直驱风机机电暂态模型仿真研究

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高峰等：直驱式风电机组机电暂态建模及仿真
Vol. 35 No. 11
的矢量控制策略。从实际的物理装置出发，通过合 理的假设，对直驱式风电系统的电磁暂态模型进行 简化，同时考虑变频器直流电压的动态过程和低电 压穿越特性。仿真结果表明，该模型和电磁暂态模 型动态响应曲线一致，结果准确、可靠，可以用于 分析大规模直驱式风电场接入对电力系统暂态稳 定性的影响。
dq/abc
udg +
u+dg
uqg ωL
uqg −
+
− ωL −
PI PI
udc −
udc_ref +
−
+
−
id_ref
+
PI
图 2 直驱式风电系统控制框图
Fig. 2 Control frame of direct-drive wind turbine system
θg 计算角度
abc/dq udg uqg
DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2011.11.011
第 35 卷 第 11 期 2011 年 11 月
文章编号：1000-3673（2011）11-0029-06
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 74 文献标志码：A
Vol. 35 No. 11 Nov. 2011
目前，在国内广泛使用的电力系统分析软件中 使用的直驱式风电系统模型均是基于风电机组的 外特性建立，简化为暂态电抗后的可控电流源模 型。该模型不能够完全反映风电机组的运行特性， 仿真结果较为保守。
本文建立适于电力系统暂态稳定分析计算[19-23] 的直驱式风力发电机组机电暂态模型。直驱式风电 系统为背靠背双 PWM 变流器结构，采用最为普遍
为发电机 d 轴和 q 轴的电压、电流分量；ωe 为发电
机的电气转速；Ld、Lq、Rs 分别为永磁发电机的直 轴和交轴电感、定子电阻；ψf 为永磁磁链；Ps 为发 电机发出功率。
发电机的机械运动方程为
J p
dωe dt
= Tm
− Te
(8)
式中 J 为转动惯量。
电流方向为电网流向变流器，电网侧变流器的
2 直驱式风电机组机电暂态模型
2.1 发电机、变流器及其控制策略简化模型 在 1.2 和 1.3 节中分别讨论了永磁发电机、全
KEY WORDS: direct-drive wind turbine system; electromechanical transient model; low voltage ride through; power system analysis
摘要：基于矢量解耦控制策略，建立了适用于电力系统暂态 稳定分析的直驱式风力发电机组机电暂态模型。为模型做了 2 点合理假设：有功功率和无功功率在暂态过程中完全解耦； 测量的电气量准确，和实际的电气量完全相等。基于这些条 件，从实际的物理装置出发，对直驱式风电机组的电磁暂态 模型进行简化。考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压 穿越的运行特性。仿真结果表明，该模型和电磁暂态模型动 态响应曲线一致，结果准确、可靠，可以用于分析大规模直 驱式风电场接入对电力系统安全稳定性的影响。
制直流电容电压恒定和跟踪发电机侧输出功率。总
体控制框图如图 2 所示。
1.4 低电压穿越模型 在直流侧增加卸荷电路[3]是一种常见的提高低
电压穿越能力的方法，卸荷电路通常由功率器件和
卸荷电阻构成。图 1 中的卸荷电路在直驱式风电产
品中已有应用。该电路的基本原理为控制功率器件
的开断，投入和切出卸荷电路，从而抑制直流过电
power point tracking，MPPT)的目的。在广泛采用的
表贴式和凸极率很低的永磁发电机中，通常采用无
功电流 ids=0 控制，能以最小电流实现最大风能捕 获区的最大转矩输出。
电网侧变流器采用电网电压定向矢量控制
udg=0。通过 PI 控制器控制无功电流来控制变流器 与电网功率交换，通过 PI 调节器调节有功电流来控
模型如下：
udg
= udg
−
Ridg
−
L didg dt
+ ωsLiqg
(9)
uqg
= uqg
−
Riqg
−
L diqg dt
− ωs Lidg
(10)
变流器注入电网功率为
Pg = −1.5(udgidg + uqgiqg )
(11)
Qg = −1.5(−udgiqg + uqgidg )
(12)
直流侧电压动态方程为
R ia, ib, ic ua, ub, uc
电网
θr
abc/dq
abc/dq
dθ/dt ω
ids_ref −ids iqs
PWM 发生器
