一种新型的永磁同步风力发电机并网系统.pdf

第４１卷第１４期２０１３年７月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶ０１．４１ＮＯ．１４Ｊｕｌｙ１６．２０１３一种新型的永磁同步风力发电机并网系统张明锐１，陈洁，王之馨，王少波２欧阳丽（１．同济大学电子与信息工程学院，上海２０１８０４；２．上海环保工程成套有限公司，上海２０００７０３．上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海２０００７０）摘要：提出一种基于固态变压器的永磁同步风力发电机并网系统。在并网变流器中加入高频变压器，实现整流和逆变部分的电气隔离，高压侧变流器的输出电压达到１０ｋＶ，从而减小了并网电流。在直流侧增加超级电容储能装置，使风电机组具备较强的低电压穿越能力。对系统的关键控制部分进行分析设计，建立了系统仿真模型。研究结果表明，所设计的新型风电并网系统能够明显减小并网冲击电流，并具有很强的低电压穿越能力，是一种有效的永磁同步风力发电机并网方法关键词：风力发电；永磁同步发电机；固态变压器；最大风能跟踪；低电压穿越；超级电容Ａｎｅｗｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｗｉｎｄ－・ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｇｒｉｄ－－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍ—ＺＨＡＮＧＭｉｎｇｒｕｉ，ＣＨＥＮＪｉｅ，ＷＡＮＧＺｈｉ．ｘｉｎ，ＷＡＮＧＳｈａｏ．ｂｏ，ＯＵＹＡＮＧＬｉ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ￣ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＣｏｍｐｌｅｔｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７０，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｅｎｔｒａｌＡｃａｄｅｍｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｗｉｎｄ－・ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｇｒｉｄ・－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｅｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉＳａｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｔｏｒｅａｌｉｚｅａｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｓｏｌａｔｉｏｎ—ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃａｎｂｅ１０ｋＶａｎｄｔｈｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｃｕｒｒｅｎｔｉＳｒｅｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓｔｏｒａｇｅｄｅｖｉｃｅｉｓａｄｄｅｄｔｏｔｈｅＤＣｂｕｓ，ＳＯｔｈａｔｔｈｅｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｎｄｉｔｓｋｅｙｃｏｎｔｒｏｌｓｅｇｍｅｎｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｍｐａｃｔｃｕｒｒｅｎｔｉｓｓｍａｌｌａｎｄｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＬＶＲＴｉｓｓｔｒｏｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓａｋｉｎｄｏｆｖａｌｉｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｏｃｏｎｎｅｃｔｔｏｔｈｅｇｒｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ；ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈ；ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１６７４．