電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)-直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b>&

2、lt;/p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2 目前低電壓穿越技術(shù)研究情況2</p><p>　　1.3 中國低電壓穿越技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)2</p><p

3、>　　2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型3</p><p>　　2.1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述3</p><p>　　2.2 風(fēng)輪的數(shù)學(xué)模型與分析3</p><p>　　2.3 永磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型4</p><p>　　2.3.1 永磁發(fā)電機(jī)于三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型4</p><p>　　2.3.2 永

4、磁發(fā)電機(jī)于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型5</p><p>　　2.4 電網(wǎng)側(cè)PWM變流器數(shù)學(xué)模型6</p><p>　　2.5 變流器直流側(cè)電容數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　3 直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的控制策略8</p><p>　　3.1空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)8</p><p>　　3.2 PWM變流器的控制策略9

5、</p><p>　　3.3 電機(jī)側(cè)變流器控制策略10</p><p>　　3.4 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略11</p><p>　　3.5 風(fēng)輪的槳葉節(jié)距角控制策略12</p><p>　　4 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究12</p><p>　　4.1 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響13</p>

6、<p>　　4.2 電網(wǎng)故障對直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的影響13</p><p>　　4.3 撬棒保護(hù)電路的原理14</p><p>　　4.3.1 定子側(cè)撬棒電路的保護(hù)14</p><p>　　4.3.2 電網(wǎng)側(cè)撬棒電路的保護(hù)15</p><p>　　4.4 直流側(cè)撬棒電路的保護(hù)15</p><p>　　4

7、.5 基于并聯(lián)耗能電阻撬棒保護(hù)的改進(jìn)16</p><p>　　4.6基于MATLAB的仿真分析17</p><p>　　5 總結(jié)與展望21</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b&g

8、t;　　Contents</b></p><p>　　Abstract II</p><p>　　1 Introduction1</p><p>　　1.1 Domestic wind power industry development trend 1</p><p>　　1.2 Low voltage across te

9、chnology research situation at present2</p><p>　　1.3 Low voltage through technology standard in China 2</p><p>　　2 Direct drive wind power system mathematical model 3</p><p>　　2.

10、1 Summary of direct drive wind turbine 3</p><p>　　2.2 The mathematical model of wind turbines and analysis 3</p><p>　　2.3 The mathematical model of permanent magnet generator 4</p><

11、;p>　　2.3.1 The mathematical model of three-phase static coordinates 4</p><p>　　2.3.2 Mathematical model of two phase rotating coordinate system5</p><p>　　2.4 PWM generator side converter ma

12、thematical model 6</p><p>　　2.5 A mathematical model converter dc side capacitor 7</p><p>　　3 The control strategies of direct drive wind turbines8</p><p>　　3.1Space vector pulse

13、 width modulation technology 8</p><p>　　3.2 PWM converter control strategy 9</p><p>　　3.3 Motor side converter control strategy 10</p><p>　　3.4 The grid side converter control st

14、rategy 11</p><p>　　3.5 The rotor blade pitch Angle control strategy 12</p><p>　　4 Low voltage through the technical research 12</p><p>　　4.1 The influence of wind power grid to p

15、ower grid 12</p><p>　　4.2 Power grid failure for the influence of direct drive wind turbines 13</p><p>　　4.3 The principle of lever protection circuit 14</p><p>　　4.3.1 The prote

16、ction of the stator side lever circuit 14</p><p>　　4.3.2 The protection of the grid side lever circuit 14</p><p>　　4.4 Lever in dc side circuit protection 15</p><p>　　4.5 Based o

17、n the parallel resistance energy consumption lever protection improvement 16</p><p>　　4.6Based on the MATLAB simulation analysis 17</p><p>　　Summary and outlook22</p><p>　　Acknow

18、ledgement.23</p><p>　　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究</p><p>　　摘要：由于人類過快的發(fā)展速度，能源的可持續(xù)性已是嚴(yán)峻的問題。近年來，風(fēng)能是可持續(xù)零污染能源的代表，正在快速發(fā)展中。與此同時風(fēng)電在電網(wǎng)中占的比重持續(xù)走高，故風(fēng)電的穩(wěn)定性引起大家的重視。故要求其具有低電壓穿越能力，即就是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持運(yùn)行，甚至

19、還可為系統(tǒng)提供一定無功以幫助系統(tǒng)恢復(fù)電壓的能力。本文將對直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)開展研究，具體內(nèi)容如下：首先，對國內(nèi)各省風(fēng)力發(fā)展趨勢和國內(nèi)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行概述，以及介紹當(dāng)前低電壓技術(shù)研究情況。然后，介紹風(fēng)輪的數(shù)學(xué)模型，分析在什么條件下風(fēng)輪獲取最大風(fēng)能；分析風(fēng)力機(jī)主要部分（永磁發(fā)電機(jī)和變流器）的數(shù)學(xué)模型以及原理；分析電容直流側(cè)數(shù)學(xué)模型。其次，闡釋空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，分析不同的變流器控制方法，詳細(xì)分析電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策

20、略，以及分析槳葉節(jié)距角的控制策略，最終確定在電機(jī)側(cè)控制策略下進(jìn)行Matlab仿真分析。最后，分析電網(wǎng)側(cè)故障對風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)造成的影響，確立在風(fēng)力機(jī)直流側(cè)并聯(lián)撬棒電路進(jìn)行保護(hù)，在原來撬棒電路的基礎(chǔ)上，本文添加一個功率控制器使低電壓穿越能力增強(qiáng)，通過過Matlab simulink</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 低電壓穿越 撬棒電路</p><p>　　Direct drive wind

21、power system low voltage through the technical</p><p><b>　　research</b></p><p>　　Abstract Due to the development of the human too fast speed, energy sustainability is a serious prob

22、lem.In recent years, wind power is a representative of the sustainable energy zero pollution, is developing rapidly. At the same time in proportion of wind power in power grid is increasing, so the stability of the wind

23、 cause everyone's attention. Therefore, requires the ability to its low voltage across,Is reduced to a permanent magnet wind generator terminal voltage value but not break away fr</p><p>　　Keywords: Wind

24、 power generation；Low voltage across；crowbar circuit</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢</p><p>　　圖1 -1 2004-2014中國新增和累計(jì)裝機(jī)容量</p><p>　　由圖1-1明顯可以看出，

25、近10年來中國風(fēng)力發(fā)電的高速發(fā)展。總裝機(jī)容量由2004年的743MW增長到2014年的114609MW。且每年的增長速度都保持在較高的水平，在2014年新增加的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量達(dá)到了23196MW，接近了2009年的累計(jì)裝機(jī)水平，足以體現(xiàn)我國對風(fēng)力發(fā)電的重視。由國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2014年底，全國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)9581萬千瓦，占全國發(fā)電機(jī)總?cè)萘康?.95%。</p><p>　　圖1-2 2004-

