低电压穿越

在背靠背NPC转换器的风力发电系统中用于低电压穿越的存储在发电机转子惯量的能量的应用

萨尔瓦多阿勒颇子，会员，IEEE，亚历杭德罗卡，学生会员，IEEE，塞尔吉奥布斯克茨蒙日，高级会员，IEEE，萨米尔库罗，会员，IEEE，和本吴，研究员，IEEE

摘要

随着风电装机容量的增长，风力发电成在整个发电系统中已占据十分重要的比例。所以，电力系统运营商包括风电厂的监管为了提高整个电力系统的控制水平，无论是在稳态和暂态操作状态。因此，风力发电系统需要验证电力系统运营商规定的电网连接的要求。当出现电网电压降时，低电压穿越（LVRT）技术要求的承诺生成在所产生的有功功率和向电网提供的有功功率之间的不匹配。传统的解决方案假设有源电力过剩消耗在一个直流环节电阻上。在本文中，一个连续的控制方案提出了中性点钳位转换器。在电网电压骤降时，发电机侧和电网侧转换器的控制器同时工作以符合储存在涡轮发电机的机械系统惯性的有功功率过剩同时保持恒定的直流母线电压的低电压穿越技术的要求。仿真和实验结果验证了所提出的控制方案。

关键词：低电压穿越（LVRT），中性点钳位转换器，风能转换。

一、引言

上世纪90年代初以来，风力发电装机容量已明显增加[ 1 、2]。到2010年底，世界总装机容量的风力发电能力达到194.5GW [如图 1 ]，同时并入电网的风能不断增加。例如，在西班牙，平均风能渗透度在2008、2009、2010年分别已经达到11%，13.8%，和16% [ 3、4、5 ] 。然而，风电穿透暂时达到更高的重要性，例如，在西班牙已达到53% （2009年11月8日）[ 6 ]。

在这样的背景下，电力系统运营商通过逐步更新他们的电网连接要求（GCR）确保可靠性和效率来应对这种新的情况。这种更新的电网连接要求包括在整个电力系统的运行控制的分布式发电[ 7 、8] 。

典型的稳态或准稳态运行的要求如基于系统电压和频率的反应和有功功率调节在电网连接要求被指定。在短暂的操作，当电网跌落时低电压穿越（LVRT）技术要求需要风力发电厂保持连接，有助于通过具体的取决于电网电压跌落深度的配置文件向电网提供有功和无功功率来保持网络的电压和频率稳定。因此，低电压穿越技术可能是在电网连接要求中最具挑战性的，至少从风能转换系统（WECS）的观点可以看出。所有这些要求大大影响现代的风能转换系统中功率转换器和控制器的设计 [9 、10 ]。

图1.允许发电机断开的电压极限曲线

图2.传递到电网的有功电流

低电压穿越的要求，从实用经营者E-ON [ 7 ]提取的电网连接要求，显示在图1和2。当一个电网跌落出现时，发电厂必须保持对电网的连接，如果线电压仍在图1中的限制线1。在某些情况下和在规定的条件下，在线1和线2之间的一个短暂的断开是允许的。此外，电网跌落发生期间，风能转换系统必须向电网传递在图2中指定的无功电流值，以援助效用来稳住电网电压。补偿的无功功率的量取决于在电网跌落中的电压减少的百分比，该系统的额定电流，和在电压跌落前的电网无功电流。

由于较好的风能捕获能力和更好的效率，目前变速风力发电系统相比固定速度的风力涡轮机是首选[ 11 ]。双馈感应发电机（DFIG）[ 12 、13 ]，是最常用的实现变速风力发电系统，由于减少了电源转换器的评级。对于双馈感应发电机的不同的低电压穿越解决方案的比较发现在[ 14 ]。这种拓扑结构对电网故障特别敏感。另一个常见的变速风力系统配置是基

于一种带有全功率变流器[ 11 ]，[ 15 ]，[ 16]的永磁同步发电机（PMSG）。与双馈感应发电机相比，这种拓扑结构提供了扩展速度的操作范围，和发电机和电网之间的全解耦，从而导致对不同风速的更高的功率捕获和能够满足低电压穿越技术要求的增强了的能力。

