直驅型永磁風機復合低壓穿越方法研究和驗證

李 娟

（淮南聯合大學 機電系，安徽 淮南 232038）

1 緒論

隨著傳統能源的枯竭和開發成本上升，在世界范圍內風力發電系統得到廣發的應用，有效減低了電力生產成本減輕了環境壓力.同時，風力發電作為一個新技術還存在著不少問題，低電壓穿越（LVRT，lowvoltageridethrough）就是影響風力發電系統可靠性的重要問題之一，對風力發電的大規模應用起著關鍵性作用[1].低電壓穿越一般意義上指由于風機輸出的不穩定性，風力發電機并網節點在電壓突然跌落時，風力發電機能夠保持繼續并網，同時要為電網輸出無功功率一直到該電網恢復到正常狀態，這樣就“穿越”了該電壓降低的時間區域，從而支撐了電網的穩定運行也保護了風力發電機組.為了提高風力發電的可用性和應對政府和企業的強制性技術要求，國內學術界和企業界外對低壓穿越技術和應用的研究從2005年開始逐漸增多，也取得了一定的研究成果和成功應用.德國的西門子、中國的金風科技等風機領先企業在新型的風力發電系統上都能夠實現低壓穿越.目前能夠實現低壓穿越的主要方法有：對網側變流器的矢量控制器進行優化、直流母線加裝UPS、使用超級電容增加儲存能量、增加電機定子側的靜態開關、增加修改Crowbar電路以及使用無功功率補償等[2].在實際應用中采用單一的低壓穿越控制方法策略具有局限性，復合控制方法和策略成為新的研究熱點.

2 直驅型永磁風力發電系統的建模

為了風力發電機的低壓穿越控制方法和策略，首選要對風力發電機進行建模分析.直驅型永磁風力發電是風力發電的主要機型結構簡單、性能穩定、應用廣泛.直驅型永磁風力發電機的風力利用系數Cp(λ，β)[3]可以根據式2.1得到：

上式中：Cl為 0.5345，C2為 121，C3為 0.392，C4為4.98，C5為 21，C6為 0.0069.由式 2.2可知，當槳矩角（用 β表示）不變的情況下，在風速不同的時候，通過對風機進行控制使得其在最優葉尖速比（用λ表示）的狀態下運行，就能夠實現分勻速風力發電機達到最大捕獲功率.在Matlab的Simulink工具箱通過建模把λ、β分別作為輸入、而Cp作為輸出，然后再通過f()函數模塊來具體實現Cp(λ，β)功能，建立的CP(λ，β)模型圖如圖2-1所示.

圖2-1 風能利用系數CP(λ，β)模型

依照風力發電機的靜態功率特性，也采用Matlab的Simulink工具箱對其進行建模分析.然后把風力發電機的主機漿半徑R、主導風速v、風力發電機的角頻率ω作為輸入參數，還需要把風機附近的空氣密度ρ、風漿的矩角β作為輸入參數，把風力發電機的捕獲功率P以及風力發電機的輸出轉矩作為輸出參數.通過Simulink搭建的風力發電機模型入圖所示2-2所示.

圖2-2 風力機模型內部結構

根據圖2-2的風力發電機核心部件結構進行封裝，然后把風力發電機相關的各個參數添加到風力發電仿真模型中，實現變速風力發電機組的仿真模型.如圖2-3所示.

圖2-3中的Kopt可以視為主導風速和風力發電機轉速間的最合理比例，scope是輸出模擬波形的示波器.根據實際情況，空氣的密度ρ取值為1.72kg/m，風力發電機靜止狀態的槳矩角取值為0，風力發電機的機槳葉半徑取值為36.2m，變速風速取值為0.1m/s～15m/s.

3 直驅永磁風力發電系統復合低電壓穿越技術

通過單一的低壓穿越實現方式具有一定的局限性，要么響應時間不及時，要么對電壓跌落的幅度有嚴格要求.為了增強直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越的實際效果和可靠性，本文提出了一種復合型的低壓穿越實現方案.具體設計方法和策略如下：

圖2-3 風力機仿真模型

3.1 通過檢測網側的電壓情況，一旦檢測出電網的實時電壓出現跌落，網側的變流器就要及時啟動低電壓情況下的無功功率補償措施，直流母線電壓則通過Crowbar對母線的最大通過電壓進行限壓，同時及時對風力發電機的轉速進行調整，讓風力發電機的轉速迅速脫離最佳葉尖速比，這樣就能降低風力發電機的最大輸出功率.

3.2 當電網的電壓再次回到正常狀態后，又自動回到正常狀態下的無功功率補償狀態，同時，母線的電壓又回到通過網側直流電壓環路的控制.

3.3 當直流母線的電壓回到正常的電壓時，通過對風力發電機的轉速進行調整，使其還原到最優的葉尖速比狀態.

3.4 當網側的電壓回到正常水平時，由于網側的變流器電流環有一定的延遲，母線的電壓此時會出現一定幅度的下降.如果檢測到母線的實際電壓比母線規定的電壓下線還低，就需要開啟Crowbar來通過對儲能模塊的能量進行釋放達到支撐母線電壓的目的，當網側變流器的電流恢復時則停止能量釋放.

依照以上控制策略，建立的直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越模型如圖3-1.

圖3-1 直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越仿真模型

4 實驗仿真驗證

仿真參數的設計：仿真時間設計為2 s，電網在0.3 s時候出現電壓跌落，跌落幅度為40%，跌落時間為300 m s，風機的最大功率設計為2 M W；網側的變流器電流限額為1.6 p.u；Crowbar儲能電容容量為300*4500 μF；母線電壓最大值為1.2 p.u，最小值為0.950 p.u.

仿真曲線如圖4-1所示.

仿真結果分析：圖4-1 a為發生了電壓跌落，圖4-1 c為檢測到電壓跌落后迅速降低風機轉速，圖4-1 d為脫離葉尖速比，4-1 e為風機實際功率將為標稱功率的一半.在轉速改變的同時，網側開啟無功功率補償控制如圖4-1 i、圖4-1 j、圖 4-1 f、圖 4-1 g所示.

圖4-1 直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越仿真結果

在0.3 s～0.5 s段，母線電壓由Crowbar控制數值為1.2 p.u，電壓復原時，母線電壓通過直流電壓環控制，儲能模塊向母線出入能量，讓電壓同步下降，母線電壓到標定值后，由于電流環存在延遲，母線電壓還要下降，Crowbar需要重新運行放出儲能模塊的能量在0.5 s～0.8 s段網側的輸出功率比額定功率大.然后在網側電壓環的作用下，母線電壓復原到標定值，系統整體回到正常工作狀態，結束低壓穿越過程.

通過實驗仿真數據可以發現，本文通過結合多種低壓穿越的控制方法設計出的直驅型永磁風力發電系統復合低電壓穿越方案是切實可行的，實驗效果良好，具有一定的實用價值.

〔1〕王偉,孫明冬,朱曉.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析[J].電力系統自動化，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〕胡書舉,李建林,許洪華.變速恒頻風電系統應對電網故障的保護電路分析[J].變流技術與電力牽引，2008.

〔4〕范高鋒,遲永寧，等.用STATCOM提高風電場暫態電壓穩定性[J].電工技術學報，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.