26、2014中國各地區(qū)新增裝機(jī)容量</p><p>　　由圖1-2能夠看出近10年我國各省市新增加的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的情況，其中西北地區(qū)于2014年裝機(jī)容量增長速度最快，所占比例達(dá)到全國的52.5%。甘肅省比同期增長達(dá)到487.9%，寧夏自治區(qū)比同期增長91.43%,內(nèi)蒙古自治區(qū)比同期增加29.45%，山西省比同期增加17.96%。由國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2014年底我國各省市累計(jì)裝機(jī)總量排名內(nèi)蒙古自治區(qū)依然高居

27、首位，總裝機(jī)量可達(dá)22312.31MW，占全國的19.6%。排在第二位是甘肅省占9.36%，河北省和新疆省比例差不多，分別為8.61%和8.44%。</p><p>　　1.2 目前低電壓穿越技術(shù)研究情況</p><p>　　低電壓穿越（Low voltage ride through，LVRT），是指當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時候，風(fēng)電機(jī)組能夠保持并網(wǎng)，并且向電網(wǎng)提供一定的無功功率用以支

28、持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，從而“穿越”這段低電壓時間的能力。</p><p>　　低電壓穿越技術(shù)的鉆研是非常有必要的，據(jù)2011年《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告》統(tǒng)計(jì)：僅2011年一年，我國發(fā)生12次50萬千瓦風(fēng)電場脫網(wǎng)的重大事故，發(fā)生193次10萬千瓦風(fēng)電場脫網(wǎng)的事故。其中主要原因即是局部風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不具有低電壓穿越的能力，與此同時于系統(tǒng)故障期間沒有發(fā)揮出提供無功功率的作用。</p><p>

29、;　　當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造廠家廣泛用的方法為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)的電路提供旁路電路，旁路電路一般采用crowbar電路。工作原理是當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)因?yàn)楣收隙l(fā)生電壓跌落時，將感應(yīng)發(fā)電機(jī)、勵磁變流器，同時投入轉(zhuǎn)子crowbar電路的保護(hù)裝置（作用是釋放能量）,從而削弱了經(jīng)過勵磁變流器的電流、轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，從而保證了發(fā)電機(jī)持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。安裝的順序是將crowbar電路接在變流器的輸出側(cè)，先通過散熱電阻,再進(jìn)入三相全橋,每一橋臂上半部分為晶閘管，下

30、半部分為一二極管，直流輸出經(jīng)銅排短接。低電壓情況產(chǎn)生后,無功電流有功電流均會在短時間內(nèi)會發(fā)生震蕩情況，過電流在以熱量的形式在散熱電阻上消耗,根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，不同的電壓跌落值決定持續(xù)時間。</p><p>　　1.3 中國低電壓穿越技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　2011年，中國電科院根據(jù)《國際能源局關(guān)于委托開展風(fēng)電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作的函》編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大型風(fēng)電場并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》，此標(biāo)準(zhǔn)

31、和訂正后的國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》共同規(guī)定了風(fēng)電場并入電網(wǎng)的相干要求。</p><p>　　《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》是我國第一個關(guān)于風(fēng)電場并入電網(wǎng)的文件，考慮到當(dāng)時的機(jī)組制造水平，以及風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模，故適當(dāng)降低了對風(fēng)電技術(shù)的要求，僅僅提出一些原則性的規(guī)定。新文件補(bǔ)充了有關(guān)風(fēng)力發(fā)電電場的有功調(diào)控，無功調(diào)控，以及電網(wǎng)發(fā)生緊急情況的自我調(diào)控能力，測試風(fēng)電場安全性以及通訊情況，采集SCADA數(shù)據(jù)與實(shí)時

32、監(jiān)測發(fā)電系統(tǒng)等方面的要求，保證了不同規(guī)模的風(fēng)電場并入電網(wǎng)后的穩(wěn)定運(yùn)行。新標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重解決的問題是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)水平較低。而解決低電壓穿越的問題，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向，故研究直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是十分有價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義的。</p><p>　　新標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于低電壓穿越問題的描述如下：a)對于風(fēng)電裝機(jī)容量和總電源容量相比大于5%的省（自治區(qū)）級電力系統(tǒng)，其控制范圍內(nèi)內(nèi)新增運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)電場應(yīng)具備低電壓穿越能力。由電網(wǎng)故障引

33、起電壓跌落至額定電壓的20%時，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不脫網(wǎng)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)0.625s。b)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在產(chǎn)生跌落的2s內(nèi)，可以恢復(fù)到額定電壓的90%，并且風(fēng)電機(jī)組保證不脫離電網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖1-3 低電壓穿越規(guī)定時間圖</p><p>　　2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述</p><

34、;p>　　直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種直接由風(fēng)力驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動的方式，避免了通過齒輪箱連接。齒輪箱這一部件在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)中屬于易于過載及損壞的部件，因此直驅(qū)式風(fēng)力電機(jī)具有低風(fēng)速時高效率，高壽命，低噪音，電網(wǎng)接入性能優(yōu)異，運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是同時為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機(jī)的極數(shù)通常在100極左右，故發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，且永磁材料和稀土使用的增加了一些不確定因素。</p><p&

35、gt;　　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪，永磁發(fā)電機(jī)，整流器，逆變器，濾波電感，變壓器組成。風(fēng)輪吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能通過主軸傳遞給永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能通過全功率變流器后通過升壓變壓器并入電網(wǎng)。</p><p>　　圖2-1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2 風(fēng)輪的數(shù)學(xué)模型與分析</p><p>　　風(fēng)輪從氣流中吸收的能量的方程可表示為：<

36、/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　公式中：ρ（kg/m3）指空氣密度;R（m）指風(fēng)輪半徑;Vw（m/s）指風(fēng)速;Cp指的是風(fēng)能利用系數(shù);β指槳葉節(jié)距角;λ指葉尖速比,是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速的比值，葉片越長同風(fēng)速下葉尖速比越大。</p><p>　　圖2-2 風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系圖</p><p>

37、　　其中風(fēng)能利用系數(shù)是評定風(fēng)輪氣動特性優(yōu)劣的主要參數(shù)，表示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化效率，其大小與葉尖速比與槳葉節(jié)距角有關(guān)。具體的關(guān)系可見圖2-2，由圖可以看出在葉尖速比不變的條件下，槳葉節(jié)距角越小，風(fēng)能利用系數(shù)越大，而且有凸型曲線可以看出，在特定槳葉節(jié)距角的條件下，存在最大風(fēng)能利用系數(shù)。而且由圖2-2還可以得出，風(fēng)能利用系數(shù)并不是任意上升的，根據(jù)貝茨理論，對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，理想情況下風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的極限比值為60%。&l

38、t;/p><p><b>　　Cp的數(shù)學(xué)表達(dá)式為</b></p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式2-2可以看出Cp是隨葉尖速比和槳葉節(jié)距角變化而變化的，通常槳葉節(jié)距角是不變化的，在某一風(fēng)速的情況下，通

