电气工程及其自动化专业论文 直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究

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山东农业大学

毕 业 论 文

直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究

院 部 机械与电子工程学院

专业班级 电气5班

届 次 2015届

学生姓名

学 号

指导教师 助教

二О一五年六月六日

目 录

摘要 ......................................................................... I

Abstract ..................................................................... II

1 绪论 ...................................................................... 1

1.1 国内风电产业发展趋势 ................................................. 1

1.2 目前低电压穿越技术研究情况 ........................................... 2

1.3 中国低电压穿越技术的标准 ............................................. 2

2 直驱式风力发电系统数学模型 ................................................ 3

2.1 直驱式风力发电机组概述 ............................................... 3

2.2 风轮的数学模型与分析 ................................................. 3

2.3 永磁发电机的数学模型 ................................................. 4

2.3.1 永磁发电机于三相静止坐标下的数学模型 ............................ 4

2.3.2 永磁发电机于两相旋转坐标系下的数学模型 .......................... 5

2.4 电网侧PWM变流器数学模型 ........................................... 6

2.5 变流器直流侧电容数学模型 ............................................. 7

3 直驱式风电机组的控制策略 .................................................. 8

3.1空间矢量脉宽调制技术 ................................................. 8

3.2 PWM变流器的控制策略 ................................................. 9

3.3 电机侧变流器控制策略 ................................................ 10

3.4 电网侧变流器控制策略 ................................................ 11

3.5 风轮的桨叶节距角控制策略 ............................................ 12

4 直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究 ..................................... 12

4.1 风电并网对电网的影响 ................................................ 13

4.2 电网故障对直驱式风电机组的影响 ...................................... 13

4.3 撬棒保护电路的原理 .................................................. 14

4.3.1 定子侧撬棒电路的保护 ........................................... 14

4.3.2 电网侧撬棒电路的保护 ........................................... 15

4.4 直流侧撬棒电路的保护 ................................................ 15

4.5 基于并联耗能电阻撬棒保护的改进 ...................................... 16

4.6基于MATLAB的仿真分析 ............................................ 177

5 总结与展望 ............................................................... 21

参考文献 ................................................................... 22

致谢 ....................................................................... 23

i

Contents

Abstract ....................................................................................................... 错误！未定义书签。

1 Introduction ............................................... 错误！未定义书签。

1.1 Domestic wind power industry development trend ........... 错误！未定义书签。

1.2 Low voltage across technology rearch situation at prent .... 错误！未定义书签。

1.3 Low voltage through technology standard in China .......... 错误！未定义书签。

2 Direct drive wind power system mathematical model ............. 错误！未定义书签。

2.1 Summary of direct drive wind turbine .................... 错误！未定义书签。

2.2 The mathematical model of wind turbines and analysis ....... 错误！未定义书签。

2.3 The mathematical model of permanent magnet generator ..... 错误！未定义书签。

2.3.1 The mathematical model of three-pha static coordinates 错误！未定义书签。

2.3.2 Mathematical model of two pha rotating coordinate system错误！未定义书签。

2.4 PWM generator side converter mathematical model ......... 错误！未定义书签。

2.5 A mathematical model converter dc side capacitor ........... 错误！未定义书签。

3 The control strategies of direct drive wind turbines ................................... 错误！未定义书签。

3.1Space vector pul width modulation technology ........................... 错误！未定义书签。

3.2 PWM converter control strategy .................................................... 错误！未定义书签。

3.3 Motor side converter control strategy ............................................ 错误！未定义书签。

3.4 The grid side converter control strategy ......................................... 错误！未定义书签。

3.5 The rotor blade pitch Angle control strategy ................................. 错误！未定义书签。

4 Low voltage through the technical rearch ............................................. 错误！未定义书签。

4.1 The influence of wind power grid to power grid ............................ 错误！未定义书签。

4.2 Power grid failure for the influence of direct drive wind turbines . 错误！未定义书签。

4.3 The principle of lever protection circuit ......................................... 错误！未定义书签。

4.3.1 The protection of the stator side lever circuit ....................... 错误！未定义书签。

4.3.2 The protection of the grid side lever circuit ......................... 错误！未定义书签。

4.4 Lever in dc side circuit protection .................................................. 错误！未定义书签。

4.6Bad on the MATLAB simulation analysis ................................... 错误！未定义书签。

Summary and outlook ......................................................... 22

Acknowledgement. ........................................... 错误！未定义书签。

ii

4.5 Bad on the parallel resistance energy consumption lever protection improvement 错误！未定义书

直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究

曾健

（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）

摘要：由于人类过快的发展速度，能源的可持续性已是严峻的问题。近年来，风能是可持续零污染能

源的代表，正在快速发展中。与此同时风电在电网中占的比重持续走高，故风电的稳定性引起大家的

重视。故要求其具有低电压穿越能力，即就是指风力发电机的端电压降低到一定值的情况下不脱离电

网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。本文将对直驱式风力

发电系统低电压穿越技术开展研究，具体内容如下：首先，对国内各省风力发展趋势和国内低电压穿

越标准进行概述，以及介绍当前低电压技术研究情况。然后，介绍风轮的数学模型，分析在什么条件

下风轮获取最大风能；分析风力机主要部分（永磁发电机和变流器）的数学模型以及原理；分析电容

直流侧数学模型。其次，阐释空间矢量脉宽调制技术，分析不同的变流器控制方法，详细分析电机侧

和电网侧变流器的控制策略，以及分析桨叶节距角的控制策略，最终确定在电机侧控制策略下进行

Matlab仿真分析。最后，分析电网侧故障对风力机系统造成的影响，确立在风力机直流侧并联撬棒电

路进行保护，在原来撬棒电路的基础上，本文添加一个功率控制器使低电压穿越能力增强，通过过

Matlab simulink仿真验证该方案。

关键词：风力发电 低电压穿越 撬棒电路

I

Direct drive wind power system low voltage through the technical

rearch

Jian Zeng

(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong

271018)

Abstract Due to the development of the human too fast speed, energy sustainability is a rious

recent years, wind power is a reprentative of the sustainable energy zero pollution, is developing rapidly.

