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1、.PAGE ：.；PAGE 4永磁直驱风力发电电能变换器的研讨朱琳 徐殿国 马洪飞 罗忠玉哈尔滨工业大学摘要：直驱风力发电系统由于其效率高，构造简单及稳定运转，是风力发电技术的开展趋势。然而在运转过程中，由于各种缘由引起的电网电压动摇、跌落甚至短路缺点会影响发电机的不延续运转。本文主要研讨直驱风力发电系统的电能变换器，利用Matlab/Simulink对10 kW直驱风力发电系统进展了仿真，分别分析了电网电压跌落，50%-0.2 s和30%-0.4 s时电能变换器的动态呼应，在电网电压跌落时电能变换器仍能与电网坚持衔接。仿真结果验证了系统控制战略的有效性。关键词：直驱风力发电 永磁同步电机 电

2、能变换器 电压跌落Research of Converter for Permanent Magnet Generator Direct Driven by Wind TurbineZhu Lin Xu Dianguo Ma Hongfei Luo ZhongyuAbstract：Due to high efficiency, simple structure and stable operation, the direct-drive wind power system using the permanent magnet synchronous generator is the devel

3、opment trend of wind power generation system. However, the generator may be disconnected from the grid in case of a disturbance such as a voltage dip even a grid fault. In this paper, we made a simulating study on 10kW direct-drive wind power system based on the PM synchronous generator by Matlab/Si

4、mulink, and analyzed the response of HYPERLINK /search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20%20voltage%20source%20converter%3cin%3ede)&valnm=+voltage+source+converter&reqloc%20=others&history=yespower converter when the voltage dips are 50%-0.2s, 30%-0.4s respectively. This con

5、tribution presents a controller that can be used to keep direct-drive wind turbines with permanent magnet generator connected to the grid during voltage dips. The behavior of the power converter during grid dips is demonstrated by simulations and the control strategy is correct.Keywords： HYPERLINK i

6、/search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20direct%20drive%20wind%20turbine%3cin%3ede)&valnm=+direct-drive+wind+turbine&reqloc%20=others&history=yes direct-drive wind power generation HYPERLINK /search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20%20permanent%20ma

7、gnet%20generator%3cin%3ede)&valnm=+permanent+magnet+generator&reqloc%20=others&history=yespermanent magnet synchronous generator HYPERLINK /search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20%20voltage%20source%20converter%3cin%3ede)&valnm=+voltage+source+converter&reqloc%20=others&hi

8、story=yespower converter voltage dip 1 引言随着全球经济的快速开展，人类对能源的需求明显添加，而地球上可利用的常规能源是有限的。同时，随着人类活动的加剧，自然生态环境却在不断恶化。因此，目前世界各国都曾经把开发新能源和利用可再生能源作为未来能源开展的方向。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化开展前景的发电方式之一，具有占地少、无污染、建立周期短、装机规模灵敏等优点，因此遭到了世界各国的注重1。采用无齿轮箱的直驱永磁同步发电机虽然提高了电机的设计本钱，但却有效的提高了系统的效率以及运转可靠性，并且降低了噪音和机械损失从而降低了风力发电机组的

9、运转维护本钱，因此遭到了越来越多的关注2。然而风力发电系统在运转过程中，由于各种缘由引起的电网电压动摇、跌落甚至短路缺点会影响发电机的不延续运转。电网发生忽然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，能够呵斥发电机系统的机械损坏或热损坏，所以本文主要研讨直驱风力发电系统的电能变换器在三相电网电压忽然跌落时的系统继续运转控制。对10 kW直驱风电系统进展了建模和仿真，分析了系统在电网电压跌落50%-0.2 s和30%-0.4 s时的动态呼应。2 电能变换器数学模型直驱风力发电系统总构造图如图1所示3：图1 直驱风力发电系统总体构造图直驱风力发电系统由风轮机与低速永磁同步发电机直接耦合构成

10、，其输出电压幅值、频率、功率都将随风能的变化而变化3。电能变换器是由两个背靠背衔接的电压型PWM变换器构成的交-直-交(AC-DC-AC)变换器。PWM整流器(AC-DC)是一个三相电压型PWM高功率因数整流器。由于发电机输出电压是根据风速变化的，PWM整流器可为网侧变换器提供恒定的直流母线电压，并使得交流输入电流跟随输入电压，波形近似正弦波；网侧变换器实践上是一个三相电压型逆变器(DC-AC)，直流母线电压经逆变、滤波后并入电网。PWM整流器的主电路如图2所示。图2 PWM整流器的主电路控制系统采用双闭环级联式控制构造：电压外环、电流内环。电压外环的主要作用是控制直流母线电压；电流内环根据电