39、過調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使葉尖速比處于最優(yōu)比值，從而使風(fēng)輪捕獲最大的風(fēng)能。</p><p>　　2.3 永磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.3.1 永磁發(fā)電機(jī)于三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用高磁場永磁體代替電磁線圈，為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機(jī)的極數(shù)通常非常大，通常在100極左右，且大多為稀土制作而成。為簡化數(shù)學(xué)分析的過程，要做以下

40、的假設(shè)：1)忽略諧波效應(yīng)，定子三相繞組互差120度，產(chǎn)生理想正弦磁動勢。2)假設(shè)各相繞組的電感，阻值是恒定的。3)不計(jì)永磁發(fā)電機(jī)的渦流損耗和磁滯損耗。4)轉(zhuǎn)子上無阻尼作用。</p><p>　　本文在分析永磁發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系時，依照慣例，正電流由端電壓正極性端流出，定子繞組正電流產(chǎn)生對應(yīng)負(fù)磁鏈，各繞組正方向即軸線正方向。</p><p><b>　　電壓方程為：</b>

41、;</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　其中ua，ub，uc指的是abc三相電壓，ia，ib，ic指的是abc三相電流，Ψa，Ψb，Ψc指的是abc三相磁鏈，Rs指的是電樞電阻。</p><p><b>　　磁鏈方程為</b></p><p><b>　　(

42、2-5)</b></p><p>　　其中Laa，Lbb，Lcc指的是各繞組的自感；Mab，Mac，Mba，Mbc，Mca，Mcc指的是繞組間的互感，且它們兩兩相等；Ψf指的是轉(zhuǎn)子永磁鏈；θ指的是轉(zhuǎn)子極與a相軸線的夾角。</p><p>　　2.3.2 永磁發(fā)電機(jī)于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　通常為了簡化對電機(jī)的分析，可通過派克變換化

43、簡發(fā)電機(jī)的電磁微分方程。取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極中心線為d軸，取相鄰磁極間的垂直平分線為q軸。模型以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場方向?yàn)閐軸方向，q軸方向超前d軸90。。如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 永磁同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空間布置圖</p><p>　　對電壓方程（式2-3）進(jìn)行派克變換得</p><p><b>　?。?-6）</b></p&g

44、t;<p>　　p是微分算子。從而得旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓方程為</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　對磁鏈方程式（2-4）進(jìn)行派克變換得方程式（2-8）</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　其中Ld=Ll+Lmd,Lq=Ll+

45、Lmq。Ld，Lq是定子線圈自感，Lmd，Lmq是勵磁電感，Ll是漏感。電磁轉(zhuǎn)矩方程式為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　其中Te指電磁轉(zhuǎn)矩，Np指極對數(shù)。由式（2-9）可以看出，因發(fā)電機(jī)極對數(shù)不變，轉(zhuǎn)子磁鏈不變，可認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正相關(guān)關(guān)系。因此可以通過控制發(fā)電機(jī)的定子電流來控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速電壓。</p>&

46、lt;p>　　2.4 電網(wǎng)側(cè)PWM變流器數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由于發(fā)電機(jī)側(cè)PWM變流器和電網(wǎng)側(cè)PWM變流器模型結(jié)構(gòu)相同，故只介紹電網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　PWM變流器由整流器，逆變器，主電路，平波回路組成。在分析其數(shù)學(xué)模型時要做如下假設(shè):所有的功率元件都是理想的，不考慮損耗；電網(wǎng)電壓為三相對稱的正弦波電源；電網(wǎng)電壓在一個周期內(nèi)不變。</p>

47、<p>　　圖2-4 電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由上圖所標(biāo)注的各個參數(shù)和電流方向的關(guān)系，可得電網(wǎng)側(cè)變流器于三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　其中Ek（k=x,y,z）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單相電勢，igk（k=x，y，z）是輸入的交流電流，Sk是開關(guān)函數(shù)，Rg和L

48、g是各相的電阻和電感。由于系統(tǒng)三相對稱，可得</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　聯(lián)立式（2-8）和式（2-9）可得</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　為了簡化對變流器的分析，一般通過派克變換，將變流器置于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行討論

49、，派克變換將直角坐標(biāo)系中的時變交流量轉(zhuǎn)換成dq坐標(biāo)系中不變的直流量，有利于控制器設(shè)計(jì)的計(jì)算分析。派克變換矩陣如下</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　因此可得電機(jī)側(cè)變流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓函數(shù),電流函數(shù),以及開關(guān)函數(shù)如下</p><p><b>　?。?-14）</b></p&

50、gt;<p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　（2-16）</b></p><p>　　由上式得電機(jī)側(cè)變流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　2.5 變流器直流側(cè)電容

51、數(shù)學(xué)模型</p><p>　　直流側(cè)電容存儲能量的表達(dá)式為</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　根據(jù)圖（2-1），假設(shè)Pt為風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，Pc1為電機(jī)側(cè)變流器向直流側(cè)輸入的有功功率，Pc2為直流側(cè)向電網(wǎng)輸入的有功功率，Pc為儲存在電容中的能量，Po為網(wǎng)側(cè)變流器流入電網(wǎng)的有功功率。由式（2-16）可得

52、Pc的表達(dá)式為</p><p><b>　　（2-19）</b></p><p>　　因?yàn)镻c=Pc1-Pc2,可得變流器直流側(cè)的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　3 直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的控制策略</p><p>　　3.1空間矢量

53、脈寬調(diào)制技術(shù)</p><p>　　變流器的調(diào)制方法有很多種，比如脈沖寬度調(diào)制（PWM），正弦脈寬調(diào)制（SPWM），空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）。本文介紹的是SVPWM調(diào)制方法，SVPWM不像傳統(tǒng)的SPWM方法那樣從電源角度出發(fā)，來生成可調(diào)頻調(diào)壓的正弦電源。SVPWM法將逆變系統(tǒng)和異步電機(jī)作為一個整體來考慮，這樣模型也比較簡單，便于微處理器的實(shí)時控制。</p><p>　　SVPWM的

54、主要原理是以三相對稱的正弦波電壓供電時三相對稱電動機(jī)定子磁鏈圓作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在三相逆變器8種開關(guān)模式間進(jìn)行切換，從而形成正弦波。變流器的三相全橋是由六個開關(guān)器件構(gòu)成的三個半橋（如圖3-1）組成，這6個開關(guān)組合在一起的模式有8種狀態(tài)，其中000，111（三個上橋臂或三個下橋臂閉合）在電機(jī)驅(qū)動中不產(chǎn)生有效的電流，被稱為零矢量。其他6種狀態(tài)被稱為有效矢量。它們將360。的電壓空間分成6個扇區(qū)，每個扇區(qū)60。，利用6個有效矢量和兩個零矢量可以組

55、合成360。內(nèi)任何矢量如圖（3-2）。</p><p>　　當(dāng)需要合成某一矢量時先將這一矢量分解成相近的兩個單位矢量，如圖（3-2）中的Urel，然后用這兩個單位矢量去表示，而每個單位矢量作用的大小用作用時間大小進(jìn)行表示。所需要的電壓矢量可以被單位電壓矢量通過不同時間比例合成，故保證了生成的電壓波形近似正弦波。</p><p>　　圖3-1 變流器模型</p><p&g

