高速永磁同步风电机组低电压穿越的研究

李 昊，庄圣贤，许永衡，周 兰

（西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

近几年来，在变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机双馈型风电系统占市场份额最大，而使用永磁同步风力发电机的直驱型及高速永磁电机的风力发电机组发展也很快。其中采用高速永磁同步电机的风力发电机组，因为采用了高速永磁同步发电机，使得电机的体积相比永磁直驱型电机明显地缩小，其电机的成本也大大降低。高速永磁风力发电机组在拓扑结构、成本、经济效益以及应对电网故障等方面具有独特的优势。

随着风电装机容量的增加，电网故障对风机的影响受到越来越多的重视。在电网电压跌落到一定深度时，必须保证风机在曲线上方不脱网，对电网提供无功支持，直至电压恢复，要求风电系统具有低电压穿越能力［1］。目前国内外对双馈感应发电机风电系统低电压穿越特性研究的较多［2］，但对高速永磁同步风电机组变流器的整体建模和研究还不是很多，对其低电压穿越特性的研究也少。

因此，本文从研究高速永磁同步发电机组低电压穿越特性出发，对发电机、发电机侧变流器、电网侧变流器进行了建模，详细分析了各部分的工作原理。基于Matlab／Simulink构建了高速永磁同步发电机风电机组的仿真模型，以及低电压穿越函数，对其在电网跌落时的穿越特性进行了分析。通过对永磁同步发电机定子电流的解耦，实现发电机转矩和定子电压的控制。在低电压跌落时，网侧变流器通过控制直流母线电压和网侧功率因数，在直流母线侧卸载负荷，在网侧提供无功功率支持电网，实现低电压穿越，使系统能正常运行。

2 高速永磁同步风电机组工作原理

高速永磁同步发电机风电机组模型如图1所示。风轮机经增速齿轮箱与永磁同步发电机转子相连接，能够更好地吸收利用低风速时的风能。在发电机定子和电网间采用双PWM背靠背的全功率变流器，实现了发电机和电网的完全解耦，对电网适用性强，易于实现低电压穿越［3］。

图1 高速永磁同步发电机风电机组模型

通过机侧变流器实现机组的有功功率跟踪，对电网侧变流器进行控制，以实现直流母线电压恒定和流向电网的无功功率。直流母线侧加有卸荷电阻，在电网电压跌落时消耗直流侧的多余能量。当电网发生电压跌落时，只需在网侧逆变器和和直流侧采取措施，而不影响到机侧变流器和发电机的正常运行［4］。

3 仿真模型的建立

3.1 永磁同步发电机和风力机模型

发电机和风力机模型之间的关系是通过转矩和角速度来连接的。

利用坐标变换理论，在dq旋转坐标系下建立永磁同步发电机的数学模型。取永磁同步发电机的转子磁极为 d轴，q轴超前d轴90°，则其在稳态下的电压方程为：式中：usd、usq为电机端电压 dq 轴分量；ψsd、ψsq为定子磁链dq分量；isd、isq为定子电流dq轴分量；Rs为发电机定子绕组每相电阻。

电磁转矩方程为：

式中：p为极对数。

运动方程为：

式中：ωr为发电机转子机械角速度，单位 rad／s，且ωr＝ωe／p；J为发电机的转动惯量，单位 kg·m2；F 为粘滞系数；Tm为发电机转子的机械转矩，单位N·m。

由公式（2）可知，当发电机参数一定时，控制发电机定子电流isd、isq就可实现发电机电磁转矩Te的控制。由式（3）能看出，转速ωr的加速度值由输入机械转矩Tm和输出电磁转矩Te之差决定。发电机的电压ud、uq和转速ωe成固定比例。因此，控制发电机的交直电流就能实现对发电机转速和电压的控制。

3.2 机侧变流器模型

图2所示为采用电流内环、转矩外环的双环控制方式的机侧变流器控制框图。通过检测发电机的三相电流值和机侧变流器的空间矢量调制状态，计算出发电机的转矩和磁链大小，发电机转子位置。转矩和磁链大小与转矩参考值T＊、定子磁链参考值相比较，通过电压开关矢量表，控制机侧变流器IGBT的开关状态，使发电机输出要求调节的转矩，实现控制转速的目的。

3.3 网侧变流器模型

图2 机侧变流器的控制框图

图3 网侧变流器控制框图

图3所示为网侧变流器的双环控制模型。直流电压回路用状态向量控制方法，传输有功功率，能够实现有功功率的恒稳态精确和较高的动态控制。闭环控制能快速抑制负载变化，控制负载阶跃变化时间＜10ms。内环采用电流滞环控制，该控制对输出电压突变具有不敏感性，它独立于电网电压，甚至在短路时电流控制环仍然能运行。电流参考值是和线电压相匹配的，因此变换出有功和无功电流部分，在电网电压跌落时，能够灵活调节功率因数，满足电网动态实时的无功需求。