At the same time in proportion of wind power in power grid is increasing, so the stability of the wind cau

everyone's attention. Therefore, requires the ability to its low voltage across,Is reduced to a permanent

magnet wind generator terminal voltage value but not break away from the power grid running, And at the

same time can provide a certain amount of reactive power for the system to help one's capacity to voltage of

power grid. This paper will begin to rearch direct drive wind power system low voltage through the

technical , the concrete content is as follows:First,Summarizing provinces for domestic development trend of

the wind and the domestic low voltage through standard , and introducingas well the current low voltage

technology rearch situation. Then introducing the mathematical model of wind turbines, analysis under

what conditions capture the maximum wind turbines wind; Analysis of wind turbine main parts (permanent

magnet generator and converter) mathematical model as well as the principle; A mathematical model analysis

of dc side introducing the space vector pul width modulation technology, the analysis of

different control method of the converter, a detailed analysis of the motor side and grid side converter control

strategy, and analysis of blade pitch Angle control strategy, ultimately determine the Mtlab simulation

analysis is carried out under the motor control analyzing grid side of the failure of the impact of

wind turbine system, establish the wind machine lever in parallel circuit in dc side, on the basis of the

original lever circuit, this paper add a power controller to make low voltage across, through Mtlab simulink

simulation verify the scheme.

