同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系中變換后得到三相PWM變換器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為。

　　設(shè)變換器交流側(cè)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(tài)，從電網(wǎng)吸收能量；P小于0表示變換器工作于能量回饋狀態(tài)，這時(shí)能量從直流側(cè)輸向交流電網(wǎng)。Q大于0表示變換器相對(duì)于電網(wǎng)呈感性，吸收滯后無(wú)功電流；Q小于0表示變換器相對(duì)于電網(wǎng)呈容性，吸收超前無(wú)功電流。所以電流矢量在d、q軸分量id、iq實(shí)際分別代表著變換器的有功電流分量和無(wú)功電流分量。

　　由電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，當(dāng)交流側(cè)輸入功率大于負(fù)載消耗功率時(shí)，多余的功率會(huì)使直流側(cè)電壓升高；反之電容電壓會(huì)降低。又由于變換器d軸電流與輸入至交流側(cè)功率呈正比，因此可對(duì)電容電壓進(jìn)行控制，用電壓調(diào)節(jié)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(jī)側(cè)PWM變流器控制策略

　　2.3.1永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

　　認(rèn)為磁路為線(xiàn)性，既沒(méi)有飽和現(xiàn)象，又沒(méi)有磁滯和渦流效應(yīng)；認(rèn)為永久磁體的磁場(chǎng)沿氣隙周?chē)曳植?，忽略漏感，利用坐?biāo)變換理論，可得永磁同步電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程分別如式(2-8)-式(2-10)所示：

　　2.3.2永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理

　　標(biāo)準(zhǔn)的三相交流電流通過(guò)對(duì)稱(chēng)的三相繞組時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率(轉(zhuǎn)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(guò)控制線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)向來(lái)改變磁場(chǎng)的變化。所以電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量可以由產(chǎn)生它的三相交流電來(lái)控制，將這個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量概念加以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場(chǎng)矢量等。矢量控制就是通過(guò)對(duì)交流電流的控制來(lái)達(dá)到控制目標(biāo)矢量空間的位置，使之能滿(mǎn)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(jī)d軸電流控制為零，是永磁同步電機(jī)最常用的控制策略。將isd=0代入式(2-12)，則電磁轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

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

圖 2.8 機(jī)側(cè)變流器控制框圖。

　　2.3.3 機(jī)側(cè)變流器仿真

　　依照上述數(shù)學(xué)模型和控制策略，利用Matlab/Simulink仿真工具，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行仿真。永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)：定子電阻0.00405485，定子電感0.3mH，電機(jī)極對(duì)數(shù)160，永磁體磁鏈1.48Wb。有功功率初始給定為2MW，在0.2秒時(shí)給定降為1.5MW，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，仿真波形見(jiàn)圖2.9-圖2.11。仿真結(jié)果表明，機(jī)側(cè)變流器控制策略是正確有效的、平穩(wěn)的。

圖 2.11 永磁發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形

　　3 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓保護(hù)策略

　　當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流，當(dāng)對(duì)變流器采取限流后，直流側(cè)母線(xiàn)電壓會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。如果不能消除直流側(cè)過(guò)電壓勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全，甚至?xí)p壞發(fā)電設(shè)備，引起更大事故。因此必須采取一定的措施，消除直流側(cè)過(guò)電壓，提高直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行能力。直流側(cè)過(guò)電壓是由于機(jī)側(cè)變流器的輸出能量與網(wǎng)側(cè)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(cè)過(guò)電壓的根本途徑。

　　3.1基于儲(chǔ)能Crowbar的過(guò)電壓保護(hù)方案

　　圖3.1是基于儲(chǔ)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(xiàn)和儲(chǔ)能設(shè)備連接在一起，儲(chǔ)能設(shè)備可以選用蓄電池或者超級(jí)電容等。在該電路中V1與VD2構(gòu)成降壓斬波電路，由直流母線(xiàn)向儲(chǔ)能設(shè)備供電，當(dāng)直流側(cè)電壓過(guò)高時(shí)，把多余的能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備中；V2與VD1構(gòu)成升壓斬波電路，將儲(chǔ)能設(shè)備中的能量反饋至直流母線(xiàn)，當(dāng)直流側(cè)電壓不足時(shí)，可把儲(chǔ)能設(shè)備中存貯的能量釋放出來(lái)，為母線(xiàn)電容充電，提高直流側(cè)電壓。分別對(duì)但需注意的是，當(dāng)V1與V2同時(shí)導(dǎo)通，將導(dǎo)致直流母線(xiàn)短路，有可能會(huì)損壞整個(gè)系統(tǒng)。