这些特性使得这种配置很有趣，即使变频器不再增长。

双层低电压电平电压源转换器（VSCS）在风能转换系统[ 12 ]，[ 13 ]，[ 15 ]–[ 17 ]是最常用的拓扑结构。考虑到目前的趋势是增加在风能转换系统风力涡轮机的额定功率[ 1 ]，[ 11 ]，有一些的拓扑结构用于更高的功率水平[ 10 ]可以比传统的电平电压源转换器更适合。例如，电流源转换器（CSCS）[ 9 ]，[ 10 ]或三电平中点钳位（NPC）转换器[ 18 ]–[ 23 ] 。

一个电网的干扰下，可以被注入到电网中的最大有功功率所占的比例降低至终端电压降低[ 17 ]，也可以被低电压穿越要求[ 7 ]，[ 8 ]所限制。因此，有源功率不匹配在产生的功率和功率向电网提供的过程之间被发现[ 21 ]。设计满足控制系统低电压穿越要求的风能转换系统是具有挑战性的。低电压穿越实现的几种方法在文献中被找到的。动态制动是发现在[ 14 ]，[ 24 ]为双馈感应风力发电机，[ 17 ]为两个级别的背靠背电压源变换器，在[ 18 ]，[ 22 ]，[ 23 ]为NPC背靠背变流器。在[ 25 ]提出了直流电路中的能量存储系统，这种系统需要额外的电路和控制。对二级背靠背电压源变换器的一些不同控制方法在[ 26 ]和[ 27 ]被发现，但是没有如何管理有功功率过剩。可以通过在汽轮发电机系统的惯性中存储有功功率过剩来获得低电压穿越技术要求。在[ 9 ]中对于CSC 这种解决方法的一些类似的方法被发现，对二级背靠背VSC在[ 27 ]在高速振动的瞬态操作中被观察，和在[ 28 ]中的NPC背对背但是应用到一个风电场而不是一个单一的涡轮并没有具体的控制在不平衡的电网电压的电网侧转换器中被观察。需要一种来应对非对称电网骤降控制策略，因为只有12%的电网跌落是对称的[ 29]，[ 30 ]。

图3. 通过NPC转换器和一个电容滤波器连接到电网的永磁同步风力发电机

这项连接一个永磁同步风力发电机和电网的技术与全功率背靠背的NPC转换器相关，如图所示图3。传统的磁场定向控制（FOC）已在发电机侧变换器的实现。在电网侧转换器，

该控制可以解决对称和非对称的电网骤降[ 29 ]。对于单一的永磁同步风力发电机涡轮的低电压穿越要求通过在涡轮发电机的机械系统的惯性存储有功功率剩余来实现。已提出的控制方案具有良好的稳态和动态性能，得到在模拟实验结果，和表明一些例子直流制动斩波器的操作可以被免除的可行性分析。

本文的组织如下：第二部分详述系统及其模型。控制系统介绍在第三部分被给出。仿真结果在第四部分中。第五部分显示已提出的控制方案所获得的实验结果。已提出的控制方案的可行性分析在第六部分给出。最后，结论在第七部分得出。

二、 系统描述和模型

这项技术中的系统如图3所示。在这部分，对发电机和电网侧的模型也显示出。

A 、发电机侧模型

在发电机侧，永磁同步风力发电机的电气方程如公式（1）和（2），转矩方程如公式（3）和机械方程如公式（4）。电气和转矩方程在旋转框架（d q ）表示出，其中q 轴与转子磁链对齐。

sq s s sd s sd s sd i L i dt

d L i R u ω-+= (1) r s sd s s sq s sq s sq i L i dt

d L i R u ψωω+++= (2) sq r

e i p T ψ2

= (3) m m e m b dt

d J T T ωω+=- (4) 其中，sq sd u u ,为d q 坐标系定子电压；sq sd i i ,为d q 坐标系定子电流；s L 定子电感；s R 定子电阻；s ω 转子磁通电机速度 ；r ψ为转子磁链；

e T 为电磁转矩 ；p 为电机极对数；m T 为机械转矩；J 为惯性矩（发电机）； m ω为轴机械速度；b 为摩擦系数。 用于发电侧控制的实现， 需要转子磁通的电角度。这角度可由一个编码器/解析方法或从定子电压和电流估计得到的。转子磁通可以通过测试空载电机和测量电动势（r s E ψω=）估算得到。