−
+
+
iqs_ref
ωref
−
+
ωe(ψf+Ldids) + uqs
PI +
uds
dq/abc
θr
MPPT
PI
+−
ωeLqiqs
PWM 发生器 idg iqg
θg
为风轮叶片半径；vw 为风速；λ 为风力机的叶尖速
比；Cp 为风能利用系数，表达式为
−12.5
Cp
(λ,Βιβλιοθήκη β)=116 0.22(
λi
−
0.4β
−
5)e
λi
(2)
λi
=
λ
+
1 1 0.08β
−
0.035 β3 +1
(3)
1.2 发电机及变流器数学模型
永磁同步发电机的参考方向采用电动机惯例，
q 轴方向和发电机转子磁链方向一致，此时，
学科代码：470·4054
直驱式风电机组机电暂态建模及仿真
高峰，周孝信，朱宁辉，苏峰，安宁
（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）
Electromechanical Transient Modeling and Simulation of Direct-Drive Wind Turbine System With Permanent Magnet Synchronous Generator
永磁
滤波
同步发电机
电感
电网
图 1 直驱式风电系统整体结构 Fig. 1 Structure of direct-drive wind turbine system
风力机的风功率转换模型可以用下式表示：
Tm
=
1 2
ρπR3
Cp
(λ λ
,
β
)
vw2
(1)
式中：Tm 为风力机的机械转矩；ρ 为空气密度；R
压。文献[3]采用直流侧电压作为判断条件，当直流
侧电压超过设定上限时，投入卸荷电路，当直流电
压低于设定下限时，切出卸荷电路。这种方法虽然
容易造成直流电压较大波动，但是控制简单，反应
速度快。本文采用这种方法计算。
第 35 卷 第 11 期
电网技术
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PSMG
iuiviw
电机侧 udc
PWM 变流器
电网侧 PWM 变流器
Cudc
dudc dt
=
Ps
− Pg
(13)
1.3 发电机及变流器控制策略
发电机侧变流器采用发电机转子磁链矢量控
制 。 控 制 目 标 为 通 过 比 例 – 积 分 (proportional
integral，PI)控制器，调节发电机输出电磁转矩来调
节发电机转速，从而达到最大功率追踪(maximum
1 直驱式风电机组的数学模型
1.1 风力机的数学模型 采用背靠背双 PWM 变流器的直驱式风电系统
整体结构[4-8]如图 1 所示，主要包括风力机、永磁同 步发电机、全功率变流器等。风力机通过轴系与永
磁同步发电机直接耦合，永磁同步发电机通过全功
率变流器与电网相连。
风力机
电机侧变流器 卸荷电路 电网侧变流器
ψ ds = 0 ，ψ ds =ψ f ，其数学模型如下：
uds
=
Rsids
+
Ld
dids dt
−
Lqωeiqs
(4)
uqs
=
Rsiqs
+
Lq
diqs dt
+
Ldωeids
+ ωeψ f
(5)
Te = 1.5 p[(Ld − Lq )idsiqs +ψ f iqs ]
(6)
Ps = −Teω
(7)
式中：ω为风轮机机械转速；uds、ids、uqs、iqs 分别
关键词：直驱式风电系统；机电暂态模型；低电压穿越；电 力系统分析
0 引言
目前，我国应用最广泛的 2 种类型的风机为双 馈式风机和直驱式风机。较双馈式风机，直驱式风 机具有更能适应低风速、噪声小、结构简单、运行 效率高、后续维护成本低等优点，直驱式风机在全 国风电场中所占的比重越来越高[1-2]。由于不控整流 加 Boost 升压变流器再接并网逆变器结构难以实现 对永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)的控制，影响发电机的使用寿命， 目前直驱式风机广泛采用背靠背双脉宽调制(pulse width modulation，PWM)变流器结构[3]。文献[4-8] 研究了直驱式风电系统的数学模型，对空气动力学 模型、轴系模型、永磁同步电机模型、变频器及控 制模型等进行了分别建模，并仿真研究了整个系统 的运行特性。上述模型均是基于电磁暂态模型进行 建模仿真，用于大规模风电场接入系统影响分析计 算时，其较为复杂，计算速度慢，数值收敛性差。 文献[9-12]研究了直驱式风电系统的控制策略及运 行特性，文献[13]研究了直驱式风电系统在故障情 况下的运行特性，文献[14-16]对直驱式风电系统低 电压穿越特性进行了研究，文献[17-18]研究了三电 平背靠背变流器结构的直驱式风电系统控制策略。