直驱型永磁风机复合低压穿越方法研究和验证

李 娟

（淮南联合大学 机电系，安徽 淮南 232038）

1 绪论

随着传统能源的枯竭和开发成本上升，在世界范围内风力发电系统得到广发的应用，有效减低了电力生产成本减轻了环境压力.同时，风力发电作为一个新技术还存在着不少问题，低电压穿越（LVRT，lowvoltageridethrough）就是影响风力发电系统可靠性的重要问题之一，对风力发电的大规模应用起着关键性作用[1].低电压穿越一般意义上指由于风机输出的不稳定性，风力发电机并网节点在电压突然跌落时，风力发电机能够保持继续并网，同时要为电网输出无功功率一直到该电网恢复到正常状态，这样就“穿越”了该电压降低的时间区域，从而支撑了电网的稳定运行也保护了风力发电机组.为了提高风力发电的可用性和应对政府和企业的强制性技术要求，国内学术界和企业界外对低压穿越技术和应用的研究从2005年开始逐渐增多，也取得了一定的研究成果和成功应用.德国的西门子、中国的金风科技等风机领先企业在新型的风力发电系统上都能够实现低压穿越.目前能够实现低压穿越的主要方法有：对网侧变流器的矢量控制器进行优化、直流母线加装UPS、使用超级电容增加储存能量、增加电机定子侧的静态开关、增加修改Crowbar电路以及使用无功功率补偿等[2].在实际应用中采用单一的低压穿越控制方法策略具有局限性，复合控制方法和策略成为新的研究热点.

2 直驱型永磁风力发电系统的建模

为了风力发电机的低压穿越控制方法和策略，首选要对风力发电机进行建模分析.直驱型永磁风力发电是风力发电的主要机型结构简单、性能稳定、应用广泛.直驱型永磁风力发电机的风力利用系数Cp(λ，β)[3]可以根据式2.1得到：

上式中：Cl为 0.5345，C2为 121，C3为 0.392，C4为4.98，C5为 21，C6为 0.0069.由式 2.2可知，当桨矩角（用 β表示）不变的情况下，在风速不同的时候，通过对风机进行控制使得其在最优叶尖速比（用λ表示）的状态下运行，就能够实现分匀速风力发电机达到最大捕获功率.在Matlab的Simulink工具箱通过建模把λ、β分别作为输入、而Cp作为输出，然后再通过f()函数模块来具体实现Cp(λ，β)功能，建立的CP(λ，β)模型图如图2-1所示.

图2-1 风能利用系数CP(λ，β)模型

依照风力发电机的静态功率特性，也采用Matlab的Simulink工具箱对其进行建模分析.然后把风力发电机的主机浆半径R、主导风速v、风力发电机的角频率ω作为输入参数，还需要把风机附近的空气密度ρ、风浆的矩角β作为输入参数，把风力发电机的捕获功率P以及风力发电机的输出转矩作为输出参数.通过Simulink搭建的风力发电机模型入图所示2-2所示.

图2-2 风力机模型内部结构

根据图2-2的风力发电机核心部件结构进行封装，然后把风力发电机相关的各个参数添加到风力发电仿真模型中，实现变速风力发电机组的仿真模型.如图2-3所示.

图2-3中的Kopt可以视为主导风速和风力发电机转速间的最合理比例，scope是输出模拟波形的示波器.根据实际情况，空气的密度ρ取值为1.72kg/m，风力发电机静止状态的桨矩角取值为0，风力发电机的机桨叶半径取值为36.2m，变速风速取值为0.1m/s～15m/s.