56、t;<b>　　圖3-2 空間扇區(qū)</b></p><p>　　由于永磁發(fā)電機(jī)在驅(qū)動時，矢量方向是在不斷改變的，故我們需要不斷計(jì)算矢量作用時間。為了便于計(jì)算機(jī)處理，一般采用每0.1ms計(jì)算一次。故須算出0.1ms內(nèi)兩個單位矢量的作用時間。一般情況下，兩個單位矢量的時間總和小于0.1ms，故利用零矢量在剩余時間插入。這樣子合成的電壓波形近似正弦波。</p><p>　　

57、3.2 PWM變流器的控制策略</p><p>　　關(guān)于PWM變流器的控制方式通常包括以下幾個方面：固定定子電壓控制，最大轉(zhuǎn)矩控制，發(fā)電機(jī)單位功率因數(shù)控制，網(wǎng)側(cè)變流器有功無功控制策略。</p><p>　　(1)固定定子電壓控制：一般采用PI調(diào)制器控制直流電壓，采用PI控制器調(diào)制為了防止由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過快引起的過電壓，使其保持在額定值。這個控制策略將定子電壓矢量作為參照系，d 軸的方向與定

58、子電壓矢量方向一致，這也就表示有功功率取決于定子電壓參照系下的定子電流的 d 軸分量，無功功率取決于定子電流的 q 軸分量。這也說明定子電流的 d 軸分量可以用來控制發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，而 q 軸分量可以調(diào)節(jié)定子電壓，使其始終保持在額定值。這種同時控制發(fā)電機(jī)的有功功率和定子電壓的方法，最大優(yōu)勢是讓變流器和永磁發(fā)電機(jī)的工作電壓一直在額定值以下，假如PWM變流器的交流電壓和直流電壓比為定值時，這個方法更具優(yōu)勢。因?yàn)槎ㄗ与妷罕幌薅ㄔ陬~定值以

59、下，故電機(jī)轉(zhuǎn)速過快時，變流器部分的電壓也不會有過高和飽和的情況出現(xiàn)。但是這種控制方法也有缺點(diǎn)：1）變流器必須通過增加額定容量來幫發(fā)電機(jī)吸收無功功率；2）在網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)用該策略時，必須對直流電壓以及無功功率進(jìn)行控制。</p><p>　　(2)最大轉(zhuǎn)矩控制：這種控制方法的主要原理是要盡可能將定子交流電流全部來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，即是在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下控制電機(jī)側(cè)PWM變流器使it=iq，id=0。此時公式（2-8）可以寫成

60、如下形式：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　此時發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的無功功率和有功功率分別如下</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　通過定子電流全

61、部產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的控制策略，發(fā)電機(jī)的利用率達(dá)到最高。通過式（3-2）可知產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的同時，發(fā)電機(jī)吸收無功功率。而這個無功功率就是電機(jī)側(cè)變流器通過增加額定容量來提供的。故電機(jī)側(cè)變流器的要求是采用主動可控型變流器。</p><p>　　(3)發(fā)電機(jī)單位功率因數(shù)控制：這個控制策略在使用時，主要通過調(diào)整電機(jī)側(cè)變流器來控制發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率和無功功率，這個方法在控制發(fā)電機(jī)方面是比較常見的。該方法的控制過程在采用兩相旋

62、轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，使發(fā)電機(jī)在不變的功率因素下工作。在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，可以通過控制定子電流的q軸分量來調(diào)節(jié)有功功率，通過控制定子電流的d軸分量來調(diào)節(jié)無功功率。這種方法的特點(diǎn)是可根據(jù)風(fēng)輪輸入功率的不斷變化情況來調(diào)節(jié)有功功率的輸出，從而實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)功率的實(shí)時跟蹤。與此同時，發(fā)電機(jī)可以補(bǔ)充自身所需的無功功率。與上面兩種控制方法相比，這個方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于變流器的額定容量在一般情況下不用增加。但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，發(fā)電機(jī)的定子固定電壓就不能控制了，于

63、是易發(fā)生發(fā)電機(jī)電壓由于轉(zhuǎn)速過快而產(chǎn)生的過壓合變流器電壓飽和。由于電網(wǎng)側(cè)的變流器提供給電網(wǎng)的無功功率，與電機(jī)產(chǎn)生的無功功率是相互獨(dú)立的，故沒必要對發(fā)電機(jī)進(jìn)行無功控制。發(fā)電機(jī)功率因素法運(yùn)用在網(wǎng)側(cè)變流器上時，其思路與上述相同，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過控制定子電流的q軸分量來調(diào)節(jié)有功功率，通過控制定子電流d軸分量來調(diào)節(jié)無功功率。</p><p>　　(4)網(wǎng)側(cè)變流器有功無功控制策略：在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，與電網(wǎng)直接相連

64、是網(wǎng)側(cè)變流器，故控制網(wǎng)側(cè)變流器效果明顯。因?yàn)殡姍C(jī)側(cè)產(chǎn)生的無功功率要輸入到電網(wǎng)必須通過控制網(wǎng)側(cè)變流器。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率要輸入到電網(wǎng)和直流鏈電壓關(guān)系密切，有功功率想完全輸入電網(wǎng)只有在直流鏈電壓穩(wěn)定的條件下成立。理想情況下，輸入變流器直流側(cè)的功率等于變流器交流側(cè)輸出的功率。故控制思路應(yīng)該對控制有功功率和直流鏈電壓作出變化，可通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器來改變輸入到電網(wǎng)的有功功率，通過調(diào)節(jié)機(jī)側(cè)變流器來使直流鏈電壓穩(wěn)定。這個控制方法最大的特點(diǎn)在于電網(wǎng)若

65、發(fā)生故障，系統(tǒng)自我的調(diào)節(jié)能力，因?yàn)殡姍C(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器控制分工獨(dú)立，因此該方法是最適合直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的。</p><p>　　3.3 電機(jī)側(cè)變流器控制策略</p><p>　　根據(jù)上述四種矢量控制策略各自的特點(diǎn)，本文將使用的策略是固定定子電壓控制策略。對發(fā)電機(jī)定子電壓和直流鏈電壓同時進(jìn)行控制，使這兩個電壓都保持在他們的額定值。這樣可以避免機(jī)側(cè)變流器的過電壓、變流器飽和效應(yīng)以及直流鏈

66、的電壓震蕩。</p><p>　　由能量守恒定律可知，在理想情況下（忽略發(fā)電機(jī)損耗），永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率等于風(fēng)輪捕獲的能量。但是由2.2節(jié)可知在槳葉節(jié)距角一定時，若想取得最大的風(fēng)能利用系數(shù)，存在一個最佳的葉尖速比。故顯而易見，若想使風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能，應(yīng)對風(fēng)力機(jī)實(shí)施實(shí)時轉(zhuǎn)速監(jiān)測，控制其實(shí)現(xiàn)隨風(fēng)速變化而變化，讓風(fēng)輪保持在最優(yōu)葉尖線速度，從而獲得最佳葉尖速比。</p><p>　　電機(jī)側(cè)變流