11、压外环给出的电流指令对交流侧输入电流进展控制。由变换器传送的瞬时有功和无功功率为：定子电压定在d轴方向，q轴电压为0，只需供电电压恒定，d轴电压恒定，有功和无功功率分别和d，q轴电流成比例。为了实现单位功率因数运转，无功电流分量的参考值设为零。变换器交流侧电流的dq分量存在相互耦合，给控制器设计呵斥一定困难。为此，可采用前馈解耦控制战略，当电流调理器采用PI调理器，那么PWM整流器输入端电压可以计算为4由于电流d-q分量具有对称性，控制器可以运用一样的参数，因此控制器设计可以只思索其中一个。不难看出：PI调理器的输出补偿了交流侧电感上的电压降；控制器采用电流d-q分量的解耦项抵消了实践系统中两

12、个分量的交叉耦合项；电机输出电压的前馈分量抵消了实践系统中电机输出电压的影响。系统电流内环控制构造框图如图3所示。图3 PWM整流器控制构造框图3 仿真结果风力发电机并网，要求输出电流为三相正弦波并且和电网电压频率、相位一样5。当电网电压跌落时，变流器电流要添加以便向电网注入不变的功率。因此其动态呼应必需加以正确分析才干采用适当的控制器来控制系统中的各个量，从而到达控制目的。本文采用Matlab/Simulink，建立了10kW直驱风力发电系统的仿真模型，分析系统在电网电压跌落50%-0.2 s和30%-0.4 s时的动态呼应。详细的仿真参数如下：假定永磁电机输出电压为三相380 V，功率为1

13、0 kW。三相电网电压为380V/220V。LCL滤波器6：L1=3 mH，L2=1mH，Cf=6.8 F，Rd=6L2为网侧电感；开关频率：10 kHz；直流侧电容：4 000 F。直流母线电压设定值为700 V。3.1 电网电压跌落50%-0.2 s时0.1 s时电网电压跌落50%，0.3s时电压上升至220 V单相。仿真波形如下：图4 PWM整流器A相电压和A相电流图5 直流母线电压图6 逆变器输出C相电压和C相电流由图4图6可以看出，电机输出功率根本坚持在10kW，整流器输入电流与输入电压同相位，实现单位功率因数整流。直流母线电压动摇范围在10%以内，根本稳定在700 V。电网电压跌落

14、时，逆变器输出电流增大以便向电网注入不变的功率。3.2 电网电压跌落30%-0.4 s时0.1 s时电网电压跌落30%，0.5 s时电压上升至220 V单相。仿真波形如下：图7 直流母线电压图8 逆变器输出C相电压和C相电流由图7图8可见，电网电压跌落30%-0.4s时对电能变换器的影响比较小，直流母线电压动摇范围在5%以内。4 结语风能作为可再生能源，遭到了世界各国的关注。风力发电成为近年来开展最快的能源，在电网中的比重越来越大。直驱永磁风力发电技术被以为是最有前景的风电技术方案之一。本文经过建立PWM整流器在同步旋转坐标系里的数学模型，采用前馈解耦的控制战略和双闭环级联式控制构造，利用Ma

15、tlab/Simulink对10kW直驱风力发电系统进展建模与仿真，分析系统在电网电压跌落50%-0.2 s和30%-0.4 s时的动态呼应。在电网电压跌落时电能变换器仍能与电网坚持衔接且注入不变的功率。网侧滤波器采用LCL滤波器，LCL型滤波器可以在较小总电感的条件下实现同样的滤波效果，体积小，造价低，动态性能大大改善。参考文献1 易跃春.风力发电现状、开展前景及市场分析.国际电力, 2004, 8(4): 18-222 Henk Polinder, Frank F. A. van der Pijl. Comparison of Direct-drive and Geared Generat

16、or Concepts for Wind Turbines. IEEE, 2006, 725-732 3 Ki-Chan Kim, Seung-Bin Lim, Ki-Bong Jang. Analysis on the Direct-driven High Power Permanent Magnet Generator for Wind Turbine. IEEE, 20054 Wang Fengxiang, Hou Qingming. Study on Control System of Low Speed PM Generator Direct Driven by Wind Turbine. IEEE, 2005, 1009-10125 Johan Morren, Jan T.G. Pierik. Voltage Dip Ride-through