Keywords: Wind power generation；Low voltage across；crowbar circuit

II

1

绪论

1.1 国内风电产业发展趋势

图1 -1 2004-2014中国新增和累计装机容量

由图1-1明显可以看出，近10年来中国风力发电的高速发展。总装机容量由2004年的743MW

增长到2014年的114609MW。且每年的增长速度都保持在较高的水平，在2014年新增加的风力发

电机容量达到了23196MW，接近了2009年的累计装机水平，足以体现我国对风力发电的重视。由

国家能源局统计数据显示，截至2014年底，全国并网风电装机容量达9581万千瓦，占全国发电机

总容量的6.95%。

图1-2 2004-2014中国各地区新增装机容量

由图1-2能够看出近10年我国各省市新增加的风力发电机容量的情况，其中西北地

区于2014年装机容量增长速度最快，所占比例达到全国的52.5%。甘肃省比同期增长达

到487.9%，宁夏自治区比同期增长91.43%,内蒙古自治区比同期增加29.45%，山西省比

同期增加17.96%。由国家能源局统计数据显示，截至2014年底我国各省市累计装机总量

排名内蒙古自治区依然高居首位，总装机量可达22312.31MW，占全国的19.6%。排在第

二位是甘肃省占9.36%，河北省和新疆省比例差不多，分别为8.61%和8.44%。

1

1.2 目前低电压穿越技术研究情况

低电压穿越（Low voltage ride through，LVRT），是指当风电机组并网点电压跌落的

时候，风电机组能够保持并网，并且向电网提供一定的无功功率用以支持电网恢复，直到

电网电压恢复正常，从而“穿越”这段低电压时间的能力。

低电压穿越技术的钻研是非常有必要的，据2011年《风电安全监管报告》统计：仅

2011年一年，我国发生12次50万千瓦风电场脱网的重大事故，发生193次10万千瓦风

电场脱网的事故。其中主要原因即是局部风力发电机并不具有低电压穿越的能力，与此同

时于系统故障期间没有发挥出提供无功功率的作用。

当前风力发电机制造厂家广泛用的方法为发电机的转子侧的电路提供旁路电路，旁路

电路一般采用crowbar电路。工作原理是当电网系统因为故障而发生电压跌落时，将感应

发电机、励磁变流器，同时投入转子crowbar电路的保护装置（作用是释放能量）,从而

削弱了经过励磁变流器的电流、转子绕组过电压的作用，从而保证了发电机持续并网运行。

安装的顺序是将crowbar电路接在变流器的输出侧，先通过散热电阻,再进入三相全桥,每

一桥臂上半部分为晶闸管，下半部分为一二极管，直流输出经铜排短接。低电压情况产生

后,无功电流有功电流均会在短时间内会发生震荡情况，过电流在以热量的形式在散热电

阻上消耗,根据不同的标准，不同的电压跌落值决定持续时间。

1.3 中国低电压穿越技术的标准

2011年，中国电科院根据《国际能源局关于委托开展风电网技术标准编制工作

的函》编制了行业标准《大型风电场并网设计技术规范》，此标准和订正后的国家

标准《风电场接入电力系统技术规定》共同规定了风电场并入电网的相干要求。

《风电场接入电力系统技术规定》是我国第一个关于风电场并入电网的文件，考

虑到当时的机组制造水平，以及风力发电的规模，故适当降低了对风电技术的要求，

仅仅提出一些原则性的规定。新文件补充了有关风力发电电场的有功调控，无功调

控，以及电网发生紧急情况的自我调控能力，测试风电场安全性以及通讯情况，采

集SCADA数据与实时监测发电系统等方面的要求，保证了不同规模的风电场并入

电网后的稳定运行。新标准侧重解决的问题是风力发电机组技术水平较低。而解决

低电压穿越的问题，是风力发电系统的重点研究方向，故研究直驱式风力发电技术

是十分有价值与现实意义的。

新标准中关于低电压穿越问题的描述如下：a)对于风电装机容量和总电源容量

相比大于5%的省（自治区）级电力系统，其控制范围内内新增运转的风电场应具备

低电压穿越能力。由电网故障引起电压跌落至额定电压的20%时，要求风力发电机

组不脱网不间断运转0.625s。b)风电场并网点电压在产生跌落的2s内，可以恢复到

额定电压的90%，并且风电机组保证不脱离电网继续运转。

2

图1-3 低电压穿越规定时间图

2 直驱式风力发电系统数学模型

2.1 直驱式风力发电机组概述

直驱式风力发电机是一种直接由风力驱动的发电机，采用多极电机与叶轮直接连接进

行驱动的方式，避免了通过齿轮箱连接。齿轮箱这一部件在兆瓦级风力发电机中属于易于

过载及损坏的部件，因此直驱式风力电机具有低风速时高效率，高寿命，低噪音，电网接

入性能优异，运行维护成本低等优点。但是同时为了提高发电效率，发电机的极数通常在

100极左右，故发电机结构变得复杂，且永磁材料和稀土使用的增加了一些不确定因素。

直驱永磁风力发电机组由风轮，永磁发电机，整流器，逆变器，滤波电感，变压器组

成。风轮吸收风能转化为机械能通过主轴传递给永磁发电机发电，发出的电能通过全功率

变流器后通过升压变压器并入电网。

2.2 风轮的数学模型与分析

风轮从气流中吸收的能量的方程可表示为：

图2-1 直驱式风力发电机拓扑结构

1

32

PRVC(,)



wp

（2-1）

2

公式中：ρ（kg/m3）指空气密度;R（m）指风轮半径;Vw（m/s）指风速;C指的是风

p

能利用系数;β指桨叶节距角;λ指叶尖速比,是风轮叶尖线速度与风速的比值，叶片越长同

3

风速下叶尖速比越大。

图2-2 风能利用系数关系图

其中风能利用系数是评定风轮气动特性优劣的主要参数，表示了风力发电机将风能转

化为电能的转化效率，其大小与叶尖速比与桨叶节距角有关。具体的关系可见图2-2，由

图可以看出在叶尖速比不变的条件下，桨叶节距角越小，风能利用系数越大，而且有凸型

曲线可以看出，在特定桨叶节距角的条件下，存在最大风能利用系数。而且由图2-2还可

以得出，风能利用系数并不是任意上升的，根据贝茨理论，对于水平轴风力发电机，理想

情况下风能转化为机械能的极限比值为60%。

C的数学表达式为

p



116

C(，)0.22（0.45）e

p





i

（2-2）

12.5



i

（2-3）

110.035



i



3

0.08

由式2-2可以看出C是随叶尖速比和桨叶节距角变化而变化的，通常桨叶节距角是

p

不变化的，在某一风速的情况下，通过调整风机的转速使叶尖速比处于最优比值，从而使

风轮捕获最大的风能。

2.3 永磁发电机的数学模型

2.3.1 永磁发电机于三相静止坐标下的数学模型

永磁发电机的转子采用高磁场永磁体代替电磁线圈，为了提高发电效率，发电机的

极数通常非常大，通常在100极左右，且大多为稀土制作而成。为简化数学分析的过程，

要做以下的假设：1)忽略谐波效应，定子三相绕组互差120度，产生理想正弦磁动势。2)

假设各相绕组的电感，阻值是恒定的。3)不计永磁发电机的涡流损耗和磁滞损耗。4)转子

上无阻尼作用。

本文在分析永磁发电机的电磁关系时，依照惯例，正电流由端电压正极性端流出，

定子绕组正电流产生对应负磁链，各绕组正方向即轴线正方向。

电压方程为：

4



ui

aaa



R00

s





(2-4)

u0Ri0

bsbb









00R



ui

ccc





d



dt

s



其中ua，ub，uc指的是abc三相电压，ia，ib，ic指的是abc三相电流，Ψa，Ψb，

Ψc指的是abc三相磁链，Rs指的是电枢电阻。

磁链方程为





aa



LMM

aaabac





(2-5)



bbabbbcbf

MLicos(120M)









MML

cacbcc





cc





cos



i



。





cos(120)



。

i



其中L，L，L指的是各绕组的自感；M，M，M，M，M，M指的是绕

aabbccabacbabccacc

组间的互感，且它们两两相等；Ψ指的是转子永磁链；θ指的是转子极与a相轴线的夹角。

f

2.3.2 永磁发电机于两相旋转坐标系下的数学模型

通常为了简化对电机的分析，可通过派克变换化简发电机的电磁微分方程。取发电

机转子磁极中心线为d轴，取相邻磁极间的垂直平分线为q轴。模型以发电机转子磁场

方向为d轴方向，q轴方向超前d轴90。如图2-3所示。

。

图2-3 永磁同步电机定、转子空间布置图

对电压方程（式2-3）进行派克变换得



U-ip

sddsd



R00

s





（2-6）



U0R0-ip

sqsqsqrsd





U-ip





s00s0



00R





-



rsq









s





0

d

。从而得旋转坐标系的电压方程为 p是微分算子

dt

di

sd



ULiRiL



sdrasdssdrfd





dt

（2-7）



di



U-RiLiL



sq

sqssqrqsqq



dt



对磁链方程式（2-4）进行派克变换得方程式（2-8）

5

0L0





-i

sdsd





f





L0-i00

qsqsq









（2-8）





0L00

0







-i

s0so



其中L=L+L,L=L+L。L，L是定子线圈自感，L，L是励磁电感，L是漏

dlmdqlmqdqmdmql

感。电磁转矩方程式为

3

TNi

epsqf



（2-9）

2

其中T指电磁转矩，N指极对数。由式（2-9）可以看出，因发电机极对数不变，

ep

转子磁链不变，可认为电磁转矩与q轴电流成正相关关系。因此可以通过控制发电机的定

子电流来控制发电机的转速电压。



d





2.4 电网侧PWM变流器数学模型

由于发电机侧PWM变流器和电网侧PWM变流器模型结构相同，故只介绍电网侧

变流器的数学模型。

PWM变流器由整流器，逆变器，主电路，平波回路组成。在分析其数学模型时要

做如下假设:所有的功率元件都是理想的，不考虑损耗；电网电压为三相对称的正弦波电

源；电网电压在一个周期内不变。

图2-4 电网侧变流器数学模型

由上图所标注的各个参数和电流方向的关系，可得电网侧变流器于三相静止坐标系

下的数学模型为



di

gx

RiE(SUU)L

ggxxxdPg



dt





di

gy



LRiE(SUU)