67、器的控制具體的方法，是采用雙閉環(huán)控制法。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由外環(huán)控制，內(nèi)控制環(huán)控制發(fā)電機(jī)電流的 d、q 分量。在定子電壓參照系下，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，</p><p>　　以及直流鏈電壓都由定子電流的 d 軸分量進(jìn)行控制，定子電流的 q 軸分量用來控制發(fā)電機(jī)定子電壓?？刂圃頌槔面i定相位的環(huán)路，測得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電壓和定子電壓間的矢量角。經(jīng)過派克變換，獲得定子電流的d軸分量和q軸分量以及電壓向量。采用定子電壓參考

68、系時，定子電壓與電壓的 d 軸分量相等，因此以發(fā)電機(jī)額定電壓作為定子電壓 d 軸分量的參照值。</p><p>　　由圖（2-1）可知直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，永磁發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪直接相連，這種結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)在風(fēng)力突變時、電力系統(tǒng)中負(fù)載變化時、電網(wǎng)故障時，引起風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)震蕩。問題出現(xiàn)在永磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)中無阻尼繞組。阻尼繞組在電壓電流震蕩時，會形成阻尼振蕩，起緩沖的作用。永磁發(fā)電機(jī)不設(shè)阻尼繞組的原因如下：1）永磁發(fā)電

69、機(jī)的極數(shù)一般在100極左右，數(shù)量比較大，從而極矩角很小，故即便存在阻尼繞組其緩沖效果也不明顯。2）風(fēng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速是電機(jī)側(cè)變流器提供頻率的參考量，因此定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間相對靜止，阻尼繞組不能產(chǎn)生感應(yīng)電勢，也不能起緩沖作用。為了解決突發(fā)情況造成的電力系統(tǒng)震蕩，需要在永磁發(fā)電機(jī)提供額外的震蕩保護(hù)。本方法利用控制電機(jī)側(cè)變流器來起緩沖作用。具體原理是利用PID調(diào)節(jié)器控制直流側(cè)電壓偏差，從而抑制了波動。圖（3-2）為電機(jī)側(cè)

70、變流器控制原理圖。</p><p>　　圖3-2 電機(jī)側(cè)變流器控制圖</p><p>　　3.4 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略</p><p>　　根據(jù)3.2提出的四種矢量控制策略，對于電網(wǎng)側(cè)變流器的控制，本文將使用永單位功率因數(shù)控制策略。這種方法的特點(diǎn)是可根據(jù)風(fēng)輪輸入功率的不斷變化情況來調(diào)節(jié)有功功率的輸出，從而實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)功率的實(shí)時跟蹤。使用該控制策略，變流器的額定容量不用

71、增加。</p><p>　　在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子電壓d分量，q分量滿足以下等式(3-4)</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　其中us是電網(wǎng)電壓。</p><p>　　由風(fēng)力機(jī)輸入到電網(wǎng)的有功和無功分別為</p><p><b>　　(3-5)<

72、/b></p><p>　　電網(wǎng)側(cè)變流器具體控制方法是采用雙閉環(huán)控制，兩環(huán)重疊，其中電流的d軸分量和q軸分量由電流內(nèi)環(huán)控制。風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功和無功功率，由外環(huán)控制。在電網(wǎng)沒有發(fā)生故障的情況下，電網(wǎng)側(cè)變流器無功功率參考值一般為0，但在電網(wǎng)需要無功補(bǔ)償?shù)那闆r下可以設(shè)成一定值。下圖(3-3)為網(wǎng)側(cè)變流器控制圖，由圖（3-3）可知，內(nèi)環(huán)電流控制中，由上一級PI調(diào)制器輸出的電流實(shí)際值分別與電流分量比較后，輸入到

73、下一級PI調(diào)制器，分別得到dq軸的電壓信號。該信號可以驅(qū)動脈寬調(diào)制，從而控制網(wǎng)側(cè)變流器。</p><p>　　圖3-3 電網(wǎng)側(cè)變流器控制圖</p><p>　　由式（3-5）可以看出，風(fēng)力機(jī)輸入到電網(wǎng)的有功功率和無功功率，分別由電流d軸分量和q軸分量決定的。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流鏈電壓受輸入功率和輸出功率的影響，直流鏈電壓隨輸入功率的增加而升高，隨輸入功率的減小而降低。因?yàn)殡姍C(jī)側(cè)變流器控制直

74、流鏈電壓，故網(wǎng)側(cè)變流器僅控制功率因素，跟蹤電網(wǎng)變化，來控制有功無功功率。</p><p>　　3.5 風(fēng)輪的槳葉節(jié)距角控制策略</p><p>　　由2.2節(jié)可知，風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能是由風(fēng)能利用系數(shù)所決定的，并且在葉尖速比不變的前提下，槳葉節(jié)距角越小，風(fēng)能利用系數(shù)越大。故可以利用調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角β來獲得不同的風(fēng)能利用系數(shù)，從而獲得最大風(fēng)能。</p><p>　　在實(shí)際控制

75、中，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角有以下幾個作用，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于或等于限定風(fēng)速時，可通過實(shí)時跟蹤風(fēng)速的變化來改變槳葉節(jié)距角，從而獲得不同的風(fēng)能，滿足永磁發(fā)電機(jī)獲得的能量與發(fā)電機(jī)額定功率相等;在各種突發(fā)情況導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低時，通過減少永磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率來平衡直流側(cè)電容的功率，從而不平衡能量可變?yōu)橛来虐l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所需的勢能，而且當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動超速時，可通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來減小風(fēng)能利用系數(shù)，來降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，防止其超過安全轉(zhuǎn)速；此外，可以通過控制槳葉節(jié)距角來

76、實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)過程中，快速無沖擊并網(wǎng)。</p><p>　　圖3-4是槳葉節(jié)距角控制的實(shí)際過程：實(shí)際轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對比后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到槳葉節(jié)距角的一個值βr，再通過槳葉節(jié)距角的反饋系統(tǒng)從而得到槳葉節(jié)距角實(shí)際值，其中Ψ表示反饋系統(tǒng)的延遲動作，因?yàn)閷Ψ抡嫠憷O(shè)置參數(shù)由要求，一般要限制反饋系統(tǒng)的動作速度，如果動作速度超過實(shí)際，會造成仿真結(jié)果的失去現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)橐呀?jīng)脫離實(shí)際情況；但是動作速度過慢，槳葉節(jié)距角控制