低电压穿越主要依靠网侧逆变器来实现的。在电网电压瞬间跌落时，发电机输出的瞬时功率不变，而变流器输出功率会减小，这样功率不平衡将导致DC-link（直流母线）电压上升［5］。电网电压跌落时，机侧变流器只需保持永磁发电机的正常运行，发电机发出的多余能量通过直流母线的卸载负荷来卸载，网侧变流器实现低电压穿越。

3.4 电网电压和电网跌落模型

电网模型由电压源、电网故障阻抗、风机变压器和变电站变压器构成。根据E.ON2006低电压穿越技术要求，在Matlab M文件里创建出了满足其跌落要求的电压曲线的函数。

4 系统仿真研究

为了验证理论分析的正确性，建立了高速永磁同步发电机风力发电系统的仿真模型，并对不同深度的电压跌落进行仿真。电压跌落前，风电系统以单位功率因数运行，即网侧变流器无功给定为0。对于不对称的电压跌落，通过监视逆序电网电压分量来识别不对称故障，并对有功和无功功率用分离参数表进行调整，来实现低电压穿越。本仿真中的电压跌落是指三相对称电压跌落。从3.0s跌落开始到3.6s跌落结束，电压跌落的幅度为30%。在8.0s到10s，电压跌落的幅度是60%。仿真中各参数以标幺值表示。

永磁同步发电机的具体参数设置如下：P＝2MW，U＝690V，T＝16KN·m，极对数为 3。

在风电机组启动时，网侧无功功率设置0，实际无功功率也为0，在电网无故障时，线电压没有跌落。图4所示为转矩参考值的控制。从图4可以看出，高速永磁同步发电机的有功功率能够很好地跟踪有功功率参考。

图5所示为30%电压跌落时的仿真波形。从图5的波形可以看出，网侧电压跌落到额定值的30%，有功电流变为0，而无功电流为1，电流全部由无功电流提供，保持总的线电流不变。视在功率从1变为0.3。无功功率的支持必须以有功功率的减少为代价。变流器全部输出无功，支持电网电压。实际中，有功功率为0，电流来不及突变，在电压跌落时，有功功率降低很多，电压恢复时，有功功率升高很多。无功功率在电压跌落时突然升高到0.3，对电网进行无功补偿。

电网电压恢复时，有功功率经短暂的尖峰振荡后，迅速恢复到额定值。无功电流在电压跌落和恢复的瞬间都出现一个小的波动。

仿真表明，网侧变流器能够持续工作，并且提供无功功率。

图4 转矩参考值的控制

图5 30%电压跌落时的仿真波形

图6 60%电压跌落时的仿真波形

如图6所示，电网电压跌落到额定电压的60%时，由于电流来不及骤变，变流器输出的有功功率跌落至40%左右。无功参考值虽然为0，但为支持电网电压，变流器调节功率因数，输出无功功率到50%左右。有功电流从1降低到0.58，跌落期间变流器提供无功电流，无功电流从0升高到0.78，总的线电流为0.95。同时改变无功功率的设定值，变流器能迅速为系统发出无功功率，从而保持电压跌落时的风机系统稳定运行。

5 结论

从仿真结果可以看出，在电网发生故障时变流器仍然能继续运行，表明该控制策略的正确性和有效性。网侧变流器能实现对输出功率因数的调整，当电网出现故障时，能够对电网稳定起到作用。高速永磁同步发电机风电系统具有低电压穿越能力，尤其能满足低电压穿越期间的无功支持、故障后有功功率的迅速恢复。

［1］贺益康，何鸣明，赵仁德，等.双馈风力发电机交流励磁用变频电源拓扑浅析［J］.电力系统自动化，2006，30（4）：105－112.

［2］李建林，许鸿雁，梁 亮，等.VSCF－DFIG在电压瞬间跌落情况下的应对策略［J］.电力系统自动化，2006，30（19）：65－68.

［3］Abbey C，Li W，OwattaL，etal.Power Electronic Converter Control Techniques for Improved Low Voltage Ride through Performance in WT Gs［C］.37th Power Electronic Specialists Conference.South Korea：PESC 06 IEEE，2006：1－6.

［4］胡书举，李建林，许洪华.永磁直驱风电系统低电压穿越特性分析［J］.电力系统自动化，2007，31（17）：73－77.

［5］张 兴，张龙云，杨淑英，余 勇，曹仁贤.风力发电低电压穿越技术综述［J］.电力系统及其自动化，2008，20（2）：3.