３４１５（２０１３）１４．０１４１．０８０引言目前工业上广泛应用的兆瓦级变速恒频风力发电系统所采用的发电机主要有两种：双馈式异步发电机（Ｄｏｕｂｌｙ．ＦｅｄＩｎｄｕｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＦＩＧ）和直驱式同步发电机（Ｄｉｒｅｃｔ．ＤｒｉｖｅＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ—Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＤＳＧ），后者又分为绕线式同步发电机（ＷｏｕｎｄＲｏｔｏｒＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＧｅｎｅｒａｔｏｒ，ＷＲＳＧ）和永磁同步发电机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＧｅｎｅｒａｔｏｒ，ＰＭＳＧ）。相比于采用ＤＦＩＧ的风电系统，直驱式风力发电机组变速范围更宽，而且省去基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（０８００２４１００１２）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（０８００２１９１６９）了故障率高的齿轮箱，机械可靠性更好，发电机与电网之问电气隔离，安全性也大大提高。而永磁式同步发电机采用永磁体励磁，不需要励磁绕组及电刷和滑环，在简化机械结构的同时，又提高了发电机的效。而且，采用稀土永磁可增大气隙磁密，缩小电机体积，又提高了电机的功率密度。近年来，随着高性能永磁材料制造工艺的提高和高性能稀土永磁材料钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）在风电机组中的应用，ＰＭＳＧ的性价比进一步提高。因此本文的风电系统选择ＰＭＳＧ作为发电机。直驱式永磁同步风力发电机一般采用多极低速结构，其典型并网电路主要有三种形式：（１）不控整流器＋直流侧电容＋并网ＰＷＭ变流器［］；（２）不控整流器＋Ｂｏｏｓｔ电路＋并网ＰＷＭ变流器【２】；（３）定子ＰＷＭ变流器＋直流侧电容＋并网ＰＷＭ变流电力系统保护与控制器Ｊ。第一种方案结构简单，成本低，缺点是存在定子电流谐波，发电机侧功率因数偏低，并网电压较低。第二种方案需要通过直流升压环节将直流母线电压提高并稳定在合适的范围内，从而提高并网电压；为了提高直流升压比，文献［７］采用三相ｚ源电路，文献［８］采用改进的ｓＬ．ｚ源Ｂｏｏｓｔ电路，直流升压比有所提高，但是仍然受到一定限制。第三种方案在整流部分采用ＰＷＭ整流技术，控制方法灵活，有利于实现对永磁电机的最大转矩、最大效率、最小损耗控制，不足之处是控制复杂、ＩＧＢＴ数量多、成本较高，且并网电压仍然较低，需通过电力变压器升压再并网。在风电系统中，电力电子变换器是能量控制及变换的核心部分，其主要功能是实现电能传递和电压变换。而近年来美国北卡大学兴建的新型智能微网示范工程ＦＲＥＥＤＭ（ＦｕｔｕｒｅＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｅｒｇｙＤｅｌｉｖｅｒｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＦＲＥＥＤＭ）所提出的固态变压器（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＳＳＴ），是一种通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型变压器，具有优于传统电“力变压器的控制性能。本文提出的基于固态变压器结构的风电并网系统是在前述第三种并网结构的基础上，加入了包含高频变压器的直流升压环节，从而省略了原有的升压变压器。并且为了适应新的电网规则，增强风电并网系统的低电压穿越能力，在直流侧设置超级电容储能装置。