B 、电网侧模型

电网侧转换器必须应对电网骤降。 在参考文献[ 21 ]中， 详细介绍了应对非对称网格的基于对称分量应用的三种不同的方法。这三种方法中，带有负序电网电压前馈（ VCCF ）的矢量电流控制器已经在目前的工作中得到运用。使用这种方法，该控制在正序中实施，而且没有必要发展电网侧转换器的负序模型。因此，对网侧变换器的模型如下所示：

++-+-=gd VSId dgrid L qgrid dgrid u L u L i L R i i dt d 11ω （5） ++-+--=gq VSIq qgrid L qgrid qgrid u L

u L i L R i i dt d 11ω （6） 其中，qgrid dgrid i i ,为电网d q 坐标系中电网电流；++VSIq VSId u u ,为电网d q 坐标系中正序电压的逆变器电压；++gq gd u u ,为电网d q 坐标系中正序电网电压；L 为滤波电感；L R 为滤波电阻；ω为电网角频率。

C 、直流母线电压平衡

直流侧中点电压平衡通过虚拟空间矢量调制切换策略和一个定制的电压平衡控制[ 31] 来实现，它是也运用在背靠背拓扑结构中的NPC 转换器。用这种方法，没有必要在模型中包含一些关于直流侧中性点的信息。

三、控制系统

图4.在正常运行和电网电压跌落时的用来存储跌落时汽轮发电机的机械系统的惯性中的有功功率过剩的控制框图（LVRT 满足要求）

所提出的系统控制框图如图4所示。对发电机侧变流器，使用了传统的矢量控制（FOC ）。转子磁链角通过编码器得到。对于网侧变换器，带有负序电网电压前馈的矢量电流控制器（VCCF)[ 21 ] 已实施。该控制策略能够管理对称和非对称的电网骤降。延迟的信号消除方法是用于获取电网电压的对称分量的序列分离方法（SSM ）。电网电角度由一个与

SSM 同时工作的锁相环获得，保证当不对称电网故障或电网不平衡发生时的角度精度[ 21 ]。 同步参考系的d 轴已经电网电

压的正序向量（0=+gq u ） 对齐。负序电网电压前馈使在终端的电网转换器产生相同的在电网中已出现的负序电网电压。因此，只有正序电压施加到滤波器，只有正序电流循环通过滤波器。因此，电流控制器只有在正序中能够实施。

在正常运行时，对于发电机侧变流器，该参考速度是由一些最大功率点跟踪 （MPPT ）算法给出的，来获取实际风力发电量的最大值。MPPT 算法在这项技术中已不被考虑。然后，电磁转矩在参考速度与机械转矩相匹配，由于在发电机侧电流参考（ *sq i ）。 发电机输出的有功功率被送到直流环节。为了保持和直流环节电压参考值一致，直流稳压器给出d 轴电网侧转换器的电流参考 （ *dgrid i ）。因此，等量的有功功率从发电机被传递到电网。另一方

面， 传给电网和从电网吸收到的无功功率可以通过电网侧转换器电流(

*qgrid i )的q 轴分量来调节,独立于有功功率调节。可以观察到发电机侧控制发电机转速， 电网侧调节器控制的直流链路电压和无功潮流。

在电网电压跌落时，本实体操作需要满足要求。因此，电网侧转换器的有功和无功功率参考值由低电压穿越技术要求给出。然而，发电机继续提供有功功率。然后，如果发电机侧变频器控制器在电网电压跌落时没有任何特定的控制行动，该产生的有功功率可以大于提供给电网的有功功率。在这种情况下， 直流侧电压将增加到 可能导致一个系统故障甚至组件故障的数值。因此，这些系统的配备一个可以消散有功功率过剩的直流母线斩波电阻。 图4中的控制框图可以存储出现在涡轮发电机的机械系统的惯性中跌落的有功功率剩余。这种控制方法，期望直流母线斩波电阻的激励在某些情况下不需要。进一步的分析在第六部分。