gggyyydP

dt





（2-10）

di



LRiE(SUU)

gz

ggzzzdpg



dt





Cii

dU

d

3U

p

k(kx,y,z)d



dtU

d



其中E（k=x,y,z）风力发电机的单相电势，i（k=x，y，z）是输入的交流电流，

kgk

S是开关函数，R和L是各相的电阻和电感。由于系统三相对称，可得

kgg





EEE0

xyz



（2-11）

iii0





gxgygz

联立式（2-8）和式（2-9）可得

6

US

pk

U

d

3

kx，y，z



（2-12）

为了简化对变流器的分析，一般通过派克变换，将变流器置于两相旋转坐标系下进

行讨论，派克变换将直角坐标系中的时变交流量转换成dq坐标系中不变的直流量，有利

于控制器设计的计算分析。派克变换矩阵如下



coscos(120)co（s120）





2

P-sin-sin（-120）-sin（120）





3



111





222

下

。。

。。

（2-13）

因此可得电机侧变流器在两相旋转坐标系下的电压函数,电流函数,以及开关函数如



E

d



E

x







EPE

qy



（2-14）



EE





z0





ii

dx







（2-15）



iPi

qy





ii





z0





SS

dx







（2-16）



SPS

qy





SS





z0



由上式得电机侧变流器在两相旋转坐标系下的数学模型为



di

d



LRiELi-u

ggddgdd

dt







di

q

RiELiuL

gqqgqqg



（2-17）



dt





dU

d



C1.5(SiSi)i

dt

ddqqL



2.5 变流器直流侧电容数学模型

直流侧电容存储能量的表达式为

1

2

WCU

d

（2-18）

2

根据图（2-1），假设P为风力发电机发出的有功功率，P为电机侧变流器向直流

tc1

侧输入的有功功率，Pc为直流侧向电网输入的有功功率，P为储存在电容中的能量，P

2co

为网侧变流器流入电网的有功功率。由式（2-16）可得P的表达式为

c

7

2

dw1

dU

d

PC

c

（2-19）

dt2dt

因为P=P-P,可得变流器直流侧的数学模型为

cc1c2

（vivi）P1.5

rdrdrqrqc1







（2-20）

P1.5（vivi）



gdgdgqgqc2



3 直驱式风电机组的控制策略

3.1空间矢量脉宽调制技术

变流器的调制方法有很多种，比如脉冲宽度调制（PWM），正弦脉宽调制（SPWM），

空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）。本文介绍的是SVPWM调制方法，SVPWM不像传

统的SPWM方法那样从电源角度出发，来生成可调频调压的正弦电源。SVPWM法将逆

变系统和异步电机作为一个整体来考虑，这样模型也比较简单，便于微处理器的实时控制。

SVPWM的主要原理是以三相对称的正弦波电压供电时三相对称电动机定子磁链圆

作为参考标准，在三相逆变器8种开关模式间进行切换，从而形成正弦波。变流器的三相

全桥是由六个开关器件构成的三个半桥（如图3-1）组成，这6个开关组合在一起的模式

有8种状态，其中000，111（三个上桥臂或三个下桥臂闭合）在电机驱动中不产生有效

的电流，被称为零矢量。其他6种状态被称为有效矢量。它们将360的电压空间分成6

。

个扇区，每个扇区60，利用6个有效矢量和两个零矢量可以组合成360内任何矢量如图

。。

（3-2）。

当需要合成某一矢量时先将这一矢量分解成相近的两个单位矢量，如图（3-2）中的

U，然后用这两个单位矢量去表示，而每个单位矢量作用的大小用作用时间大小进行表

rel

示。所需要的电压矢量可以被单位电压矢量通过不同时间比例合成，故保证了生成的电压

波形近似正弦波。

图3-1 变流器模型

图3-2 空间扇区

8

由于永磁发电机在驱动时，矢量方向是在不断改变的，故我们需要不断计算矢量作用

时间。为了便于计算机处理，一般采用每0.1ms计算一次。故须算出0.1ms内两个单位矢

量的作用时间。一般情况下，两个单位矢量的时间总和小于0.1ms，故利用零矢量在剩余

时间插入。这样子合成的电压波形近似正弦波。

3.2 PWM变流器的控制策略

关于PWM变流器的控制方式通常包括以下几个方面：固定定子电压控制，最大转矩

控制，发电机单位功率因数控制，网侧变流器有功无功控制策略。

(1)固定定子电压控制：一般采用PI调制器控制直流电压，采用PI控制器调制为了防

止由于发电机转速过快引起的过电压，使其保持在额定值。这个控制策略将定子电压矢量

作为参照系，d 轴的方向与定子电压矢量方向一致，这也就表示有功功率取决于定子电压

参照系下的定子电流的 d 轴分量，无功功率取决于定子电流的 q 轴分量。这也说明定子

电流的 d 轴分量可以用来控制发电机发出的有功功率，而 q 轴分量可以调节定子电压，

使其始终保持在额定值。这种同时控制发电机的有功功率和定子电压的方法，最大优势是

让变流器和永磁发电机的工作电压一直在额定值以下，假如PWM变流器的交流电压和直

流电压比为定值时，这个方法更具优势。因为定子电压被限定在额定值以下，故电机转速

过快时，变流器部分的电压也不会有过高和饱和的情况出现。但是这种控制方法也有缺点：

1）变流器必须通过增加额定容量来帮发电机吸收无功功率；2）在网侧变流器应用该策略

时，必须对直流电压以及无功功率进行控制。

(2)最大转矩控制：这种控制方法的主要原理是要尽可能将定子交流电流全部来产生

电磁转矩，即是在两相旋转坐标系下控制电机侧PWM变流器使i=i，i=0。此时公式（2-8）

tqd

可以写成如下形式：

3

T-Ni

epsqf



(3-1)