77、器又沒有控制效果。故延遲動作可以讓槳葉節(jié)距角控制器更接近實(shí)際，更能讓仿真結(jié)果反映實(shí)際情況，也讓槳葉節(jié)距角控制更精確。</p><p>　　圖3-4 槳葉節(jié)距角控制圖</p><p>　　4 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電在整個電網(wǎng)規(guī)劃的中，扮演的角色越來越重要。故我國對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求也越來越高，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)對電力系統(tǒng)造成的

78、影響是非常巨大的。新制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)有了新規(guī)定，突遇故障后在規(guī)定的時間范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組要保持并網(wǎng)運(yùn)行，并提供無功。對于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，低電壓穿越技術(shù)的關(guān)鍵是控制直流側(cè)電壓。</p><p>　　4.1 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響</p><p>　　通常情況下風(fēng)電場建在電網(wǎng)末端，而末端的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)都很薄弱，故風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的電能進(jìn)入電網(wǎng)后，由于風(fēng)能的不確定因素太多

79、，比如風(fēng)速，風(fēng)剪切等等的影響，電網(wǎng)電壓會因此產(chǎn)生波動、諧波、閃變；而且線路會產(chǎn)生過高的熱功率；電壓暫穩(wěn)下降；以及容量降低等問題。風(fēng)電并網(wǎng)的影響通常分為以下兩個方面：</p><p>　?。?）對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響：外界風(fēng)速是時時改變的，在突然的較大的風(fēng)速變化會造成湍流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生的功率會因此波動。尤其是風(fēng)速大幅度的改變超出風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行極限時，風(fēng)機(jī)就會進(jìn)入頻繁的起停切換狀態(tài),也會導(dǎo)致輸出功率的波動,從而電網(wǎng)

80、正常運(yùn)行的頻率會被波動的功率所干擾，電網(wǎng)中對頻率敏感的工作元件的運(yùn)行會受到極大的影響，而且風(fēng)電機(jī)并入電網(wǎng)點(diǎn)的電壓會因功率波動而變化，表現(xiàn)的特征是電壓出現(xiàn)閃變和波動、電壓大幅度降低、電壓周期發(fā)生時時改變。此外風(fēng)電機(jī)組的元件會產(chǎn)生諧波影響電能質(zhì)量，引起的電壓畸變破壞了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　（2）對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響：因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)一般位于電網(wǎng)末端，配電網(wǎng)功率單向流動的規(guī)律會因此改變，這點(diǎn)影響不在配電網(wǎng)規(guī)劃

81、的范圍內(nèi)。因此,隨著風(fēng)電注入功率的增加,風(fēng)電場附近局部電網(wǎng)的屯壓和相應(yīng)聯(lián)絡(luò)線功率將會超出安全限值,嚴(yán)重時可能引發(fā)電壓崩潰，另外,鑒于異步發(fā)電機(jī)在輸送有功給電網(wǎng)的同時也要從電網(wǎng)吸收大量無功,為了補(bǔ)償風(fēng)場無功,需給每臺風(fēng)機(jī)裝配電容器作為功率因數(shù)校正裝置,而接入點(diǎn)電壓直接影響無功補(bǔ)償量大小,當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時,無功補(bǔ)償量驟然下降,反而導(dǎo)致風(fēng)場需要更多無功,進(jìn)一步惡化電網(wǎng)電壓水平,嚴(yán)重時會導(dǎo)致電壓崩潰。還有風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)時會有大沖擊電流產(chǎn)生，進(jìn)入系統(tǒng)

82、平穩(wěn)的時間大概要幾百毫秒。大容量電網(wǎng)受到的影響較小，但是小容量的電網(wǎng)電壓會在受到電流沖擊的瞬間跌落，從而系統(tǒng)里設(shè)備的運(yùn)行變得異常，電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定受波及。</p><p>　　綜上所述，風(fēng)電對電網(wǎng)穩(wěn)定造成的破壞不容忽視。</p><p>　　4.2 電網(wǎng)故障對直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的影響</p><p>　　對于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，直流側(cè)電壓和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓會因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓突然降低

83、而上升，因此風(fēng)電機(jī)側(cè)的有功功率和無功功率產(chǎn)生波動；在解決問題后，發(fā)電機(jī)氣隙的恢復(fù)需要從電網(wǎng)側(cè)吸收無功，造成定子機(jī)端電壓因?yàn)殡娋W(wǎng)峰值電流涌入定子而降低。</p><p>　　對于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于全功率變流器的存在，風(fēng)力機(jī)和電網(wǎng)完全隔離，電網(wǎng)電壓突然降低對風(fēng)力機(jī)的影響可以忽略；但也因?yàn)樽兞髌髯畲筝敵龉β适芟拗?，故輸入變流器的功率和變流器輸出功率不平衡，直流?cè)電壓因此上升。因此評判風(fēng)力機(jī)低電壓穿越能力的關(guān)鍵便是

84、控制變流器的策略。接下來分析電網(wǎng)故障情況下，直驅(qū)式風(fēng)力電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)：</p><p>　　在理想情況下，發(fā)電機(jī)輸出的功率等于直流側(cè)的功率，直流側(cè)輸出功率等于電網(wǎng)側(cè)得到的功率。低電壓穿越技術(shù)的核心是保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定，其本質(zhì)便是輸入直流側(cè)功率和輸出直流側(cè)功率保持平衡。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，電網(wǎng)側(cè)變流器將通過增大輸出電流來保證電網(wǎng)獲得的功率不變。當(dāng)電流超過變流器的范圍時，電網(wǎng)得到的功率也便受到限制。與此同時，永磁發(fā)電機(jī)

85、運(yùn)行不受影響，電機(jī)側(cè)變流器的正常運(yùn)行，則顯而易見輸入直流側(cè)的功率大于直流側(cè)輸出功率，多余的能量將充入直流側(cè)電容，直流側(cè)電壓因此升高，器件遭到破壞。如果對永磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，降低其輸出功率，定子側(cè)的輸出功率也會隨之下降，電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，而風(fēng)輪輸入功率不變，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，從而槳葉節(jié)距角控制器受到影響風(fēng)能捕獲系數(shù)受到影響。</p><p>　　從上述分析可以看出，電網(wǎng)電壓的降低對電機(jī)側(cè)變流器、永磁發(fā)電機(jī)

86、、風(fēng)輪造成影響。因此，要想減弱電網(wǎng)電壓降低造成的影響，只能通過調(diào)節(jié)直流側(cè)控制方式和調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器的控制方式，從而保證發(fā)電機(jī)和機(jī)側(cè)變流的正常運(yùn)行，這也是直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。由圖(2-1)風(fēng)力機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，若要變流器承受更大的流經(jīng)電流，可增大其容量，來保證在電網(wǎng)電壓降低時電網(wǎng)側(cè)輸出功率等于正常運(yùn)行時的功率，避免直流側(cè)不平衡的情況出現(xiàn)。另外也可以通過增加直流側(cè)電容量，緩沖不平衡出現(xiàn)的剩余能量。這兩種方法適用于電壓降低幅度較小的情況，當(dāng)電壓降