下面对该系统各部分的工作原理及运行性能进行研究和探讨。１基于固态变压器的风电并网模型１．１模型整体结构如图１所示，自然界的风能通过风力机转换成机械能，驱动永磁同步发电机，输出电能。发电机定子连接至ＰＷＭ变流器，将发出的交流电整流为直流电，再通过一个单相全桥变流器调制成高频交流电，然后通过高频变压器变换升压，再经单相全桥变流器还原为直流，并网ＰＷＭ变流器将直流电转换成恒频恒压的交流电输送至电网。直流侧的超级电容用于提高风电系统的低电压穿越能力。由图１可以看出，在常规的风电系统变流器结构中加入高频变压器部分，实现整流和逆变部分的电气隔离，使并网电压大幅升高，由于采用高频变压器结构替换常规的工频电力变压器并网，相当于将升压变压器整合到变频器中，电压升高后电流减小，发热损耗降低。箍一ａ啊ｄ豳：图１基于固态变压器的永磁同步风力发电并网系统—Ｆｉｇ．１Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ１．２风力机模型风力机从风能中捕获的机械功率Ｐｍ和机械转矩的表达式为＝１７￣Ｒ２ｖ３ｃ（，）：互ｃ＿ｏＲ——／Ｌ＝∞式中：Ｐ为空气密度；Ｒ为风轮半径；ｖ为风速；为风力机转速；为叶尖速比；为桨距角；Ｃｐ为风能捕获系数。风力机的功率～转速特性曲线如图２所示。１￡．．－－Ｔｒ－－，．．风速／：＼１２ｍ／ｓ／Ｉ．＼１一＼＿ｌ０１２３４ｃｏ／（ｒａｄ／ｓ、图２风力机的功率．转速特性Ｆｉｇ．２Ｐｏｗｅｒｗｉｔｈｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ风力机的功率系数ｃｐ是风力机捕获的风能占风能总量的比例，其表达式为Ｃｐ（２，（一ｃ３）ｅ一４＋Ｃ６（２）：！一ｔ七ｏ．ｏｓｐ西七１理论上ｃｐ的最大值约为０．５９３，但实际上由于风向波动及机械损耗等因素，其最大值只能达到０．４左右。１．３永磁同步发电机模型永磁同步发电机的矢量图如图３所示，以转子磁通为参考坐标系，则电压和电磁转矩方程为张明锐，等一种新型的永磁同步风力发电机并网系统一１４３．图３永磁同步电机矢量图Ｆｉｇ．３ＶｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒＴｅ＝÷‘—ｐ［ｇｔｉｑ＋／ｓｄｉ。ｑ（ＬｄＬｑ）］（４）发电机输出有功功率和无功功率为Ｉｓｄｌｓｄ＋ｓｑｚｓｑｌＱｓ＝ｓｑｓｄ一ｓｄｓｑ式中：甜。。为定子电压的ｄ、ｑ分量；ｉｓｄ、ｉ。为定子电流的ｄ、ｑ分量；Ｌ、Ｒ。为定子电感、电阻；０９。为发电机电转速；０９为发电机机械转速；Ｐ为发电机的极对数；为永磁体的磁链。１．４直流升压环节模型如图４所示，直流升压单元由单相全桥逆变电路、高频变压器和单相全桥整流电路组成。在变压器中，磁通密度Ｂ的表达式为１．５直流储能装置与ＬＲＶＴ在２００９年ｌ２月２２日颁布的国家电网公司企业标准ｅ．ＧＤＷ３９２．２００９《风电场接入电网技术规定》第８章中规定，风电场低电压穿越要求如图５所示。１００９Ｓ０．２０．００００．６２５２．０００ｓ图５风电场低电压穿越要求Ｆｉｇ．５Ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｆａｒｍ图中，横坐标为电压跌落时间，纵坐标为跌落深度。当电网电压跌落情况在曲线上方时，风电机组必须保持并网运行；当０．６２５Ｓ后电压跌落情况在图示曲线下方时，允许风电机组脱网。一般来讲，实现低电压穿越功能的主要方法有：（１）改进ＰＷＭ变流器的控制方法Ｌ１２Ｊ；（２）在直流侧增加ｃｒｏｗｂａｒ保护电路［１３－１４］；（３）在直流侧和电网之间增加辅助变流器。其中ｃｒｏｗｂａｒ电路又具有多种结构和实现方式。本文以超级电容储能电路为例构建ｃｒｏｗｂａｒ电路，来实现低电压穿越功能。即击ｃｏｓ（２（６）２系统４式中：／为变压器的工作频率；Ａ。为铁芯截面积；Ｎ为绕组匝数。由式（６）可见，当磁通密度一定时，。与ｌ厂成反比，如果提高变压器的工作频率就可以提高铁芯的利用率，大幅减小变压器的体积并提高其整体效率㈣。图４直流升压环节拓扑结构图Ｆｉｇ．４ＴｏｐｏｌｏｇｙｏｆＤＣｂｏｏｓｔｓｅｇｍｅｎｔ直流升压单元的核心技术就是高频变压器的研制，而高频变压器研究的关键技术是磁性材料。目前，开发高性能的纳米超微晶合金材料是该领域的热门研究内容，这也为高频变压器的工程化提供了可行性１０－１１］。２．１最大风能跟踪最大风能跟踪运行于ＣＤ恒定区，即风速低于额定值的区域。