2

此时发电机产生的无功功率和有功功率分别如下

3

Q-ui

gsdsq

(3-2)

2

3

(3-3)

Pui

gsqsq

2

通过定子电流全部产生电磁转矩的控制策略，发电机的利用率达到最高。通过式

（3-2）可知产生最大电磁转矩的同时，发电机吸收无功功率。而这个无功功率就是电机

侧变流器通过增加额定容量来提供的。故电机侧变流器的要求是采用主动可控型变流器。

(3)发电机单位功率因数控制：这个控制策略在使用时，主要通过调整电机侧变流器

来控制发电机发出的有功功率和无功功率，这个方法在控制发电机方面是比较常见的。该

方法的控制过程在采用两相旋转坐标系下，使发电机在不变的功率因素下工作。在两相旋

转坐标系下，可以通过控制定子电流的q轴分量来调节有功功率，通过控制定子电流的d

轴分量来调节无功功率。这种方法的特点是可根据风轮输入功率的不断变化情况来调节有

功功率的输出，从而实现了对风功率的实时跟踪。与此同时，发电机可以补充自身所需的

9

无功功率。与上面两种控制方法相比，这个方法最大的优点在于变流器的额定容量在一般

情况下不用增加。但是缺点也是显而易见的，发电机的定子固定电压就不能控制了，于是

易发生发电机电压由于转速过快而产生的过压合变流器电压饱和。由于电网侧的变流器提

供给电网的无功功率，与电机产生的无功功率是相互独立的，故没必要对发电机进行无功

控制。发电机功率因素法运用在网侧变流器上时，其思路与上述相同，在两相旋转坐标系

下，通过控制定子电流的q轴分量来调节有功功率，通过控制定子电流d轴分量来调节无

功功率。

(4)网侧变流器有功无功控制策略：在直驱式风力发电系统中，与电网直接相连是网

侧变流器，故控制网侧变流器效果明显。因为电机侧产生的无功功率要输入到电网必须通

过控制网侧变流器。发电机产生的有功功率要输入到电网和直流链电压关系密切，有功功

率想完全输入电网只有在直流链电压稳定的条件下成立。理想情况下，输入变流器直流侧

的功率等于变流器交流侧输出的功率。故控制思路应该对控制有功功率和直流链电压作出

变化，可通过调节网侧变流器来改变输入到电网的有功功率，通过调节机侧变流器来使直

流链电压稳定。这个控制方法最大的特点在于电网若发生故障，系统自我的调节能力，因

为电机侧变流器和网侧变流器控制分工独立，因此该方法是最适合直驱式风力发电系统

的。

3.3 电机侧变流器控制策略

根据上述四种矢量控制策略各自的特点，本文将使用的策略是固定定子电压控制策

略。对发电机定子电压和直流链电压同时进行控制，使这两个电压都保持在他们的额定值。

这样可以避免机侧变流器的过电压、变流器饱和效应以及直流链的电压震荡。

由能量守恒定律可知，在理想情况下（忽略发电机损耗），永磁发电机发出的功率等

于风轮捕获的能量。但是由2.2节可知在桨叶节距角一定时，若想取得最大的风能利用系

数，存在一个最佳的叶尖速比。故显而易见，若想使风轮获得最大的风能，应对风力机实

施实时转速监测，控制其实现随风速变化而变化，让风轮保持在最优叶尖线速度，从而获

得最佳叶尖速比。

电机侧变流器的控制具体的方法，是采用双闭环控制法。发电机的转速由外环控制，

内控制环控制发电机电流的 d、q 分量。在定子电压参照系下，发电机发出的有功功率，

以及直流链电压都由定子电流的 d 轴分量进行控制，定子电流的 q 轴分量用来控制发电

机定子电压。控制原理为利用锁定相位的环路，测得发电机转速、定子电压和定子电压间

的矢量角。经过派克变换，获得定子电流的d轴分量和q轴分量以及电压向量。采用定子

电压参考系时，定子电压与电压的 d 轴分量相等，因此以发电机额定电压作为定子电压 d

轴分量的参照值。

由图（2-1）可知直驱式风力发电机的结构，永磁发电机与风轮直接相连，这种结构

会出现在风力突变时、电力系统中负载变化时、电网故障时，引起风力发电系统震荡。问

题出现在永磁发电机，永磁发电机中无阻尼绕组。阻尼绕组在电压电流震荡时，会形成阻

尼振荡，起缓冲的作用。永磁发电机不设阻尼绕组的原因如下：1）永磁发电机的极数一

10

般在100极左右，数量比较大，从而极矩角很小，故即便存在阻尼绕组其缓冲效果也不明

显。2）风轮的实际转速是发电机的转速，该转速是电机侧变流器提供频率的参考量，因

此定子磁场和转子磁场之间相对静止，阻尼绕组不能产生感应电势，也不能起缓冲作用。

为了解决突发情况造成的电力系统震荡，需要在永磁发电机提供额外的震荡保护。本方法

利用控制电机侧变流器来起缓冲作用。具体原理是利用PID调节器控制直流侧电压偏差，

从而抑制了波动。图（3-2）为电机侧变流器控制原理图。

图3-2 电机侧变流器控制图

3.4 电网侧变流器控制策略

根据3.2提出的四种矢量控制策略，对于电网侧变流器的控制，本文将使用永单位

功率因数控制策略。这种方法的特点是可根据风轮输入功率的不断变化情况来调节有功功

率的输出，从而实现了对风功率的实时跟踪。使用该控制策略，变流器的额定容量不用增

加。

在两相旋转坐标系下，定子电压d分量，q分量满足以下等式(3-4)



uu

ds



(3-4)

u0



q

其中u是电网电压。

s

由风力机输入到电网的有功和无功分别为



Puiui

ddsd



(3-5)