3 直驱永磁风力发电系统复合低电压穿越技术

通过单一的低压穿越实现方式具有一定的局限性，要么响应时间不及时，要么对电压跌落的幅度有严格要求.为了增强直驱型永磁风力发电系统低电压穿越的实际效果和可靠性，本文提出了一种复合型的低压穿越实现方案.具体设计方法和策略如下：

图2-3 风力机仿真模型

3.1 通过检测网侧的电压情况，一旦检测出电网的实时电压出现跌落，网侧的变流器就要及时启动低电压情况下的无功功率补偿措施，直流母线电压则通过Crowbar对母线的最大通过电压进行限压，同时及时对风力发电机的转速进行调整，让风力发电机的转速迅速脱离最佳叶尖速比，这样就能降低风力发电机的最大输出功率.

3.2 当电网的电压再次回到正常状态后，又自动回到正常状态下的无功功率补偿状态，同时，母线的电压又回到通过网侧直流电压环路的控制.

3.3 当直流母线的电压回到正常的电压时，通过对风力发电机的转速进行调整，使其还原到最优的叶尖速比状态.

3.4 当网侧的电压回到正常水平时，由于网侧的变流器电流环有一定的延迟，母线的电压此时会出现一定幅度的下降.如果检测到母线的实际电压比母线规定的电压下线还低，就需要开启Crowbar来通过对储能模块的能量进行释放达到支撑母线电压的目的，当网侧变流器的电流恢复时则停止能量释放.

依照以上控制策略，建立的直驱型永磁风力发电系统低电压穿越模型如图3-1.

图3-1 直驱型永磁风力发电系统低电压穿越仿真模型

4 实验仿真验证

仿真参数的设计：仿真时间设计为2 s，电网在0.3 s时候出现电压跌落，跌落幅度为40%，跌落时间为300 m s，风机的最大功率设计为2 M W；网侧的变流器电流限额为1.6 p.u；Crowbar储能电容容量为300*4500 μF；母线电压最大值为1.2 p.u，最小值为0.950 p.u.

仿真曲线如图4-1所示.

仿真结果分析：图4-1 a为发生了电压跌落，图4-1 c为检测到电压跌落后迅速降低风机转速，图4-1 d为脱离叶尖速比，4-1 e为风机实际功率将为标称功率的一半.在转速改变的同时，网侧开启无功功率补偿控制如图4-1 i、图4-1 j、图 4-1 f、图 4-1 g所示.

图4-1 直驱型永磁风力发电系统低电压穿越仿真结果

在0.3 s～0.5 s段，母线电压由Crowbar控制数值为1.2 p.u，电压复原时，母线电压通过直流电压环控制，储能模块向母线出入能量，让电压同步下降，母线电压到标定值后，由于电流环存在延迟，母线电压还要下降，Crowbar需要重新运行放出储能模块的能量在0.5 s～0.8 s段网侧的输出功率比额定功率大.然后在网侧电压环的作用下，母线电压复原到标定值，系统整体回到正常工作状态，结束低压穿越过程.

通过实验仿真数据可以发现，本文通过结合多种低压穿越的控制方法设计出的直驱型永磁风力发电系统复合低电压穿越方案是切实可行的，实验效果良好，具有一定的实用价值.

〔1〕王伟,孙明冬,朱晓.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化，2007,31(23).

〔2〕PIWKO R,MILLER N,SANCHEZ-GASCA J.Integrating large wind farms into weak powergrids with long transmission.procedlings of Distribution Conference and Exhibitions:Asia and pacific,Aug14-18,2009,China.

〔3〕胡书举,李建林,许洪华.变速恒频风电系统应对电网故障的保护电路分析[J].变流技术与电力牵引，2008.

〔4〕范高锋,迟永宁，等.用STATCOM提高风电场暂态电压稳定性[J].电工技术学报，2007.

〔5〕Gass Etal.Effect of variable speed wind turbine generator on stability ofaweakgrid.IEEE Transon Energy Conversion,2011,22(1):29236.

〔6〕Abbey C,Joos G.Effect of low voltage ride through(LVRT)characteristic on voltage stability[C].2011,IEEE Power Engineering Society General Meeting,SanFrancisco,CA,USA:2011.