87、低的幅度較大時，必須通過更換大容量的功率器件來解決問題，但是增加控制上的風(fēng)險(xiǎn)，而且成本也增加了，故在嚴(yán)重故障的情況下不適用。</p><p>　　在3.4節(jié)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略中提到，直流側(cè)電壓是由電壓外環(huán)控制。但是在電網(wǎng)電壓降低幅度過大導(dǎo)致電流超過變流器極限值時，電壓外環(huán)控制策略便會失效。而且網(wǎng)側(cè)變流器電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)只在直流側(cè)電壓變化時才會被激發(fā)。當(dāng)電機(jī)側(cè)瞬時功率變化超前電網(wǎng)側(cè)的瞬時功率變化時，直流側(cè)電壓將波

88、動。此時就需要額外的裝置配合傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制來減小直流側(cè)電壓波動，便是本文的重點(diǎn)撬棒電路。</p><p>　　4.3 撬棒保護(hù)電路的原理</p><p>　　本節(jié)將對撬棒電路的保護(hù)進(jìn)行歸類，分析其工作原理，比較不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　4.3.1 定子側(cè)撬棒電路的保護(hù)</p><p>　　圖（4-1）為定子側(cè)撬棒電路拓?fù)鋱D，由

89、圖可以發(fā)現(xiàn)永磁發(fā)電機(jī)定子側(cè)與裝有功率開關(guān)的耗能電阻相連接。這種耗能電阻消耗過剩的能量，來限制輸入直流側(cè)的功率的方案，在風(fēng)速較大的情況下適用。同樣在電壓降低的情況，也可以利用耗能電阻消耗過剩的能量，保證輸入和輸出功率平衡。切除故障后，必須馬上斷開耗能電阻，恢復(fù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行。這種保護(hù)方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是沒有將發(fā)電機(jī)和故障完全隔離開來。但是該方案依舊適用于小功率風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速突然增加過大時的保護(hù)。</p><p>

90、;　　圖4-1 定子側(cè)加耗能電阻的撬棒電路</p><p>　　4.3.2 電網(wǎng)側(cè)撬棒電路的保護(hù) </p><p>　　圖（4-2）是電網(wǎng)側(cè)撬棒電路拓?fù)鋱D，在風(fēng)電機(jī)和電網(wǎng)之間并聯(lián)了一個負(fù)載，從而負(fù)載和風(fēng)電機(jī)形成一個單獨(dú)的小系統(tǒng)。在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，風(fēng)電機(jī)先給負(fù)載供電，而剩余的電能進(jìn)入電網(wǎng)。在電網(wǎng)電壓降低時，斷開電網(wǎng)和風(fēng)力機(jī)的連接，風(fēng)力機(jī)只提供的功率給負(fù)載，從而避免了電壓不平衡的情況出現(xiàn)；電網(wǎng)

91、電壓恢復(fù)正常后，開關(guān)閉合，風(fēng)力機(jī)繼續(xù)給電網(wǎng)提供功率。</p><p>　　雖然這個方案需要的硬件較少，不用考慮成本問題，但是選擇負(fù)載是比較棘手的，只有適合的負(fù)載才能和風(fēng)力機(jī)構(gòu)成一個單獨(dú)的系統(tǒng)，而且要實(shí)現(xiàn)在兩個狀態(tài)下順利切換的控制策略比較復(fù)雜。</p><p>　　圖4-2 電網(wǎng)側(cè)的撬棒電路</p><p>　　4.4 直流側(cè)撬棒電路的保護(hù)</p>&l

92、t;p>　　在上述的兩種保護(hù)方案外，顯而易見在直流側(cè)加入撬棒電路也是可取的，直流側(cè)的保護(hù)通常有兩種形式：直流側(cè)并聯(lián)耗能電阻和外加儲能設(shè)備。</p><p>　?。?）并聯(lián)耗能電阻的撬棒保護(hù)由圖（4-3）可以看出直流側(cè)電容并聯(lián)耗能電阻，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時，撬棒電路不工作；當(dāng)電網(wǎng)電壓突然降低導(dǎo)致功率不平衡時，耗能電阻投入使用來消耗多余的能量，直流側(cè)的電壓因此穩(wěn)定。由圖（4-3）我們還可以看出耗能電阻與高壓母線直接

93、相連，故必須串聯(lián)一個高壓負(fù)載。由于高壓負(fù)載的容量很大，并且散熱也是要解決的問題，成本引起上升了，但是優(yōu)點(diǎn)還是十分明顯的。</p><p>　　圖4-3 直流側(cè)并聯(lián)撬棒電路</p><p>　?。?）外接儲能設(shè)備的撬棒保護(hù)：由圖（4-4）可以看出直流側(cè)電容外接儲能設(shè)備，接通電容和儲能設(shè)備的器件具有雙向流通能量的特點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然降低時，過剩的能量流進(jìn)儲能設(shè)備，避免功率不平衡造成的直流側(cè)電壓

94、波動；并且在直流側(cè)電壓過低時，儲能設(shè)備可利用儲存的過剩能量給電容供電，能量循環(huán)利用。</p><p>　　圖4-4 外接儲能設(shè)備的撬棒電路</p><p>　　4.5 基于并聯(lián)耗能電阻撬棒保護(hù)的改進(jìn) </p><p>　　傳統(tǒng)消耗能量的控制方法有（1）滯環(huán)判斷，即直流側(cè)電壓超過范圍時，耗能電阻投入使用；當(dāng)直流側(cè)電壓低于范圍時，耗能電阻切除。這個策略會導(dǎo)致電壓波動。（

95、2）通過PI調(diào)節(jié)器，得到直流側(cè)電壓的導(dǎo)通占空比。這兩種方法雖然有簡單、反應(yīng)快的特點(diǎn)，但是判斷條件只有電壓，再加上電壓外環(huán)控制會導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動，電容壽命受到影響。為了有效控制直流側(cè)電壓的波動，使其平穩(wěn)，本文將在耗能電阻回路側(cè)增加一個控制器，該控制器以直流側(cè)的輸入輸出功率偏差為判斷依據(jù)，來投入和切出卸載回路。投入耗能電阻時，通過PI調(diào)節(jié)器得到功率器件的導(dǎo)通占空比，而直流側(cè)電壓在功率控制器遇突發(fā)情況時，作為輔助判斷條件。原理圖如圖（4-5

96、）</p><p>　　圖4-5 耗能電阻回路控制器原理圖</p><p><b>　　功率控制方程為</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中Pin為輸入直流側(cè)的功率，Pout是輸出直流側(cè)的功率。C為直流側(cè)電容，Ud是直流側(cè)電壓。</p>&l

97、t;p>　　功率器件的導(dǎo)通占空比公式為</p><p><b>　　（4-2）</b></p><p>　　其中Rd是耗能電阻，d為功率的導(dǎo)通占空比。系統(tǒng)正常時，△P和Ud在正常范圍內(nèi)波動，d=0，耗能電阻沒有工作；當(dāng)△P超出正常范圍時，耗能電阻回路馬上投入工作，當(dāng)Ud超出極限值時，耗能電阻完全投入工作，此時d=1。圖（4-5）為添加控制器的耗能電阻回路原理圖。