在电网跌落时，所提出的控制方法，注入电网的有功和无功功率参数有低电压穿越技术的要求给出，直流链路电压由发电机侧变流器控制和发电机的转速不控制。在这种情况下，直流母线电压在电网故障期间保持调节和有功功率过剩

运用于机械系统的汽轮发电机，这可以增加速度。

四、仿真结果

对所提出的控制策略的仿真结果（MatLab-Simulink ）在本节介绍。在图3中的系统规格，从在下一节介绍的实验装置得到的，分别是： ][0406.02

kgm J = ；][10mH L s =； ][5.0Ω=s R ；

][382.0Wb r =ψ ；4=p ；][10mH L = ；][1.0Ω=L R ；][2200F C μ=；][250V V pn =；][72RMS grid V V =；][50Hz f grid =；背靠背NPC 开关频率：][1.3kHz f s =。

请注意，在仿真中，两倍以上指定的值的惯性被考虑到， 电网电流限制值被设置为10 [A]而不是实验结果的7 [A] 。这些变化有助于无损转换器仿真与实验结果的比较。 电网电压跌落的B 型[ 29 ]进行了模拟来显示控制器的性能。 相电网电压在60毫秒（在0和60毫秒）中，其标称值的55%的下降如图5所示 。

A 、 没有具体的发电机侧控制功能的LVRT 遵守

图5.电网电压跌落时的网侧动态响应仿真。在电压跌落时没有具体的发电机侧控制行动。（a ）电网电压(][,,V v V v cN bN aN )；（b ）电网电流（][,,A i i i c b a ）；（c ）电网dq 电流（ ][,A i i qgrid dgrid ）；（d ）有功和无功电网功率（][],[VAR Q W P grid grid ）。

图6. 在电压跌落时发电侧和直流链路的动态响应仿真。跌落时没有具体的发电机侧的控制作用 。（a ）发电机ABC 电流（][,,A i i i w v u ）、（b ）发动机dq 电流（][,A i i sq sd ）、（c ）有功和无功发电机功率 （ ][],[VAR Q W P gen gen ）、（d ）轴机械速度（][rpm m ω ）、（e ） 直流母线电容器的电压（][,V v v n p ）。

图5和6显示仿真结果如果在跌落期间发电机侧控制器没有具体的控制功能， 即发电机侧变换器以和稳定状态相同的方式工作，电网侧变流器被控制以满足低电压穿越的要求。 电网ABC 三相电流图5（b ）在任何时候平衡，因为矢量电流控制器策略[ 21 ]用于电网侧转变器。电网d q 电流显示在稳定状态整体的功率因数 （ ][0;*

A i i i qgrid dgrid dgrid == ），如图5（c ）所示。电网侧d 轴与正序排列电网电压一致。在现有的电压跌落中，如图1、2所示，低电压穿越技术 要求系统在跌落期间向电网注入纯无功电流。这通过适当改变根据

低电压穿越技术要求的电网的有功和无功功率参考值（即， d q 电网电流参考依据 ）来实现。 在电网电压跌落期间， ][0A i d g r i d = 和 ][7A i qgrid -= 在图5（c ）中观察到，提供给电网的平均有功功率为0 [W]和提供给电网的平均无功功率约为400 [ V AR ]，见图5（d ）。提供给电网的瞬时（grid grid Q P ; ）有功和无功功率如图5（d ）所示。只有有功功率在稳定状态向电网提供 。在跌落期间，平均 grid P 是零，只有平均的无功功率被注入电网。因此，低电压穿越要求被满足。在功率平均值周围的瞬时功率振荡在矢量电流控制器方法

[ 21 ]中是固有的，因为系统伴随着平衡的ABC 电流和不平衡的ABC 相电压运行。发电机侧控制器保持自身的调节不变；因此，在发电机的电流[Fig. 6(a) and (b)]，吸收的功率[图6（c ）]，和速度[图6（d ）]上没有变化。回忆一下，发电机侧d q 轴参考的q 轴与转子磁链定向一致。如图6所示（e ），直流母线电压通过切换策略的方式一直保持平衡 ，但在跌落期间直流环节上的有功功率不匹配引起的直流母线电压的增加，它不可接受的，特别是如果电网电压跌落时间长。故障清除后，直流母线电压通过注入比所产生的更多的有功功率到电网来恢复。因此，dgrid i 电流，见图5（c ），达到由控制器施加（10 [A ]）的极限，以避免电感滤波器饱和度。

