永磁直驱风力发电电能变换器的研究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，结构简单及稳定运行，是风力发电技术的发展趋势。然而在运行过程中，由于各种原因引起的电网电压波动、跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。本文主要研究直驱风力发电系统的电能变换器，利用Matlab/Simulink对10kW直驱风力发电系统进行了仿真，分别分析了电网电压跌落，50%-0.2s和30%-0.4s时电能变换器的动态响应，在电网电压跌落时电能变换器仍能与电网保持连接。仿真结果验证了系统控制策略的有效性。关键词：直驱风力发电永磁同步电机电能变换器电压跌落ResearchofConverterforPermanentMagnetGeneratorDirectDrivenbyWindTurbineZhuLinXuDianguoMaHongfeiLuoZhongyuAbstract：Duetohighefficiency,simplestructureandstableoperation,thedirect-drivewindpowersystemusingthepermanentmagnetsynchronousgeneratoristhedevelopmenttrendofwindpowergenerationsystem.However,thegeneratormaybedisconnectedfromthegridincaseofadisturbancesuchasavoltagedipevenagridfault.Inthispaper,wemadeasimulatingstudyon10kWdirect-drivewindpowersystembasedonthePMsynchronousgeneratorbyMatlab/Simulink,andanalyzedtheresponseofpowerconverterwhenthevoltagedipsare50%-0.2s,30%-0.4srespectively.Thiscontributionpresentsacontrollerthatcanbeusedtokeepdirect-drivewindturbineswithpermanentmagnetgeneratorconnectedtothegridduringvoltagedips.Thebehaviorofthepowerconverterduringgriddipsisdemonstratedbysimulationsandthecontrolstrategyiscorrect.Keywords：direct-drivewindpowergenerationpermanentmagnetsynchronousgeneratorpowerconvertervoltagedip1引言随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求明显增加，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，目前世界各国都已经把开发新能源和利用可再生能源作为未来能源发展的方向。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发展前景的发电方式之一，具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，因此受到了世界各国的重视[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成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性，并且降低了噪音和机械损失从而降低了风力发电机组的运行维护成本，因此受到了越来越多的关注[2]。然而风力发电系统在运行过程中，由于各种原因引起的电网电压波动、跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以本文主要研究直驱风力发电系统的电能变换器在三相电网电压突然跌落时的系统持续运行控制。对10kW直驱风电系统进行了建模和仿真，分析1了系统在电网电压跌落50%-0.2s和30%-0.4s时的动态响应。2电能变换器数学模型直驱风力发电系统总结构图如图1所示[3]：图1直驱风力发电系统总体结构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，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连接的电压型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。因为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；网侧变换器实际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2PWM整流器的主电路控制系统采用双闭环级联式控制结构：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；电流内环根据电压外环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制。由变换器传递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，只要供电电压恒定，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行...