98、</p><p>　　控制器是基于數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)的。通過數(shù)字信號處理器計(jì)算△P即功率偏差，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，輸入和輸出功率有小波動，故耗能電阻不會投入使用，只用網(wǎng)側(cè)變流器來控制直流側(cè)電壓即可。當(dāng)直流側(cè)電壓超出控制范圍時，耗能電阻投入使用。功率偏差判斷依據(jù)是1）△P小于或等于△Pmax，耗能電阻不工作；2）△P大于△Pmax，耗能電阻開始工作對△P進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，給功率器件輸出脈沖信號，消耗直流側(cè)過剩的能量

99、；在△P恢復(fù)到正常范圍時，耗能電阻停止工作。直流側(cè)電壓的判斷起輔助作用，當(dāng)電壓超出直流電壓極限值時，耗能電阻完全投入使用，在直流電壓降到正常時卸載回路停止工作。輸入和輸出功率的獲得，一般選擇采集直流側(cè)電壓和電流的方法，△P=Ud（iin-iout）即直流側(cè)電壓與電流差乘積等于功率差。由于通過功率差判斷需要用到數(shù)字信號處理器和信號調(diào)理電路，系統(tǒng)很復(fù)雜，本文在進(jìn)行MATLAB仿真時，直接判斷直流側(cè)電壓來降低系統(tǒng)復(fù)雜程度。當(dāng)直流側(cè)電壓差進(jìn)入耗

100、能電阻回路控制器時，先判斷電壓差來確定耗能電阻工作與否，電壓差再經(jīng)過PI控制，確定功率器件導(dǎo)通占空比。</p><p>　　4.6基于MATLAB的仿真分析</p><p>　　為了功率因素控制，以及添加功率控制器的耗能撬棒電路的準(zhǔn)確性，利用MATLAB進(jìn)行仿真分析，仿真過程中，機(jī)側(cè)變流器的控制同3.3節(jié)所述。</p><p>　　圖4-6 仿真矢量控制圖</

101、p><p>　　以功率偏差作為判斷條件的卸載回路控制器需要DSP、信號處理器等額外硬件的支持才能實(shí)現(xiàn)對卸載電阻投切的控制,所以本文在進(jìn)行MATLAB仿真時,為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度而直接以直流側(cè)電壓作為判斷條件。當(dāng)直流側(cè)電壓偏差進(jìn)入能量卸載回路控制器后,先經(jīng)過電壓判斷以確定卸載回路的工作狀態(tài),偏差經(jīng)過電壓判斷后進(jìn)入PI調(diào)節(jié),確定能量卸載回路中功率器件的導(dǎo)通占空比。</p><p>　　MATLAB

102、模型的仿真參數(shù)如下：直流側(cè)電壓上限1200v，頻率50Hz，開關(guān)頻率1kHz，低壓側(cè)730v，耗能電阻20Ω，網(wǎng)側(cè)變流器無功功率參考值為0，輸出電流極限為額定電流的1.5倍，電壓降低幅度50％持續(xù)0.2秒，總仿真時間0.6秒。分為加了功率控制器和未加功率控制器的情況仿真，對結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p>　?。?）未加功率控制器風(fēng)力機(jī)仿真模型為：</p><p>　　圖4-7 未加控制器的

103、仿真模型</p><p>　　未加控制器的仿真波形</p><p><b>　　a) A相電網(wǎng)電壓</b></p><p><b>　　b) A相輸出電流</b></p><p><b>　　c)有功功率</b></p><p><b>　　d

104、)直流側(cè)電壓</b></p><p>　　圖4-8未加控制器的仿真圖</p><p>　　由圖（4-8）a，b知在0.2s到0.4s間電網(wǎng)電壓降低50%，電流在0.2s增大為4倍額定值，且在故障結(jié)束時電流波動比正常波動還要大。由圖（4-8）c可知在有功功率在電網(wǎng)電壓降低和電壓恢復(fù)時波動明顯。由圖（4-8）d可知直流側(cè)電壓波動也很明顯，故障剛發(fā)生時，電壓迅速上升，在故障結(jié)束后恢復(fù)

105、正常運(yùn)行的時間較長。</p><p>　　添加功率控制器的風(fēng)力機(jī)仿真模型</p><p>　　圖4-9 添加控制器的仿真模型</p><p>　　添加控制器的仿真波形圖</p><p><b>　　a) A相電網(wǎng)電壓</b></p><p><b>　　b）A相輸出電流</b>

106、;</p><p><b>　　c) 有功功率</b></p><p><b>　　d) 直流側(cè)電壓</b></p><p>　　圖4-10添加控制器的仿真圖</p><p>　　由圖（4-10）a，b可知電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，A相輸出電流波動比未加控制器的電流波動小，為額定電流值的3倍左右，由圖（4

107、-10）c可知有功功率波動明顯小于圖（4-8）c，最大值為額定值的1.2倍左右，且恢復(fù)正常的時間明顯縮短，由圖（4-10）d發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓降低時直流側(cè)電壓波動顯著減小，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，直流側(cè)電壓恢復(fù)正常時間大幅度縮短，由此可見功率控制器的作用明顯。</p><p><b>　　5 總結(jié)與展望</b></p><p>　　本課題只是對變流控制策略以及Crowbar電路

108、保護(hù)方案在實(shí)現(xiàn)低電壓穿越時的工作原理及方式進(jìn)行了分析。但在風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落持續(xù)時間較長時,會造成Crowbar電路中產(chǎn)生的大量熱量難以有效釋放,此時變流系統(tǒng)已經(jīng)無能為力,需要依靠其他控制策略(如變槳距)來減小風(fēng)電機(jī)組的輸入功率。但關(guān)于變槳距策略應(yīng)如何參與系統(tǒng)整體的控制與配合,以及實(shí)際工況參與調(diào)控的效果如何等課題,在本文中沒有進(jìn)行研究。本文所運(yùn)用的控制方法存在單一性，控制效果存在一定的缺陷，尤其在網(wǎng)側(cè)變流器</

109、p><p>　　低電壓穿越其間輸出功率因數(shù)的設(shè)定上使用了常量，沒有根據(jù)電網(wǎng)電壓電流的變化而對功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如何將多種控制方法和策略協(xié)同使用是將來的一個研究方向。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]姚駿.永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的雙PWM變換器協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2008、6(8)：35-37.<

110、;/p><p>　　[2]禹華軍.低電壓事件發(fā)生對風(fēng)電機(jī)組的影響[J].上海電氣技術(shù),2010、5(9)：11-13.</p><p>　　[3]孟巖峰.直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器控制策略研究[J].可再生能源,2010.1(6):41-44.</p><p>　　[4]劉建輝.農(nóng)作物材料的力學(xué)分析[M ].北京:科學(xué)出版社,1996.63 – 105.