B 、LVRT 符合所提出的控制

图7和8给出了仿真结果当图4块框图出现电压跌落时被应用 。在电网电压暂降如图7（a ）期间，网侧变换器的控制响应满足低电压穿越的要求，如对于电网的电流的图7（b ）和（c ）和在图7（d ）中的传递给电网的功率 。在这种情况下，主要的区别在发电机侧控制处被观察到。在电压跌落状态下，直流环节电压控制是由发电机侧变流器来假设的。在跌落期间，没有有功功率注入到电网，作为低电压穿越技术要求的结果，如图7（d ）。因此，为了控制直流母线电压，直流母线电压控制使发电机减少有功功率提取一直到零[图8（c ）]。因此，发电机电流减小到零[图8（a ）和（b ）]， 发电机目前的电磁转矩也减小至零，从（3）中分析。 因此， 机械转矩在机械系统涡轮发电机中不匹配，使发电机速度增加[图8（d ）]。直流母线电压保持在其参考价值[图8（e ）]。直流母线电压偏差的主要原因是由于在电网电压跌落出现和消除后控制器的交换。同时，直流环节电压一直保持平衡。

图7.跌落时用所提出的控制技术的电网侧的动态响应仿真。（a ）电网电压(][,,V v V v cN bN aN )；（b ）电网电流（][,,A i i i c b a ）；（c ）电网dq 电流（ ][,A i i qgrid dgrid ）；（d ）有功和无功电网功率（][],[VAR Q W P grid grid ）。

图8.在跌落时的用所提出的控制技术的发电机侧和直流链路的动态响应仿真。（a ）发电机ABC 电流（][,,A i i i w v u ）、（b ）发动机dq 电流（][,A i i sq sd ）、（c ）有功和无功发电机功率 （ ][],[VAR Q W P gen gen ）、（d ）轴机械速度（][rpm m ω ）、（e ） 直流母线电容器的电压（][,V v v n p ）。

在跌落消除后，发电机侧变流器恢复速度控制和电网侧转换器的直流链路电压控制。速度通过电磁转矩大于机械转矩恢复到基准，存储在惯性中的能量交付给电网。电网和发电机的电流值达到由控制器施加的来避免电网滤波和定子电感饱和的极限值（][10A i dgrid =,][7A i sq = ），如图 7（c ）和8（b ）。

最后，注意仿真中认为没有损失（理想状态）。因此，在稳定状态下，所生成的有功功率与注入到电网的有功功率相匹配。

五、实验结果

本节介绍的实验结果来验证在图3所描述的系统控制方案。实验装置如图9所示。该系统的规格已在前面的章节中详细给出。

图9.实验设备概述

风是由永磁同步电机功率控制器（西门子变频）驱动的永磁同步电机（PMSM）的方式来模拟的。永磁同步电动机通过向转轴提供恒定的转轴来模拟风力。虽然这种方法是不准确的，因为一个风力涡轮机的转矩大多取决于旋转速度，在第六部分[ 32 ]- [ 34 ]，结果提供有意义的信息。假设一个最大功率点跟踪（MPPT）的风机控制算法在稳定状态下，风轮机工作在功率曲线的最大速度点，因此速度的增加将导致更小的功率和扭矩。从而，这里采用恒转矩的假设（由于永磁同步电机功率控制器编程限制）比实际的风力涡轮机的运行更为严重。对永磁同步电机的转矩参考（即风力矩）在采用西门子软件的上位机中设置，用户也可以在线更改。

如图9所示，永磁同步电机（风）通过感应电机（不用于这项系统）和连接到到NPC 上的永磁同步风力发电机（PMSG）将轴通过一个电感滤波器移向电网，系统如图3所示。

背靠背NPC技术的控制系统（图4）和切换策略[ 31 ]已经通过使用嵌入式处理器(dSPACE 1103)来实现。12个独立的通过切换策略产生的对应比率发送到负责产生24路开关控制信号和相应的死区时间的EPF10K70公司的可编程逻辑器件。