由风能捕获系数的计算式（２）可∞知，只要令转速满足最佳叶尖速比２－－２，即可获得当前风速下对应的最大功率。此时Ｇ＝Ｇ，风力机获得的最大功率为…：兀Ｒ２Ｖ３Ｃ…：（７）ｚＤｔ一当风速变化时，由风速和叶尖速比曲线计算得到发电机的转速参考值，用于发电机转速控制。２．２发电机侧变流器的控制发电机侧变流器控制发电机的电磁转矩和电磁功率，实现最大风能跟踪。若永磁体采用径向表面式分布，ｄ。，则发电机的电磁转矩方程为（８）调节定子电流的ｑ轴分量ｉ。即可控制电磁转矩和电磁功率Ｐ。。当ｌ￣ｄ＝Ｏ时，电磁转矩中只有转矩分量，无磁阻转矩，定子磁动势矢量与永磁体磁电力系统保护与控制场矢量正交。电枢反应没有直轴分量产生的去磁效应，电磁转矩与电枢电流成正比，定子电流与转子永磁体磁通解耦。控制系统可以获得很宽的调速范围。采用转速外环，电流内环双闭环控制方式。根据最大风能跟踪算法得到的转速值作为转速环的给定值，与发电机转速反馈值比较后的差值送入带输出限幅的ＰＩ控制器，输出定子ｑ轴电流的给定值ｆ。。。定子ｄ轴电流的给定值ｆｓｄ设为０。根据永磁同步发电机的电压和电磁转矩方程式（３）、式（４），可得变流器的双环解耦控制框图如图６所示。图６发电机侧变流器的解耦控制图Ｆｉｇ．６Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ２．３直流升压环节的控制根据图４所示的直流升压环节拓扑结构可知，由永磁同步发电机侧的ＰＷＭ整流单元输出的低压直流电先通过逆变器调制成高频方波，再通过高频变压器耦合到副方（升压），然后通过一个由同步信号控制的整流器还原成高压直流。其中的单相逆变器和整流器均采用ＰＷＭ控制，驱动信号为占空比为５０％的互补触发脉冲。高频变压器主要起到电气隔离和电压等级变换的作用。直流升压环节在结构上完全对称，电能可在其中双向传输。该环节采用开环控制，可以看作一个比例环节，则有Ｕｄ。＝ｋＵ１（９）式中，ｋ为高频变压器变比。此外，增加软开关电路可以实现零电压开通和关断，提高工作频率，减少开关损耗。２．４电网侧变流器的控制电网侧变流器的作用是：（１）保持直流母线电压恒定；（２）实现有功功率和无功功率的解耦控制。电网侧变流器模型为ｃｄ￣／ｄｃ＝３（＋ｆ）一ｆ。（１１）“式中：ｇｄ、甜鹊为电网电压ｇ的ｄ、ｑ分量；ｉａ、ｉｑ∞为并网电流的ｄ、ｑ轴分量；为电网角频率；、为开关函数。风电机馈入电网的有功和无功功率为令ｄ轴定向于电网电压矢量，Ｕｇｄ＝ｇ，／￣ｇｑ＝Ｏ，则功率表达式为（１３）“Ｑｇ＝３ｇｄｑ由式（１３）可见，控制ｄ轴和ｑ轴电流即可分别控制有功和无功功率。将直流侧电压误差送入ＰＩ控制器，输出，ｄ作为参考值，控制输出有功功率，无功功率设定为０，使系统运行在单位功率因数状态。变流器的双环解耦控制框图如图７所示。图７电网侧变流器的解耦控制图Ｆｉｇ．７Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｇｒｉｄ２．５直流侧储能的控制超级电容是一种无污染高性能的储能装置，采用活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构，将电能存储在双电层中。作为一种理想的短期储能元件，超级电容具有功率密度高、大电流充放电能力强、能量转换效率高、循环使用寿命长等优点。采用超级电容的储能电路如图８所示。图８采用超级电容的ｃｒｏｗｂａｒ电路Ｆｉｇ．８Ｃｒｏｗｂａｒｃｉｒｃｕｉｔｕｓｉｎｇｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｙ．ｑ卜一，“．蜘舯３——２３２＝＝张明锐，等一种新型的永磁同步风力发电机并网系统一１４５．由图示电路可得电压和电流的回路方程式为ｆ鲁…ｃ。电网电压跌落时，由于电感的作用，并网电流不能突变，因此并网功率大幅减小。而发电机输出的功率此时仍保持原值，这样会造成主电路中直流电容两侧的输入输出功率不平衡，两侧的功率差值为１．．２“ＡＰ＝一Ｐｇ＝ｄ。ｉｄ＝÷ｃ（１５）Ｕｆ双向半桥ｂｕｃｋ．ｂｏｏｓｔ电路的工作模式由功率的不平衡状况决定。稳态时，Ｐ＿尸，电路不投入工作；当Ｐ。＞Ｐ时，触发，工作于ｂｕｃｋ模式，超级电容吸收能量；当Ｐ＜时，触发，工作于ｂｏｏｓｔ模式，超级电容释放能量。为了充分利用变流器的容量，将电流限制在１．５ｐ．ｕ．【】。而直流电压越平稳则对发电机的运行越有益，因此将电容电压限制在尽可能接近１ｐ－ｕ．。３仿真分析３．