直驱永磁同步风机低电压穿越控制方法
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摘 要：文章阐述了用于直驱永磁同步风力发电系统暂态分析的传动轴系的双质块模型和全功率变流器数学模型，分析了低电压故障下直驱永磁风力发电系统的暂态特性。提出了相应的变流器改进技术措施。
前言
风能电力在电网供电中的比重逐年上升，因此，必须考虑电网故障时风机的各种运行状态对电网稳定性的影响。电网故障引起电压跌落会带来一系列暂态过程，如过电压、过电流或转速升高等。风力发电机组在这种情况下立即解列以自我保护。当风电在电网中占有较大比例时，这种自我保护式解列会增加系统恢复难度，甚至使故障恶化。新的入网规则要求，电网电压跌落时，风力发电机应不脱网运行，向电网提供无功功率，直到电压恢复，这就是低电压穿越（Low voltage ride through，LVRT）。
风力发电包含两个过程，第一个就是将风能转化为机械能，第二个就是将转化来的机械能转换为电能。其中风能到机械能的转换任务由风力机完成，从机械能到现实所需要电能的转换任务则由发电机及之后的变流设备完成。本文研究的风力发电过程采用变速恒频直驱永磁同步发电机，采用该类型电机是由于其成本低，控制方法简单，也就意味着控制失效率更低。在该风力发电系统中，所有的发电机的转子都要和风力机的转子通过连接装置进行连接，所以风速的变化会导致发电机的输出功率大小的变化，由于风速是不确定的，所以最终从风机发出的电能是电压幅值、频率都会变化的交流电，全功率变换电路的作用就是将其变为恒定频率的交流电后输入电网，很大程度上提高了系统效率。
1 永磁风机的基本结构
永磁直风力发电系统采用的是永磁同步发电机，该系统主要包括：（1）永磁同步发电机：由于定子采用永磁材料，所以不需要加装定子绕组，其结构会大大简化，其转化效率相较于其他类型电机要略胜一筹；（2）风力机：将吹过风轮的风的动能转换为机械能，在此期间会有一定的能量损耗，然后再通过连接装置带动发电机转子转动，然后发电机将转子的动能转化为电能，在整个由风力到电力转化的过程中，整个机组能量的转化率主要取决于风力机的能量转化效率，可以说是风力机的核心部件；（3）变流器：对于并网的风电系统来说，发电机与电网之间的变流器是十分重要的部分，也是控制系统的直接控制对象。变流器将发电机输出的交流电转变为直流电，再变换为符合电网标准的交流电，可以说是一个中间环节，但这个环节所处的位置至关重要，因为变流器要保证在并网运行时，其输出电压要与电网一致，包括幅值和频率，否则将会对电网造成大的冲击，并且在电网有无功需求时，其还需要转换控制策略，以给电网提供足够的无功支撑，帮助电网电压恢复。
2 超级电容器工作原理
超级电容器的原理是采用了电化学双电层原理，该电容结构和传统电容结构不同，采用的双层隔离板，电荷聚集在这双层隔离板间将电能储存起来，生产工艺比传统电容稍微复杂一些，但生产成本相差不多。超级电容分类简单，可以根据其极板的类型进行划分，由合金材料构成的电极称作合金超级电容，还有用金属氧化物构成的电极是金属氧化物超级电容，目前，市场上更常见的是金属氧化型的。还有一种电极是由碳材料构成的，碳材料的优点在于耐腐蚀，长时间浸泡在化学液里不发生化学反应，并可以很好的容纳电荷，并在正负碳极间形成强电场，将电解液进行电解，起到存储电能的目的。超级电容的容量取决于电解液电离出的离子数量，就电离液相等的情况下，离子浓度越高，储存的电能越大。
3 LVRT控制阶段划分
本章设计了含超级电容的控制策略，该策略需要变流环节控制系统以及超级电容控制相互协调完成。该系统的变流器分为两个，一个是机侧变流器也就是和风机相连，另一个是网侧变流器，与电网直接相连。在没有故障时，位于前端的变流器运用转速外环和电流内环的比较经典的控制策略，可以很好地将转速稳定。后端变流器则采用相反的电压外环和电流内环的双闭环控制方法，可以很好地稳定电流和电压并且可以实现功率稳定。低电压穿越过程中，机侧和网侧变流器不受影响，各自分别向直流母线和电网输送功率，由图1可以很清晰的反映两个功率在时间上的关系图：
第一阶段：低电压故障开始至PM_LVRT的时刻tsc。PM_LVRT>PG，在此阶段，经过积分计算可得，超级电容的能量在不断减小，总效果就是在向外界不断输出能量，在tsc时两变流器之间的直流母线的电压达到峰值。
第二阶段：tsc时刻后PM_LVRT
第三阶段：储能系统停止工作。第二阶段中超级电容输出能量，电压不断降低，最终各单元恢复到正常工作状态。
本文对并网运行永磁直驱风力发电系统的低电压穿越技术进行研究。超级电容控制策略基础之上，实现了风机的低电压穿越。
参考文献
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