Q-ui-ui

dqsq



电网侧变流器具体控制方法是采用双闭环控制，两环重叠，其中电流的d轴分量和

q轴分量由电流内环控制。风力机发电机发出的有功和无功功率，由外环控制。在电网没

有发生故障的情况下，电网侧变流器无功功率参考值一般为0，但在电网需要无功补偿的

情况下可以设成一定值。下图(3-3)为网侧变流器控制图，由图（3-3）可知，内环电流控

制中，由上一级PI调制器输出的电流实际值分别与电流分量比较后，输入到下一级PI调

制器，分别得到dq轴的电压信号。该信号可以驱动脉宽调制，从而控制网侧变流器。

11

图3-3 电网侧变流器控制图

由式（3-5）可以看出，风力机输入到电网的有功功率和无功功率，分别由电流d轴

分量和q轴分量决定的。因为风力发电机的直流链电压受输入功率和输出功率的影响，直

流链电压随输入功率的增加而升高，随输入功率的减小而降低。因为电机侧变流器控制直

流链电压，故网侧变流器仅控制功率因素，跟踪电网变化，来控制有功无功功率。

3.5 风轮的桨叶节距角控制策略

由2.2节可知，风轮捕获的风能是由风能利用系数所决定的，并且在叶尖速比不变

的前提下，桨叶节距角越小，风能利用系数越大。故可以利用调节桨叶节距角β来获得

不同的风能利用系数，从而获得最大风能。

在实际控制中，调节桨叶节距角有以下几个作用，当实际风速大于或等于限定风速时，

可通过实时跟踪风速的变化来改变桨叶节距角，从而获得不同的风能，满足永磁发电机获

得的能量与发电机额定功率相等;在各种突发情况导致电网电压降低时，通过减少永磁发

电机产生的功率来平衡直流侧电容的功率，从而不平衡能量可变为永磁发电机转子所需的

势能，而且当发电机转动超速时，可通过调节桨叶节距角来减小风能利用系数，来降低发

电机的转速，防止其超过安全转速；此外，可以通过控制桨叶节距角来实现风电机并网过

程中，快速无冲击并网。

图3-4是桨叶节距角控制的实际过程：实际转速和发电机实际转速对比后，经PI调

节器得到桨叶节距角的一个值β，再通过桨叶节距角的反馈系统从而得到桨叶节距角实际

r

值，其中Ψ表示反馈系统的延迟动作，因为对仿真算例设置参数由要求，一般要限制反

馈系统的动作速度，如果动作速度超过实际，会造成仿真结果的失去现实意义，因为已经

脱离实际情况；但是动作速度过慢，桨叶节距角控制器又没有控制效果。故延迟动作可以

让桨叶节距角控制器更接近实际，更能让仿真结果反映实际情况，也让桨叶节距角控制更

精确。

图3-4 桨叶节距角控制图

4 直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究

风力发电在整个电网规划的中，扮演的角色越来越重要。故我国对风力发电系统的要

12

求也越来越高，因为风电机组脱网对电力系统造成的影响是非常巨大的。新制定的行业标

准和国家标准对风电机组低电压穿越技术有了新规定，突遇故障后在规定的时间范围内，

风电机组要保持并网运行，并提供无功。对于永磁风力发电机组来说，低电压穿越技术的

关键是控制直流侧电压。

4.1 风电并网对电网的影响

通常情况下风电场建在电网末端，而末端的网架结构都很薄弱，故风力机产生的电

能进入电网后，由于风能的不确定因素太多，比如风速，风剪切等等的影响，电网电压会

因此产生波动、谐波、闪变；而且线路会产生过高的热功率；电压暂稳下降；以及容量降

低等问题。风电并网的影响通常分为以下两个方面：

（1）对电网电能质量的影响：外界风速是时时改变的，在突然的较大的风速变化会造

成湍流，风力发电机的产生的功率会因此波动。尤其是风速大幅度的改变超出风力机正常

运行极限时，风机就会进入频繁的起停切换状态,也会导致输出功率的波动,从而电网正常

运行的频率会被波动的功率所干扰，电网中对频率敏感的工作元件的运行会受到极大的影

响，而且风电机并入电网点的电压会因功率波动而变化，表现的特征是电压出现闪变和波

动、电压大幅度降低、电压周期发生时时改变。此外风电机组的元件会产生谐波影响电能

质量，引起的电压畸变破坏了电网的稳定性。

（2）对电网稳定性的影响：因为风力发电机一般位于电网末端，配电网功率单向流动

的规律会因此改变，这点影响不在配电网规划的范围内。因此,随着风电注入功率的增加,

风电场附近局部电网的屯压和相应联络线功率将会超出安全限值,严重时可能引发电压崩

溃，另外,鉴于异步发电机在输送有功给电网的同时也要从电网吸收大量无功,为了补偿风

场无功,需给每台风机装配电容器作为功率因数校正装置,而接入点电压直接影响无功补

偿量大小,当系统电压较低时,无功补偿量骤然下降,反而导致风场需要更多无功,进一步

恶化电网电压水平,严重时会导致电压崩溃。还有风电机并网时会有大冲击电流产生，进

入系统平稳的时间大概要几百毫秒。大容量电网受到的影响较小，但是小容量的电网电压

会在受到电流冲击的瞬间跌落，从而系统里设备的运行变得异常，电网的安全和稳定受波

及。

综上所述，风电对电网稳定造成的破坏不容忽视。

4.2 电网故障对直驱式风电机组的影响

对于双馈式风力发电机，直流侧电压和转子侧电压会因为电网电压突然降低而上升，

因此风电机侧的有功功率和无功功率产生波动；在解决问题后，发电机气隙的恢复需要从

电网侧吸收无功，造成定子机端电压因为电网峰值电流涌入定子而降低。

对于直驱永磁风力发电机，由于全功率变流器的存在，风力机和电网完全隔离，电网

电压突然降低对风力机的影响可以忽略；但也因为变流器最大输出功率受限制，故输入变

流器的功率和变流器输出功率不平衡，直流侧电压因此上升。因此评判风力机低电压穿越

能力的关键便是控制变流器的策略。接下来分析电网故障情况下，直驱式风力电机的运行