１系统参数设置在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建如图１所示的新型永磁风电并网系统模型，仿真分析系统各部分的运行情况。系统主要参数设置如表１。表１风电系统参数Ｔａｂｌｅ１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ３．２风速突变时最大功率跟踪及并网性能设系统在风速ｖ＝８ｍ／ｓ时起动，起动后运行在额定风速ｖ＝１２ｍ／ｓ下，在ｔ＝－０．７Ｓ时风速下降至１０ｍ／ｓ，在ｔ＝１．２Ｓ时风速恢复至额定值，仿真时间为２Ｓ。仿真结果如图９～图１１所示。Ｏ３４Ｏ３２Ｏ３ＯＯ２８０２６Ｏ２４１．２ｓ风速恢复至额定值０．００４０．８１．２１．６２．０ｔ／ｓｆａ）发电机转速跟踪风速变化ｆｙ／ｆ１Ｉ风ｉ下降ｂ速恢复至葡《定值Ｏ．００４０８１＿２１．６２０ｔ／Ｓ（ｂ）风能利用系数｜ｆ、＼。风速下降。Ｒｌ速恢复至额定值２・２２・０孚蓄１．６１．４ｔ／ｓ（ｃ）发电机的电磁转矩图９随风速变化的转速、风能利用系数和电磁转矩Ｆｉｇ．９Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ，ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｏｒｑｕｅｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｈｅｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｖａｒｉｅｓ由图９（ａ）可以看出，当风速变化时，发电机转速能够准确快速地跟踪风速，以实现最大风能跟踪。由图９（ｂ）可以看出，当风速突变时，Ｃｎ有短暂的下降，之后迅速恢复至稳态值０．３３，实现了在最大风能跟踪区域恒定为最大值。】・５０Ｏ７５ｏ００Ｏ．７５１．５０×１０＼１－Ａｎ＼－０Ｏ００．Ｏ５０１００．１５０．２００２５０＿３０ｔ／ｓ（ａ）０￣０．３Ｓ４０Ｏ２０００－２００—４００３２●０９８∞一＼吕一电力系统保护与控制ｌ５００７５ｏ００Ｏ．７５－１．５０×１０＾－＾＾．＾＾，、Ｖ０；｝２ｓ风速Ｉ】扼复垒额定值４ＯＯ２０００§２００４００ｌＩＵＩｌ５１．２Ｏｌ２５１．ｊＵ１．３５１．４Ｕｔ／ｓｒｃ、１ｌ～１４Ｓ图１０并网电压电流单相波形（ａ相）—Ｆｉｇ．１０Ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅ－ｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓ（ｐｈａｓｏｒａ）由图ｌ０可以看出，当风速变化时，并网电流幅值随之变化，基本保持正弦波形，与电网电压同相位。图１０（ａ）、图１０（ｂ）、图１０（Ｃ）分别将０－０．３Ｓ、０．６～０．９Ｓ、１．１～１．４Ｓ的细节图放大显示，用以清楚地观测风电机起动与风速突变时刻的并网电流变化情况。由此可知，采用高压并网方式，并网电流的幅值大大降低，而且在风速变化时，电流的变化很平稳，从而减小了对电网的冲击。×１０／／ｆ一、．风速下降扎速恢复至额定值一０．０Ｏ４Ｏ８１２１６２．０ｔ／ｓｆａ１并网有功功率…－－－。：０００４０．８１２１．６２０ｔ／Ｓｆｂ１并网功率数图１１并网有功功率及功率因数—Ｆｉｇ．１１Ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ由图１１（ａ）可以看出，当风速分别为１２ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ时，输出功率接近理论值ｌＭＷ、５７９ｋＷ。由图１１（ｂ）可以看出，风电系统稳态运行后，尽管风速有变化，并网功率因数始终为１。３．３风电系统的低电压穿越性能假设风电系统运行在额定风速下，０．５Ｓ时并网点的电压跌落至２０％额定值，１．１２５Ｓ时电压开始逐渐恢复，２．５Ｓ时电压恢复至９０％额定值，仿真时间为３Ｓ。１）风电系统直流侧未加保护措施时，仿真结果如图１２所示。ｌＯＯ・５。一Ｏ５—１．００．００５１０１．５２０２５３．０ｔ／ｓ（ａ）并网点的电压（ａ棚）跌落情况ｔ／ｓｆｂ）商流侧电压的变化～．一Ｉ：ｌｌ●ｌ１・２５１．Ｏ０ｏ５。ｔ／ｓ（Ｃ１发电机转速的变化厂，二．．．一，一一－＼：电网电压跌落｝辋ＭＦ降由图１２可以看出，并网点的电压按照图５的要求发生跌落，在此期间，直流侧电压上升幅度较大，导致发电机转速大幅上升，电磁转矩大幅下降，影响了发电机的正常运行。