　　V1與V2的觸發(fā)信號(hào)可采用滯環(huán)比較方式觸發(fā)，并對(duì)V1與V2的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行互鎖，使其不能同時(shí)導(dǎo)通，但是這種方式開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率不能得到有效控制，易損壞開(kāi)關(guān)元件。本文采用兩個(gè)PI控制器分別對(duì)母線(xiàn)電壓的上限與下限進(jìn)行控制，對(duì)兩個(gè)元件觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行互鎖，如圖3.2所示。當(dāng)選用足夠容量的儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能Crowbar能夠?qū)χ绷髂妇€(xiàn)上的過(guò)電壓與欠電壓都能進(jìn)行有效的保護(hù)，由于儲(chǔ)能設(shè)備的能量回饋?zhàn)饔茫行У囊种屏水?dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)引起的直流母線(xiàn)電壓跌落，與采用耗能Crowbar保護(hù)相比，電網(wǎng)電壓的跌落對(duì)永磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行所造成的影響基本沒(méi)有，有效的保護(hù)了系統(tǒng)的安全，并且由于能量的回饋?zhàn)饔茫瑴p少了能量的損耗。但是儲(chǔ)能Crowbar的有效保護(hù)是建立的具有足夠容量的儲(chǔ)能元件的基礎(chǔ)上，隨著電網(wǎng)跌落程度的加深和持續(xù)時(shí)間的拉長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)性會(huì)顯著降低。

　　3.2 基于輔助網(wǎng)側(cè)變流器的過(guò)電壓保護(hù)方案

　　圖3.3是在直流側(cè)和電網(wǎng)之間增加輔助網(wǎng)側(cè)變流器的低電壓穿越方案。風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)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(duì)較低的器件如SCR、GTO等，構(gòu)成輔助變流器，與主變流器并聯(lián)，在電網(wǎng)故障時(shí)，使部分電流從輔助變流器流人電網(wǎng)，保持直流側(cè)的功率平衡。

      電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，共模電壓仍會(huì)通過(guò)負(fù)載軸承產(chǎn)生具有破壞性的電流。因此開(kāi)始采用由無(wú)源器件組成的濾波器，它對(duì)消除共模的影響非常有效，有源濾波技術(shù)和基于調(diào)制技術(shù)的方法來(lái)降低逆變器輸出共模電壓。

      這種方案需要在故障時(shí)實(shí)現(xiàn)主從變流器并聯(lián)的分流控制，且還需抑制并聯(lián)變流器之間環(huán)流。當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落時(shí)啟用輔助變流器，發(fā)出電流分配指令，進(jìn)行低電壓穿越。根據(jù)分析，這種方案必須根據(jù)電網(wǎng)電壓允許跌落的深度，確定輔助變流器的電流等級(jí)，當(dāng)電壓跌落較多時(shí)，需要輔助變流器的容量也較大，經(jīng)濟(jì)性較差，且由于GTO等器件開(kāi)關(guān)頻率較低，在故障期間會(huì)產(chǎn)生一定的諧波注入電網(wǎng)。

      3.3 網(wǎng)側(cè)變流器提供無(wú)功支持控制策略

      電網(wǎng)電壓顯著跌落時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功需求，電網(wǎng)也要求風(fēng)電系統(tǒng)能像傳統(tǒng)火力發(fā)電一樣，可以方便地控制輸出功率因數(shù)，安全地運(yùn)行在一定的功率因數(shù)范圍內(nèi)，并且能夠在電網(wǎng)故障如電壓跌落等情況下，快速向電網(wǎng)提供無(wú)功，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。

      由本文2.3節(jié)可知，采取電網(wǎng)電壓定向d-q軸電流解耦控制網(wǎng)側(cè)變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)有功與無(wú)功的獨(dú)立調(diào)節(jié)。因此在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)，使直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在靜止無(wú)功補(bǔ)償模式，對(duì)電網(wǎng)提供穩(wěn)定的無(wú)功支持，在技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)原有功參考電流大于限制值時(shí)，直流側(cè)電壓外環(huán)已經(jīng)不能有效保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，此時(shí)需要投入直流側(cè)卸荷電路，消耗掉直流側(cè)積累的多余能量，使直流側(cè)電壓保持在安全范圍內(nèi)。

      同時(shí)考慮在發(fā)生電壓跌落時(shí)直流側(cè)電壓由Crowbar控制將電壓值限制于最大母線(xiàn)電壓，控制策略見(jiàn)上節(jié)，有功電流參考值通過(guò)電網(wǎng)電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到并限幅于最大輸出電流，無(wú)功電流通過(guò)iqref=i2max-i2dref來(lái)獲得。由于電網(wǎng)電壓跌落越深，直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)功率越不平衡，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的威脅越大。本控制策略在通過(guò)合理的控制有功電流使整個(gè)系統(tǒng)能夠處于直流側(cè)Crowbar的保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，最大限度的輸出無(wú)功功率來(lái)滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)于無(wú)功的需求。本文所提控制策略見(jiàn)圖3.4。

　　4 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電變流器系統(tǒng)低電壓穿越實(shí)現(xiàn)

　　如果采用直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電路對(duì)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器進(jìn)行保護(hù)時(shí)，很少有涉及到直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)之間的切換問(wèn)題。為提高基于直流側(cè)Crowbar保護(hù)電路的直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制技術(shù)工程應(yīng)用的可操作性，本文提出了一套基于大電容儲(chǔ)能Crowbar保護(hù)電路，并兼顧網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)電網(wǎng)無(wú)功支持和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)調(diào)整葉尖速比的完整的控制邏輯，如圖4.1所示。

