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直驱型永磁风机复合低压穿越方法研究和

验证

作者：李娟

来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2012年第23期

李娟

（淮南联合大学机电系，安徽淮南232038）

摘要：新的电网规则要求风力发电系统具有低压穿越能力.本文首先对直驱型永磁风力发

电系统在Matlab/Simulink平台进行建模分析，然后研究了一种复合型的低压穿越控制方法和

策略，最后通过Matlab/Simulink平台实验仿真对该方法和策略进行分析验证，实验结果表明

其有效可行.

关键词：低压穿越；直驱型永磁风力发电机；Crowbar

中图分类号：TM712文献标识码：A文章编号：1673-260X（2012）12-0157-02

1绪论

随着传统能源的枯竭和开发成本上升，在世界范围内风力发电系统得到广发的应用，有效

减低了电力生产成本减轻了环境压力.同时，风力发电作为一个新技术还存在着不少问题，低电

压穿越（LVRT，lowvoltageridethrough）就是影响风力发电系统可靠性的重要问题之一，

对风力发电的大规模应用起着关键性作用[1].低电压穿越一般意义上指由于风机输出的不稳定

性，风力发电机并网节点在电压突然跌落时，风力发电机能够保持继续并网，同时要为电网输

出无功功率一直到该电网恢复到正常状态，这样就“穿越”了该电压降低的时间区域，从而支

撑了电网的稳定运行也保护了风力发电机组.为了提高风力发电的可用性和应对政府和企业的强

制性技术要求，国内学术界和企业界外对低压穿越技术和应用的研究从2005年开始逐渐增多，

也取得了一定的研究成果和成功应用.德国的西门子、中国的金风科技等风机领先企业在新型的

风力发电系统上都能够实现低压穿越.目前能够实现低压穿越的主要方法有：对网侧变流器的矢

量控制器进行优化、直流母线加装UPS、使用超级电容增加储存能量、增加电机定子侧的静态

开关、增加修改Crowbar电路以及使用无功功率补偿等[2].在实际应用中采用单一的低压穿越

控制方法策略具有局限性，复合控制方法和策略成为新的研究热点.

2直驱型永磁风力发电系统的建模

为了风力发电机的低压穿越控制方法和策略，首选要对风力发电机进行建模分析.直驱型永

磁风力发电是风力发电的主要机型结构简单、性能稳定、应用广泛.直驱型永磁风力发电机的风

力利用系数Cp(λ，β)[3]可以根据式2.1得到：

上式中：Cl为0.5345，C2为121，C3为0.392，C4为4.98，C5为21，C6为0.0069.由式

2.2可知，当桨矩角（用β表示）不变的情况下，在风速不同的时候，通过对风机进行控制使

得其在最优叶尖速比（用λ表示）的状态下运行，就能够实现分匀速风力发电机达到最大捕获

功率.在Matlab的Simulink工具箱通过建模把λ、β分别作为输入、而Cp作为输出，然后再

通过f()函数模块来具体实现Cp(λ，β)功能，建立的CP(λ，β)模型图如图2-1所示.

依照风力发电机的静态功率特性，也采用Matlab的Simulink工具箱对其进行建模分析.然

后把风力发电机的主机浆半径R、主导风速v、风力发电机的角频率ω作为输入参数，还需要

把风机附近的空气密度ρ、风浆的矩角β作为输入参数，把风力发电机的捕获功率P以及风

力发电机的输出转矩作为输出参数.通过Simulink搭建的风力发电机模型入图所示2-2所示.

根据图2-2的风力发电机核心部件结构进行封装，然后把风力发电机相关的各个参数添加

到风力发电仿真模型中，实现变速风力发电机组的仿真模型.如图2-3所示.

图2-3中的Kopt可以视为主导风速和风力发电机转速间的最合理比例，scope是输出模拟

波形的示波器.根据实际情况，空气的密度ρ取值为1.72kg/m，风力发电机静止状态的桨矩角

取值为0，风力发电机的机桨叶半径取值为36.2m，变速风速取值为0.1m/s~15m/s.

3直驱永磁风力发电系统复合低电压穿越技术

通过单一的低压穿越实现方式具有一定的局限性，要么响应时间不及时，要么对电压跌落

的幅度有严格要求.为了增强直驱型永磁风力发电系统低电压穿越的实际效果和可靠性，本文提

出了一种复合型的低压穿越实现方案.具体设计方法和策略如下：

3.1通过检测网侧的电压情况，一旦检测出电网的实时电压出现跌落，网侧的变流器就要

及时启动低电