出于保护发电机的目的，风电系统需要断网。这样的风电系统不具备低电压穿越能力。２）为了提高风电系统在电网电压跌落时的运行能力，在直流侧增加由超级电容组成的ｃｒｏｗｂａｒ电路，如图８所示。在同样的运行条件下，仿真结果如图１３所示。Ｏ５０５Ｏ１０ＯＯｌ∞０ｕ张明锐，等一种新型的永磁同步风力发电机并网系统ｌ０５１．Ｏ０ｅ０．９０１Ｏ５１．００ｊｏ＿９０１．２５１．００●０．５００００２１吉１晏０一１—２１５ｌ００．５００—０５１．０一１．５ｔ／Ｓｆａ１直流侧电压＼ｉＴ电网电压跌落期间保持稳定ｔ／ｓｆｂ发电机转速【ｔ．ｉ电网电压跌落期持稳定０００．６１２１．８２．４３０Ｕｓ（ｃ）发电机电磁转矩０ｆ电阿电压跌落期间保持稳定０００．６１．２１．８２．４３．０Ｕｓ（ｄ）发电机发出的有功功率０．００．５１．０１．５２．０２．５３０ｔ／ｓ（ｅ）并电流（ａ￣Ｈ）的变化：０．５ｓ电网压跌落至２０％定值３２１．０Ｓ一１—２—３１Ｏ０５ＯＯ－０５一ｌＯｓｆｈ１并网有功功率的变化图１３直流侧增加由超级电容构成的ｃｒｏｗｂａｒ电路（标幺值）Ｆｉｇ．１３ＷａｖｅｆｏｒｍｓｗｈｅｎｔｈｅｃｒｏｗｂａｒｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｙｉｓａｄｄｅｄｔｏＤＣｂｕｓ（ｐ．ｕ．）由图１３可以看出，电网电压跌落期间，并网电流限制在１．５ｐ．ｕ．值以内，储能电路吸收了直流侧的多余能量，使得直流电压保持稳定，发电机的转速和电磁转矩均保持稳定值，风电系统具备了较强的低电压穿越能力，既保护了风电系统，又对电网给予了持续的功率支撑。４结语与展望综上所述，本文将固态变压器的结构应用于永磁风电系统，并在直流侧设置储能装置，得到一种新型的风电并网系统。该系统将先进的高频变压器引入风电系统，从而替换了传统的电力变压器，实现了１０ｋＶ高压并网，同时配合直流储能装置，使系统具有良好的低电压运行性能，仿真研究表明，本文提出的永磁风电并网系统结构合理，控制策略可行，并且性能优良。因此，本文的研究结果为永磁风电系统的高压并网提供了一种构想新颖并且合理可行的方式，为未来直驱式风电系统的并网研究提供了一种新的思路。由于并网电压等级高达１０ｋＶ，而现在商用ＩＧＢＴ模块的最高电压等级一般在６．５ｋＶ左右，因此必须采用串联分压和并联分流来弥补功率器件的不足。而据最新消息，美国已经在研制更高耐压等级（如１５ｌ（、，）的功率器件，这也为文中提出的高压并网方式减小了工程化的难度。永磁发电机的磁通通常认为是恒定的，但由于发电机设计和其他因素的影响，实际运行中磁通可能存在一定的波动，发电机参数也会有一定的偏离，可以通过其他人工智能控制算法，消除这些变化因素的影响，以获得理想的发电机控制性能。此外，风电系统并网后对电网系统潮流的影响和对电网暂态稳定性的影响也可进一步研究。参考文献［１］胡书举，李建林，许洪华．永磁直驱风电系统变流器∞如ＯＯ∞ｌＯＯ．１４８一电力系统保护与控制［２］［３］［４］［５］［６］［７］［８］［９］—拓扑分析［Ｊ］．电力自动化设备，２００８，２８（４）：７７８１．—ＨＵＳｈｕ￣ｕ，ＬＩＪｉａｎ－ｌｉｎ，ＸＵＨｏｎｇｈｕａ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｄｉｒｅｃｔ．ｄｒｉｖｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈＰＭＳＧ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ—Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，２００８，２８（４）：７７８１．ＳｏｎｇＳ，ＫａｎｇＳ，ＨａｈｍＮ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｇｒｉｄ－－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄＡＣ－－ＤＣ－－ＡＣｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅａｅｒｆｏｒｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｃ】／／ＡｐｐｌｉｅｄＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＡＰＥＣ０３．