13

特点：

在理想情况下，发电机输出的功率等于直流侧的功率，直流侧输出功率等于电网侧得

到的功率。低电压穿越技术的核心是保证直流侧电压稳定，其本质便是输入直流侧功率和

输出直流侧功率保持平衡。当电网电压降低时，电网侧变流器将通过增大输出电流来保证

电网获得的功率不变。当电流超过变流器的范围时，电网得到的功率也便受到限制。与此

同时，永磁发电机运行不受影响，电机侧变流器的正常运行，则显而易见输入直流侧的功

率大于直流侧输出功率，多余的能量将充入直流侧电容，直流侧电压因此升高，器件遭到

破坏。如果对永磁发电机的运行进行控制，降低其输出功率，定子侧的输出功率也会随之

下降，电磁转矩也随之减小，而风轮输入功率不变，导致发电机转子加速，从而桨叶节距

角控制器受到影响风能捕获系数受到影响。

从上述分析可以看出，电网电压的降低对电机侧变流器、永磁发电机、风轮造成影响。

因此，要想减弱电网电压降低造成的影响，只能通过调节直流侧控制方式和调节网侧变流

器的控制方式，从而保证发电机和机侧变流的正常运行，这也是直驱式风力机的优点。由

图(2-1)风力机拓扑结构可知，若要变流器承受更大的流经电流，可增大其容量，来保证在

电网电压降低时电网侧输出功率等于正常运行时的功率，避免直流侧不平衡的情况出现。

另外也可以通过增加直流侧电容量，缓冲不平衡出现的剩余能量。这两种方法适用于电压

降低幅度较小的情况，当电压降低的幅度较大时，必须通过更换大容量的功率器件来解决

问题，但是增加控制上的风险，而且成本也增加了，故在严重故障的情况下不适用。

在3.4节电网侧变流器的控制策略中提到，直流侧电压是由电压外环控制。但是在电

网电压降低幅度过大导致电流超过变流器极限值时，电压外环控制策略便会失效。而且网

侧变流器电压外环的调节只在直流侧电压变化时才会被激发。当电机侧瞬时功率变化超前

电网侧的瞬时功率变化时，直流侧电压将波动。此时就需要额外的装置配合传统的双闭环

控制来减小直流侧电压波动，便是本文的重点撬棒电路。

4.3 撬棒保护电路的原理

本节将对撬棒电路的保护进行归类，分析其工作原理，比较不同方案的优缺点。

4.3.1 定子侧撬棒电路的保护

图（4-1）为定子侧撬棒电路拓扑图，由图可以发现永磁发电机定子侧与装有功率开

关的耗能电阻相连接。这种耗能电阻消耗过剩的能量，来限制输入直流侧的功率的方案，

在风速较大的情况下适用。同样在电压降低的情况，也可以利用耗能电阻消耗过剩的能量，

保证输入和输出功率平衡。切除故障后，必须马上断开耗能电阻，恢复风力发电系统运行。

这种保护方法虽然结构简单，但是没有将发电机和故障完全隔离开来。但是该方案依旧适

用于小功率风力机，在风速突然增加过大时的保护。

14

图4-1 定子侧加耗能电阻的撬棒电路

4.3.2 电网侧撬棒电路的保护

图（4-2）是电网侧撬棒电路拓扑图，在风电机和电网之间并联了一个负载，从而负

载和风电机形成一个单独的小系统。在电网正常运行时，风电机先给负载供电，而剩余的

电能进入电网。在电网电压降低时，断开电网和风力机的连接，风力机只提供的功率给负

载，从而避免了电压不平衡的情况出现；电网电压恢复正常后，开关闭合，风力机继续给

电网提供功率。

虽然这个方案需要的硬件较少，不用考虑成本问题，但是选择负载是比较棘手的，只

有适合的负载才能和风力机构成一个单独的系统，而且要实现在两个状态下顺利切换的控

制策略比较复杂。

图4-2 电网侧的撬棒电路

4.4 直流侧撬棒电路的保护

在上述的两种保护方案外，显而易见在直流侧加入撬棒电路也是可取的，直流侧的

保护通常有两种形式：直流侧并联耗能电阻和外加储能设备。

（1）并联耗能电阻的撬棒保护由图（4-3）可以看出直流侧电容并联耗能电阻，当电

网正常运行时，撬棒电路不工作；当电网电压突然降低导致功率不平衡时，耗能电阻投入

使用来消耗多余的能量，直流侧的电压因此稳定。由图（4-3）我们还可以看出耗能电阻

与高压母线直接相连，故必须串联一个高压负载。由于高压负载的容量很大，并且散热也

是要解决的问题，成本引起上升了，但是优点还是十分明显的。

图4-3 直流侧并联撬棒电路

15

（2）外接储能设备的撬棒保护：由图（4-4）可以看出直流侧电容外接储能设备，接

通电容和储能设备的器件具有双向流通能量的特点。当电网电压突然降低时，过剩的能量

流进储能设备，避免功率不平衡造成的直流侧电压波动；并且在直流侧电压过低时，储能

设备可利用储存的过剩能量给电容供电，能量循环利用。

图4-4 外接储能设备的撬棒电路

4.5 基于并联耗能电阻撬棒保护的改进

传统消耗能量的控制方法有（1）滞环判断，即直流侧电压超过范围时，耗能电阻投

入使用；当直流侧电压低于范围时，耗能电阻切除。这个策略会导致电压波动。（2）通

过PI调节器，得到直流侧电压的导通占空比。这两种方法虽然有简单、反应快的特点，

但是判断条件只有电压，再加上电压外环控制会导致直流侧电压波动，电容寿命受到影响。

为了有效控制直流侧电压的波动，使其平稳，本文将在耗能电阻回路侧增加一个控制器，

该控制器以直流侧的输入输出功率偏差为判断依据，来投入和切出卸载回路。投入耗能电

阻时，通过PI调节器得到功率器件的导通占空比，而直流侧电压在功率控制器遇突发情

况时，作为辅助判断条件。原理图如图（4-5）

图4-5 耗能电阻回路控制器原理图

功率控制方程为

2

1

dU

d

PPPC

inout

（4-1）

2dt

其中P为输入直流侧的功率，P是输出直流侧的功率。C为直流侧电容，U是直流侧

inoutd

电压。

功率器件的导通占空比公式为

(dU)

