近了年的累计装机水平，足以体现我国对风力发电的重视。由国家能源局统计数据显示，截至年底，全国并网风电装机容量达万千瓦，占全国发电机总容量的。图中国各地区新增装机容量由图能够看出近年我国各省市新增加的风力发电机容量的情况，其中西北地区于年装机容量增长速度最快，所占比例达到全国的。甘肃省比同期增长达到，宁夏自治区比同式风电机组的影响对于双馈式风力发电机，直流侧电压和转子侧电压会因为电网电压突然降低而上升，因此风电机侧的有功功率和无功功率产生波动在解决问题后，发电机气隙的恢复需要从电网侧吸收无功，造成定子机端电压因为电网峰值电流涌入定子而降低。对于直驱永磁风力发电机，由于全功率变流器的存在，风力机和电网完全隔离，电网电压突然降低对风力机的影响可以忽略但也因为变流器最大输出功率受限制，故输入变流器的功率和变流器输出功率不平衡，直流侧电压因此上升。因此评判风力机低电压穿越能力的关键便是控制变流器的策略。接下来分析电网故障情况下，直驱式风力电机的运行特点在理想情况下，发电机输出的功率等于直流侧的功率，直流侧输出功率等于电网侧得到的功率。低电压穿越技术的核心是保证直流侧电压稳定，其本质便是输入直流侧功率和输出直流侧功率保持平衡。当电网电压降低时，电网侧变流器将通过增大输出电流来保证电网获得的功率不变。当电流超过变流器的范围时，电网得到的功率也便受到限制。与此同时，永磁发电机运行不受影响，电机侧变流器的正常运行，则显而易见输入直流侧的功率大于直流侧输出功率，多余的能量将充入直流侧电容，直流侧电压因此升高，器件遭到破坏。如果对永磁发电机的运行进行控制，降低其输出功率，定子侧的输出功率也会随之下降，电磁转矩也随之减小，而风轮输入功率不变，导致发电机转子加速，从而桨叶节距角控制器受到影响风能捕获系数受到影响。从上述分析可以看出，电网电压的降低对电机侧变流器永磁发电机风轮造成影响。因此，要想减弱电网电压降低造成的影响，只能通过调节直流侧控制方式和调节网侧变流器的控制方式，从而保证发电机和机侧变流的正常运行，这也是直驱式风力机的优点。由图风力机拓扑结构可知，若要变流器承受更大的流经电流，可增大其容量，来保证在电网电压降低时电网侧输出功率等于正常运行时的功率，避免直流侧不平衡的情况出现。另外也可以通过增加直流侧电容量，缓冲不平衡出现的剩余能量。这两种方法适用于电压降低幅度较小的情况，当电压降低的幅度较大时，必须通过更换大容量的功率器件来解决问题，但是增加控制上的风险，而且成本也增加了，故在严重故障的情况下不适用。在节电网侧变流器的控制策略中提到，直流侧电压是由电压外环控制。但是在电网电压降低幅度过大导致电流超过变流器极限值时，电压外环控制策略便会失效。而且网侧变流器电压外环的调节只在直流侧电压变化时才会被激发。当电机侧瞬时功率变化超前电网侧的瞬时功率变化时，直流侧电压将波动。此时就需要额外的装置配合传统的双闭环控制来减小直流侧电压波动，便是本文的重点撬棒电路。撬棒保护电路的原理本节将对撬棒电路的保护进行归类，分析其工作原理，比较不同方案的优缺点。定子侧撬棒电路的保护图为定子侧撬棒电路拓扑图，由图可以发现永磁发电机定子侧与装有功率开关的耗能电阻相连接。这种耗能电阻消耗过剩的能量，来限制输入直流侧的功率的方案，在风速较大的情况下适用。同样在电压降低的情况，也可以利用耗能电阻消耗过剩的能量，保证输入和输出功率平衡。切除故障后，必须马上断开耗能电阻，恢复风力发电系统运行。这种保护方法虽然结构简单，但是没有将发电机和故障完全隔离开来。但是该方案依旧适用于小功率风力机，在风速突然增加过大时的保护。图定子侧加耗能电阻的撬棒电路电网侧撬棒电路的保护图是电网侧撬棒电路拓扑图，在风电机和电网之间并联了个负载，从而负载和风电机形成个单独的小系统。在电网正常运行时，风电机先给负载供电，而剩余的电能进入电网。在电网电压降低时，断开电网和风力机的连接，风力机只提供的功率给负载，从而避免了电压不平衡的情况出现电网电压恢复正常后，开关闭合，风力机继续给电网提供功率。虽然这个方案需要的硬件较少，不用考虑成本问题，但是选择负载是比较棘手的，只有适合的负载才能和风力机构成个单独的系统，而且要实现在两个状态下顺利切换的控制策略比较复杂。图电网侧的撬棒电路直流侧撬棒电路的保护在上述的两种保护方案外，显而易见在直流侧加入撬棒电路也是可取的，直流侧的保护通常有两种形式直流侧并联耗能电阻和外加储能设备。并联耗能电阻的撬棒保护由图可以看出直流侧电容并联耗能电阻，当电网正常运行时，撬棒电路不工作当电网电压突然降低导致功率不平衡时，耗能电阻投入使用来消耗多余的能量，直流侧的电压因此稳定。由图我们还可以看出耗能电阻与高压母线直接相连，故必须串联个高压负载。由于高压负载的容量很大，并且散热也是要解决的问题，成本引起上升了，但是优点还是十分明显的。