直驱永磁风力发电机设计及并网控制（永磁直驱风力发电并网的拓扑结构）

背景简介

随着国家30.60目标的颁布，新能源发展越来越受到关注。目前来看，风力发电和光伏发电仍是占据最终份额的两大能源。

其中，风力发电尤其受到关注。随着海上风电的蓬勃发展，风电机组的单机容量也在不断增加。

风电机组并网控制和风电机组高低压穿越能力是电网故障时应对风电机组的必要手段，也非常重要。本文旨在构建基于永磁直驱风力发电机的并网高低压穿越控制，与大家讨论学习。我希望它可以作为一个起点。

之前我们已经介绍过直驱风机的并网与控制（直驱永磁同步风机并网仿真（一）、直驱永磁同步风机并网仿真（二））。内容主要以稳态控制为主。不涉及高低交叉期间的控制切换。这次根据个人理解增加了相关的控制。

图1 风力发电机组并网拓扑

并网及高低渗透控制

风电机组并网控制分为网侧控制和机侧控制。网侧控制方法与直驱永磁同步风力发电机并网仿真(2)中建立的控制方法一致。这次我就不详细说了。主要关注高渗透率和低渗透率。对这期间的控制进行说明。

由于直驱式风机拓扑通过背靠背变流器实现机侧与电网完全隔离，一般情况下，在电网故障时，机侧控制不需要任何其他控制，只需要电网侧控制需要相应切换。由此看来，故障期间，机侧功率保持不变，而网侧吸收的功率减少，导致变流器两侧功率不平衡，直流电压会升高。为了防止直流侧过电压，需要在直流侧增设耗能装置。一种常规手段。根据GBT19963标准的相关要求，当电压下降或上升时，无功电流按如下分段函数公式计算：

其中，Ut为风电场并网点单位值电压，In为风电场额定电流。低击穿期间的有功电流可根据Id=sqrt(1.1In-Iq^2)计算。由于高击穿期间交流侧电压上升，如果此时仍然按照这种方法计算Id，你会发现计算出的Id值太大。由于交流电压本身升高，会出现所需功率大于风扇功率的情况，这是不合理的。本文计算Id的依据是在高突破期间，风扇应始终保持在额定功率输出。

当然，以上控制仅限于个人理解。不同厂家的实际情况可能略有不同。俗话说：一千个读者眼里就有一千个哈姆雷特。本文的模型控制通过确定风电机组并网点的电压来实现网侧稳态双臂控制和直流给定控制之间的切换。

同样，直流侧的能源消费结构也存在差异。更简单的方法是通过开关器件来切换电阻。结构如下图所示。这就是本文所使用的方式。

图2 耗能电路拓扑

模拟模型

根据上述描述，建立如下图所示的风力发电机组并网模型。风机额定功率为3MVA，直流侧电压为1200V，风机出口电压为690V。分别通过0.69/35kV、35/220kV两级升压接入220kV交流电网。

图3 整体仿真模型

控制部分模型如下。无论稳态还是高低突破装置，机侧控制不变，网侧控制根据电压情况进行切换。

图4 网络侧控制部分

图5 机侧控制部分

直流侧控制采用滞环控制。当电压大于一定值时，开关导通，并投入电阻。当电压小于一定值时，开关关断。

图6 直流能耗控制

仿真结果

(1)运行模型，使其以额定速度运行。仿真结果如下：

图7 35kV侧电压、电流、功率波形

图8 690V侧电压、电流和功率波形

图9 直流侧电压波形

(2)低电压穿越测试，按照标准要求，分别进行电压下降：20%，持续0.625s；电压下降35%，持续0.92s； 50%下降1.214s；电压下降75%，持续1.705s； 90%跌落，连续2s模拟测试。

电压下降20%

图10 690V侧电压、电流和功率波形

图11 直流侧电压波形

电压下降35%

图12 690V侧电压、电流和功率波形

图13 直流侧电压波形

电压下降50%

图14 690V侧电压、电流和功率波形

图15 直流侧电压波形

电压下降75%

图16 690V侧电压、电流和功率波形

图17 直流侧电压波形

电压下降90%

图18 690V侧电压、电流和功率波形

图19 直流侧电压波形

（2）高压穿越测试，按照标准要求，电压升高120%，持续10秒；电压增加125%，持续1秒；电压升高130%，持续0.5秒。

电压增加120%

图20 690V侧电压、电流和功率波形

图21 直流侧电压波形

电压增加125%

图22 690V侧电压、电流和功率波形

图23 直流侧电压波形

电压增加130%

图24 690V侧电压、电流和功率波形

图25 直流侧电压波形

从以上仿真结果可以看出，无论是电网电压正常时还是高低交叉时段，都能得到更符合设计预期的结果波形，控制效果符合有良好的。

审稿人：刘庆