d

2

P

（4-2）

R

d

其中R是耗能电阻，d为功率的导通占空比。系统正常时，△P和U在正常范围内波动，

dd

d=0，耗能电阻没有工作；当△P超出正常范围时，耗能电阻回路马上投入工作，当U

d

16

超出极限值时，耗能电阻完全投入工作，此时d=1。图（4-5）为添加控制器的耗能电阻

回路原理图。

控制器是基于数字信号处理器实现的。通过数字信号处理器计算△P即功率偏差，

在系统正常运行的状态下，输入和输出功率有小波动，故耗能电阻不会投入使用，只用网

侧变流器来控制直流侧电压即可。当直流侧电压超出控制范围时，耗能电阻投入使用。功

率偏差判断依据是1）△P小于或等于△P，耗能电阻不工作；2）△P大于△P，耗

maxmax

能电阻开始工作对△P进行PI调节，给功率器件输出脉冲信号，消耗直流侧过剩的能量；

在△P恢复到正常范围时，耗能电阻停止工作。直流侧电压的判断起辅助作用，当电压超

出直流电压极限值时，耗能电阻完全投入使用，在直流电压降到正常时卸载回路停止工作。

输入和输出功率的获得，一般选择采集直流侧电压和电流的方法，△P=U（i-i）即直

dinout

流侧电压与电流差乘积等于功率差。由于通过功率差判断需要用到数字信号处理器和信号

调理电路，系统很复杂，本文在进行MATLAB仿真时，直接判断直流侧电压来降低系统

复杂程度。当直流侧电压差进入耗能电阻回路控制器时，先判断电压差来确定耗能电阻工

作与否，电压差再经过控制，确定功率器件导通占空比。

PI

4.6基于MATLAB的仿真分析

为了功率因素控制，以及添加功率控制器的耗能撬棒电路的准确性，利用MATLAB

进行仿真分析，仿真过程中，机侧变流器的控制同3.3节所述。

图4-6 仿真矢量控制图

以功率偏差作为判断条件的卸载回路控制器需要DSP、信号处理器等额外硬件的支

持才能实现对卸载电阻投切的控制,所以本文在进行MATLAB仿真时,为了降低系统的复

杂度而直接以直流侧电压作为判断条件。当直流侧电压偏差进入能量卸载回路控制器后,

先经过电压判断以确定卸载回路的工作状态,偏差经过电压判断后进入PI调节,确定能量

卸载回路中功率器件的导通占空比。

MATLAB模型的仿真参数如下：直流侧电压上限1200v，频率50Hz，开关频率1kHz，

低压侧730v，耗能电阻20Ω，网侧变流器无功功率参考值为0，输出电流极限为额定电流

17

的1.5倍，电压降低幅度50％持续0.2秒，总仿真时间0.6秒。分为加了功率控制器和未

加功率控制器的情况仿真，对结果进行分析。

（1）未加功率控制器风力机仿真模型为：

图4-7 未加控制器的仿真模型

未加控制器的仿真波形

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

00.10.20.30.40.50.60.7

a) A相电网电压

b) A相输出电流

18

c)有功功率

d)直流侧电压

图4-8未加控制器的仿真图

由图（4-8）a，b知在0.2s到0.4s间电网电压降低50%，电流在0.2s增大为4倍额

定值，且在故障结束时电流波动比正常波动还要大。由图（4-8）c可知在有功功率在电

网电压降低和电压恢复时波动明显。由图（4-8）d可知直流侧电压波动也很明显，故障

刚发生时，电压迅速上升，在故障结束后恢复正常运行的时间较长。

（2）添加功率控制器的风力机仿真模型

图4-9 添加控制器的仿真模型

添加控制器的仿真波形图

19

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

00.10.20.30.40.50.60.7

a) A相电网电压

b）A相输出电流

c) 有功功率

20

d) 直流侧电压

图4-10添加控制器的仿真图

由图（4-10）a，b可知电网电压恢复正常后，A相输出电流波动比未加控制器的电

流波动小，为额定电流值的3倍左右，由图（4-10）c可知有功功率波动明显小于图（4-8）

c，最大值为额定值的1.2倍左右，且恢复正常的时间明显缩短，由图（4-10）d发现电网

电压降低时直流侧电压波动显著减小，电网电压恢复正常后，直流侧电压恢复正常时间大

幅度缩短，由此可见功率控制器的作用明显。

5 总结与展望

本课题只是对变流控制策略以及Crowbar电路保护方案在实现低电压穿越时的工

作原理及方式进行了分析。但在风电机组实际运行过程中,当电网电压跌落持续时间较长

时,会造成Crowbar电路中产生的大量热量难以有效释放,此时变流系统已经无能为力,需要

依靠其他控制策略(如变桨距)来减小风电机组的输入功率。但关于变桨距策略应如何参与

系统整体的控制与配合,以及实际工况参与调控的效果如何等课题,在本文中没有进行研

究。本文所运用的控制方法存在单一性，控制效果存在一定的缺陷，尤其在网侧变流器

低电压穿越其间输出功率因数的设定上使用了常量，没有根据电网电压电流的变化而对功

率因数进行调节，如何将多种控制方法和策略协同使用是将来的一个研究方向。

21

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