图直流侧并联撬棒电路外接储能设备的撬棒保护由图可以看出直流侧电容外接储能设备，接通电容和储能设备的器件具有双向流通能量的特点。当电网电压突然降低时，过剩的能量流进储能设备，避免功率不平衡造成的直流侧电压波动并且在直流侧电压过低时，储能设备可利用储存的过剩能量给电容供电，能量循环利用。图外接储能设备的撬棒电路基于并联耗能电阻撬棒保护的改进传统消耗能量的控制方法有滞环判断，即直流侧电压超过范围时，耗能电阻投入使用当直流侧电压低于范围时，耗能电阻切除。这个策略会导致电压波动。通过调节器，得到直流侧电压的导通占空比。这两种方法虽然有简单反应快的特点，但是判断条件只有电压，再加上电压外环控制会导致直流侧电压波动，电容寿命受到影响。为了有效控制直流侧电压的波动，使其平稳，本文将在耗能电阻回路侧增加个控制器，该控制器以直流侧的输入输出功率偏差为判断依据，来投入和切出卸载回路。投入耗能电阻时，通过调节器得到功率器件的导通占空比，而直流侧电压在功率控制器遇突发情况时，作为辅助判断条件。原理图如图图耗能电阻回路控制器原理图功率控制方程为其中为输入直流侧的功率，是输出直流侧的功率。为直流侧电容，是直流侧电压。功率器件的导通占空比公式为其中是耗能电阻，为功率的导通占空比。系统正常时，和在正常范围内波动耗能电阻没有工作当超出正常范围时，耗能电阻回路马上投入工作，当超出极限值时，耗能电阻完全投入工作，此时。图为添加控制器的耗能电阻回路原理图。控制器是基于数字信号处理器实现的。通过数字信号处理器计算即功率偏差，在系统正常运行的状态下，输入和输出功率有小波动，故耗能电阻不会投入使用，只用网侧变流器来控制直流侧电压即可。当直流侧电压超出控制范围时，耗能电阻投入使用。功率偏差判断依据是小于或等于，耗能电阻不工作大于，耗能电阻开始工作对进行调节，给功率器件输出脉冲信号，消耗直流侧过剩的能量在恢复到正常范围时，耗能电阻停止工作。直流侧电压的判断起辅助作用，当电压超出直流电压极限值时，耗能电阻完全投入使用，在直流电压降到正常时卸载回路停止工作。输入和输出功率的获得，般选择采集直流侧电压和电流的方法，即直流侧电压与电流差乘积等于功率差。由于通过功率差判断需要用到数字信号处理器和信号调理电路，系统很复杂，本文在进行仿真时，直接判断直流侧电压来降低系统复杂程度。当直流侧电压差进入耗能电阻回路控制器时，先判断电压差来确定耗能电阻工作与否，电压差再经过控制，确定功率器件导通占空比。基于的仿真分析为了功率因素控制，以及添加功率控制器的耗能撬棒电路的准确性，利用进行仿真分析，仿真过程中，机侧变流器的控制同节所述。图仿真矢量控制图以功率偏差作为判断条件的卸载回路控制器需要信号处理器等额外硬件的支持才能实现对卸载电阻投切的控制,所以本文在进行仿真时,为了降低系统的复杂度而直接以直流侧电压作为判断条件。当直流侧电压偏差进入能量卸载回路控制器后,先经过电压判断以确定卸载回路的工作状态,偏差经过电压判断后进入调节,确定能量卸载回路中功率器件的导通占空比。模型的仿真参数如下直流侧电压上限，频率，开关频率，低压侧，耗能电阻，网侧变流器无功功率参考值为，输出电流极限为额定电流的倍，电压降低幅度持续秒，总仿真时间秒。分为加了功率控制器和未加功率控制器的情况仿真，对结果进行分析。未加功率控制器风力机仿真模型为图未加控制器的仿真模型未加控制器的仿真波形相电网电压相输出电流毕业论文直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究装订线目录摘要绪论国内风电产业发展趋势目前低电压穿越技术研究情况中国低电压穿越技术的标准直驱式风力发电系统数学模型直驱式风力发电机组概述风轮的数学模型与分析永磁发电机的数学模型永磁发电机于三相静止坐标下的数学模型永磁发电机于两相旋转坐标系下的数学模型电网侧变流器数学模型变流器直流侧电容数学模型直驱式风电机组的控制策略空间矢量脉宽调制技术变流器的控制策略电机侧变流器控制策略电网侧变流器控制策略风轮的桨叶节距角控制策略直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究风电并网对电网的影响电网故障对直驱式风电机组的影响撬棒保护电路的原理定子侧撬棒电路的保护电网侧撬棒电路的保护直流侧撬棒电路的保护基于并联耗能电阻撬棒保护的改进基于的仿真分析总结与展望参考文献致谢,直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究曾健山东农业大学机械与电子工程学院泰安摘要由于人类过快的发展速度，能源的可持续性已是严峻的问题。近年来，风能是可持续零污染能源的代表，正在快速发展中。与此同时风电在电网中占的比重持续走高