—ＥｉｇｈｔｅｅｎｔｈＡｎｎｕａｌＩＥＥＥ，２００３（１）：１５４１５８．ＣｈｉｎｃｈｉｌｌａＭｏｎｉｃａ，ＡｍａｌｔｅｓＳ，ＢｕｒｇｏｓＪ．Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔ・－ｍａｇｎｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｖａｒｉａｂｌｅ・－ｓｐｅｅｄ—ｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｇｒｉｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００６，２ｌ（１）：ｉ３０－１３５．刘胜文，包广清，范少伟．ＰＭＳＧ无功控制和低电压穿越能力的研究［Ｊ］＿电力系统保护与控制，２０１２，４０（２）：８．１３．——ＬＩＵＳｈｅｎｇｗｅｎ，ＢＡＯＧｕａｎｇ－ｑｉｎｇ，ＦＡＮＳｈａｏｗｅｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｔｈｅｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ—ｒｉｄｅｔｈｒｏｕｇｈｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＰＭＳＧ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（２）：８－１３．蔺红，晁勤．电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，３８（２１）：１８９．１９５．ＬＩＮＨｏｎｇ，ＣＨＡＯＱｉｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｄｅｒｇｒｉｄｆａｕｌｔ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，—３８（２１、：１８９１９５．韩金刚，陈昆明，汤天浩．半直驱永磁同步风力发电系统建模与电流解耦控制研究【ＪＪ．电力系统保护与控制．２０１２．４０（１０）：１１０．１１５．—ＨＡＮＪｉｎ－ｇａｎｇ，ＣＨＥＮＫｕｎ－ｍｉｎｇ，ＴＡＮＧＴｉａｎｈａｏ．Ａｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｈａｌｆ－ｄｉｒｅｃｔｃｏｕｐｌｉｎｇｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（１０）：１１０１１５．李杰，王得利，陈国呈，等．直驱式风力发电系统的三相ｚ源并网逆变器建模与控制【Ｊ】．电工技术学报，２００９，２４（２）：１１４－１２０．——ＬＩＪｉｅ，ＷＡＮＧＤｅｌｉ，ＣＨＥＮＧｕｏｃｈｅｎｇ，ｅｔａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅＺ・－ｓｏｕｒｃｅｉｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｄｉｒｅｃｔ・－ｄｒｉｖｅｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓｏｆＣｈｉｎａ—Ｅ１ｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００９，２４ｆ２１：１１４１２０．—ＺＨＵＭｉａｏ，ＹＵＫｕｎ，ＬＵＯＦａｎｇｌｉｎ．Ｓｗｉｔｃｈｅｄｉｎｄｕｃｔｏｒ—Ｚｓｏｕｒｃｅｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，２５（８）：２１５０－２１５８．—ＺＨＡＯＴｉｅｆｕ，ＺＥＮＧＪｉｅ，ＢｈａｔｔａｃｈａｒｙａＳ，ｅｔａ１．Ａｎａｖｅｒａｇｅｍｏｄｅｌｏｆｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｃ］／／Ｐｏｗｅｒ＆ＥｎｅｒｇｙＳｏｃｉｅｔｙＧｅｎｅｒａｌ’—ＭｅｅｔｉｎｇＰＥＳ０９．ＩＥＥＥ．２００９：１８．［１０］张明锐，刘金辉，金鑫．应用于智能微网的ＳＶＰＷＭ固态变压器研究［ＪＪ．