这项工作的重点放在低电压穿越的依从性。不过，其他的一些测试已在带有所提出的控制器的实验装置进行了，虽然不在这里叙述 ，如稳态运行，风转矩阶跃变化，直流环节参考电压的变化和轴的速度参考阶跃变化。在所有的情况下，良好的系统性能已被发现。

电压跌落已在实验室产生的通过将电网的额定电压的一个相切换到由一个单相自耦变压器产生的较小的电压，使用两个双向电力开关。

图10（a ）显示电网相电压，相电压在60毫秒（从T =0毫秒开始）有55%的电压降。图10给出了电网侧变量和图11发电机侧和直流链路的变量。

图10（b ）中的电网ABC 电流一直保持平衡，就如仿真结果报告。电网连接的显示系统在稳定状态下的功率因数，功率以系统的功率因数传递到电网，如图10（c ）和（d ）。

在电压跌落的状态下，][0A i dgrid =和][7A i qgrid -=可以在图10（c ）中看到，交付给电网的平均有功功率是0 [W]和传递给电网平均功率是400 [ V AR]。

在稳定状态下，在电网跌落出现之前，从发电机中提取的有功功率为500 [W]和向电网注入的有功功率为300 [W]。

图10.用所提出的控制电压下降时实验电网侧的动态响应，从dSPACE 中获得的变量。（a ）电网电压(][,,V v V v cN bN aN )；（b ）电网电流（][,,A i i i c b a ）；（c ）电网dq 电流（ ][,A i i qgrid dgrid ）；（d ）有功和无功电网功率（][],[VAR Q W P grid grid ）。

图11.在电压跌落时用所提出的控制技术的实验中发电机侧和直流链路的动态响应。从dSPACE 得到变量。 （a ）发电机ABC 电流（][,,A i i i w v u ）、（b ）发动机dq 电流（][,A i i sq sd ）、（c ）有功和无功发电机功率 （ ][],[VAR Q W P gen gen ）、（d ）轴机械速度（][rpm m ）、（e ） 直流母线电容器的电压（][,V v v n p ）。

因此，在系统中损失是200 [W]。该系统的效率比较低，但这一结果是符合逻辑的因为在图9所示的背靠背NPC 技术中的开关额定电压为1200 [V]，对于直流环节明显的压降电压（250 [V]）。此外，其他一些以前的实验表明感应电网滤波器还有显著的损失。

在电压跌落期间，如在上一节的叙述，直流环电压控制是通过发电机侧变流器来假设的。图10（a ）–（c ）表明，从发电机中提取的电流和有功功率不降为零如显示在图7（a ）–（c ）的仿真结果。不像仿真模型，在实验装置中，发电机必须提供该系统的损失以保持直流链路电压恒定在其参考价值 [图11（e ）]，虽然在暂态中发现一些小偏差，主要是由于控制器互换。直流母线电容电压的一直保持平衡。

在电网电压跌落时轴机械速度增加到一个类似的值作为等效模拟， 如图11（d ）。在这种情况下，速度显着提高，因为实验装置出现了小惯性。 可以想象由于一个真正的风力发电系统相比于实验风力模拟器具有较高的比惯性/功率，速度的增长将很小。

在电压跌落消除后，发电机侧变流器的恢复速度控制和电网侧转换器的直流链路电压控制。通过从发电机提取更多的的有功功率，速度恢复到基准值，如图10（d ）和提供给地电网（图11（c ），因此惯性中所存储的能量传递给电网。电网和发电机电流达到极限值（7 [A]

dgrid i ，sq i 都为7 [A]）来避免网格滤波器和定子电感饱和，如图。10（c ）和图11（b ）

。在转换器和机械系统的损失有助于符合低电压穿越的要求因为在跌落期间有功功率的剩余比仿真小，这样的功率损失是一种对于储存在惯性中的能量汇聚 ，允许跌落消除后的系统更快的恢复 。

虽然良好的协议在模拟和实验结果之间已被发现，有一定的差异应该注意。一方面，主要的区别是系统上的功率损失。认为在仿真实验中没有损失，但实验系统在转换器的开关，电网滤波器，发电机，直流链路上具有电力损耗。由于摩擦系数也有机械损失。这一损失的影响已上面被适当详细表述。另一方面，考虑前面关于系统损失的评论，在模拟和实验结果得到的类似的速度增加是因为模拟系统中的惯性是实验装置的两倍。此外，仿真中的更高的电网电流限制允许系统在跌落消除后更快地恢复，已是用来匹配模拟时间与实验结果。然而，总体而言，仿真和实验结果证明了所提出的控制技术的良好性能。