　　圖4.1直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制邏輯可描述為：首先通過(guò)網(wǎng)側(cè)電壓的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，網(wǎng)側(cè)變流器即刻運(yùn)行低電壓故障時(shí)無(wú)功補(bǔ)償控制策略，直流母線(xiàn)電壓由直流側(cè)Crowbar限制于母線(xiàn)最大允許電壓，并在同時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其偏離最佳葉尖速比，減少發(fā)電機(jī)的輸出功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，恢復(fù)正常無(wú)功補(bǔ)償控制策略，母線(xiàn)電壓恢復(fù)由網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓環(huán)控制。當(dāng)直流母線(xiàn)電壓恢復(fù)至額定電壓時(shí)，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其恢復(fù)運(yùn)行于最佳葉尖速比。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)，由于網(wǎng)側(cè)變流器電流環(huán)控制的滯后性，母線(xiàn)電壓會(huì)出現(xiàn)跌落，當(dāng)監(jiān)測(cè)到直流母線(xiàn)低于母線(xiàn)電壓下限時(shí)，啟用Crowbar釋放儲(chǔ)能元件的能量支撐母線(xiàn)電壓，至網(wǎng)側(cè)變流器電流恢復(fù)。根據(jù)上述控制邏輯與前述控制策略，建立完整的直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越仿真模型如圖4.2所示。

　　由仿真結(jié)果可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓如圖4.3(a)所示發(fā)生跌落瞬間，仿真模型的檢測(cè)迅速檢測(cè)到跌落故障，迅速發(fā)出指令減小機(jī)側(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖4.3(c)所示，通過(guò)發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的聯(lián)動(dòng)軸調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機(jī)迅速偏離最佳葉尖速比，風(fēng)能捕獲系數(shù)在0.2s-0.4s時(shí)間段迅速減小如圖4.2(d)所示，同時(shí)如圖4.2(e)所示發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率在0.1s-0.3s時(shí)間段亦減小由額定功率降至約為0.5倍額定功率。在發(fā)電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速的同時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器啟用跌落故障無(wú)功補(bǔ)償控制策略，網(wǎng)側(cè)變流器有功電流給定由電網(wǎng)電壓環(huán)獲得，約為0.6p.u，無(wú)功電流經(jīng)過(guò)計(jì)算得到約為1.4p.u，經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器電流環(huán)控制，網(wǎng)側(cè)有功電流與無(wú)功電流迅速跟隨給定值如圖4.3（i)與4.3（j)所示，網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率與無(wú)功功率見(jiàn)圖4.3（f)與4.3（g)。在電網(wǎng)電壓跌落的這段時(shí)間過(guò)程中，直流母線(xiàn)電壓由Crowbar控制，波形見(jiàn)圖4.3（h)的0.2s-0.4s段，直流母線(xiàn)電壓為1.1p.u，當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，直流母線(xiàn)電壓恢復(fù)由網(wǎng)測(cè)變流器的直流電壓環(huán)控制，直流母線(xiàn)電壓向額定電壓值調(diào)整，此時(shí)因?yàn)镃rowbar中續(xù)流二極管的存在，當(dāng)儲(chǔ)能電容電壓高于母線(xiàn)電壓時(shí)，儲(chǔ)能元件向直流母線(xiàn)饋入能量，使二者電壓同步跌落，當(dāng)母線(xiàn)電壓到達(dá)額定值時(shí)，由于慣性環(huán)節(jié)的存在和電流環(huán)的滯后性，直流母線(xiàn)電壓繼續(xù)跌落，當(dāng)?shù)渲林绷髂妇€(xiàn)電壓下限0.875p.u時(shí)Crowbar重新啟動(dòng)以升壓斬波狀態(tài)運(yùn)行，釋放儲(chǔ)能元件中的能量，支撐直流母線(xiàn)電壓直至能量全部釋放完。上述過(guò)程Crowbar釋放了在電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中存儲(chǔ)的能量，在圖4.3（f)中可見(jiàn)，這一時(shí)間段(約為0.4s～0.7s)網(wǎng)側(cè)輸出功率高于額定值。之后在網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓環(huán)的調(diào)節(jié)下，母線(xiàn)電壓恢復(fù)額定電壓，整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，低電壓穿越過(guò)程結(jié)束。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文首先描述了低電壓穿越的技術(shù)特點(diǎn)和電網(wǎng)電壓跌落對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的影響，之后分別介紹了機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制方式。從而根據(jù)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的控制特點(diǎn)對(duì)幾種實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能的方法進(jìn)行了論述。最終提出了以?xún)?chǔ)能Crowbar和網(wǎng)側(cè)提供無(wú)功支持控制為主，并結(jié)合葉尖速比控制等策略為輔的整體控制方案，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)方案的可行性，從而為實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越提供了理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

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