电工技术学报，２０１２，２７（１）：９０－９７．ＺＨＡＮＧＭｉｎｇ－ｒｕｉ，ＬＩＵＪｉｎ－ｈｕｉ，ＪＩＮＸｉｎ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳＶＰＷＭｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｍａｒｔｍｉｃｒｏ．ｇｒｉｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１２，２７（１１：９０．９７．——［１１ＪＢｈａｔｔａｃｈａｒｙａＳ，ＺＨＡＯＴｉｅｆｕ，ＷＡＮＧＧａｎｇｙａｏ，ｅｔａ１．ＤｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＧｅｎ一１ｓｉｌｉｃｏｎｂａｓｅｄｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ［Ｃ］／／ＡｐｐｌｉｅｄＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ—ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＰＥＣ），ＴｗｅｎｔｙＦｉｆｔｈ—Ａｎｎｕａｌ１ＥＥＥ，２０１０：１６６６１６７３．［１２］ＳＨＩＮＨ，ＪＵＮＧＨ，ＳＵＬＳ．Ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｒｉｄｅ—ｔｈｒｏｕｇｈ（ＬＶＲＴ）ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＥＣＣＥＡｓｉａ（ＩＣＰＥ＆ＥＣＣＥ），ＩＥＥＥ８ｔｈ—ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２０１１：９６１０１．［１３］王文亮，葛宝明，毕大强．储能型直驱永磁同步风力发电控制系统［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，３８（１４）：４３－４８．７８．——ＷＡＮＧＷｅｎｌｉａｎｇ，ＧＥＢａｏｍｉｎｇ，ＢＩＤａ・ｑｉａｎｇ．Ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｂａｓｅｄ—ｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｗｉｎｄｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（１４）：４３－４８，７８．［１４］胡书举，李建林，许洪华．直驱式ＶＳＣＦ风电系统直流侧Ｃｒｏｗｂａｒ电路的仿真分析［Ｊ】．电力系统及其自动化学报，２００８，２０（３）：１１８－１２３．ＨＵＳｈｕ￣ｕ，ＬＩＪｉａｎ－ｌｉｎ，ＸＵＨｏｎｇ・ｈｕａ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＣ－－ｌｉｎｋｃｒｏｗｂａｒｆｏｒｄｉｒｅｃｔ・－ｄｒｉｖｅＶＳＣＦｗｉｎｄ—ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＵＥＰＳＡ，２００８，２０ｆ３：１１８－１２３．［１５］张坤，毛承雄，陆继明，等．基于储能的直驱风力发电系统的功率控制【ＪＪ．电工技术学报，２０１１，２６（７）：８－１４，４３．—ＺＨＡＮＧＫｕｎ，ＭＡＯＣｈｅｎｇｘｉｏｎｇ，ＬＵＪｉ－ｍｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｄｉｒｅｃｔｌｙｄｒｉｖｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（７）：８－１４，４３．—收稿日期：２０１２－０９２０修回Ｅｔ期：２０１２－１１－２６作者简介：张明锐（１９７卜），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统保护与控制、分布式发电与微网技术；—Ｅｍａｉｌ：ｚｍｒ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ陈洁（１９８９一），男，硕士研究生，研究方向为微型电网的能量管理与优化运行：王之馨（１９８４一），女，硕士研究生，研究方向为分布式发电并网技术。