电网电压跌落时直驱风力发电电能变换器的建模与仿真

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。本文主要对电网电压跌落时直驱风力发电系统网侧变换器的双矢量电流控制策略进行了研究，并利用Matlab/Simulink对10kW直驱风力发电系统进行了建模和仿真，分别分析了电网电压平衡跌落50%-0.25s和不平衡跌落85%-0.15s时电能变换器的动态响应。仿真结果验证了系统控制策略的有效性，在电网电压跌落时电能变换器仍能与电网保持连接，直驱风力发电系统具有良好的短时电压跌落的渡过能力。
关键词 永磁直驱风力发电；电能变换器；电网电压跌落；双矢量电流控制

Research of converter for PMSM Direct Driven by Wind Turbine under Grid Voltage Dips
Zhu Lin  Xu Dian Guo  Ma Hong Fei
Abstract: In the operation process of wind power generation system, the generator may be disconnected from the grid in case of disturbances such as voltage dips even a grid fault. In this paper, we set up models of 10kW direct-drive wind power generation system based on PMSM by Matlab/Simulink, and analyzed the response of power converter when the grid voltage balanced dips 50%-0.25s and A-phase unbalanced dips 85%-0.15s respectively. This contribution presents that using dual vector current controller can keep direct-drive wind turbines with PMSM connected to the grid during voltage dips. The behavior of the power converter during grid dips is demonstrated by simulations and the control strategy is correct.
Keywords: direct-drive wind power generation with PMSM; power converter; voltage dips; dual vector current control

1  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]。
随着社会发展和技术进步，现代企业生产对电能质量提出日益严格的要求。在许多国家，电网电压跌落已上升为影响用电设备安全稳定运行的最重要的电能质量问题，因此电网电压跌落已成为讨论的热点[3]。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，所以本文研究直驱风力发电系统的电能变换器在电网电压突然跌落时的系统持续运行控制。目前矢量电流控制策略一般都是基于三相电网平衡的条件下进行设计的。因此，本文采用双矢量电流控制策略对网侧变换器进行控制，通过仿真分析了系统在电网电压平衡跌落50%-0.25s和A相电压不平衡跌落85%-0.15s的动态响应。