六、提出的控制策略的可行性分析

一旦所提出的控制策略进行了验证，接下来的步骤是在一个真正的风力发电系统展现它的实际用处，并预测直流制动操作时可被以免除。这些方面在支持提出的控制技术的可行性的这部分进行了简要讨论，虽然他们是超出了本文的范围。

A 、储存在直流链路电容器的过剩能量

如图6所示，电压跌落时的有功功率过剩可以提供给直流母线电容，增加直流母线电压。在[17]详述，储存直流母线电容的多余能量可以用（7）表示 ，G P 是在跌落期间由发

动机传递的有功功率，C 是每个三电平变换器的直流链路电容，在跌落期间电容器电压从0

V 增加到 f V 。这是假设平衡的直流环节

)(2

12202V V C dt P f G -=? （7）

考虑到原有的数值，例如G P = 2 [MW]，C = 15 [ MF ] [ 35 ]，0V = 1250 [V]（整个直流母线电压为2500 [V]）[ 22 ]，和时长500 [ms]的电压跌落，在跌落期间所以的能量提供给直流环节，表达式（7） 中f V = 8260 [V]，绝对超出电力半导体转换器的范围。较大的电容会抑制电压升高，但是不切实际的[ 17 ]。

B 、储存在惯性中的过剩能量

过剩的能量存储在惯性中时，如 图[8]、[11]，多余的能量通过公式（8）表示 ，其中J 是转动系统的惯性，在跌落期间转子速度 从0ω增加到f ω

)(2

1202

ωω-=

?f G J dt P （8） 发电机转子转动惯量的典型的范围是65–135 [ 2kgm ]，风力涡轮机的转动惯量是3–9 [2610kgm ][32 ]。风力机的转速范围为4–18 [rpm][33 ]。因此，使用传统的数值（G P = 2 [MW]，跌落时间500 [ms]，J = 6 [2610kgm ]，0ω = 10[rpm ]），跌落期间所有的能量存储在惯性，表达式（8）f ω= 11.42 [rpm]。跌落期间速度增加到1.42[rpm] 。这个结果似乎表明的可行性本文提出的控制策略可以应用到一个真正的风力发电系统。

C 、 直流制动豁免时间的分析

当一个电网电压跌落出现时，提出控制策略被应用，最理想的知道直流制动操作可豁免的最大的时间（max t ）。然而，该这个时间的计算非常复杂，因为这取决于许多变量和因素。从公式（8）可知，下面的分析影响这一时间变量max t 。

较大的惯量（J ）、跌落前较小的转子速度（0ω）和更高的最大允许转速提供了更长的max t 。

与在一个特定栅控整流器规定的低电压穿越技术要求同时存在的电网电压跌落的规模和长度在跌落中和跌落后决定有功功率传递给电网 ，因此， 被存储在转子惯性上的能量 值，从而影响max t 。

由发电机给定的功率取决于许多变量。在风力涡轮机， 从风中提取的能量W P 用公式

（9）来计算[ 32 ]，[ 34 ]， ρ是空气密度，R A 是转子扫过面积， W v 是风速度，p c 是汽轮机的性能系数（取决于叶尖速比λ和转子叶距 β）

),(2

13βλρp W R W c v A P = (9) 由于提出的策略意味着在跌落期间速度的增加，值得一提的是，随着稳定状态下最大功率点输出跟踪的算法，更大的速度使p c 减少[ 32 ]，[ 34 ]，因此，从发电机中提取的功率减少，允许更长的max t 。

变桨距控制可以s /20?

的速度改变叶片角度[ 34 ]，减少从风中提取的功率和有功功率剩余，能够延长max t 。

七、结论

一种控制方法被提出来实现了在风力发电系统中基于连接背靠背NPC和全功率变流器的永磁同步发电机的低电压穿越要求。低电压穿越技术可能导致系统中一些暂态有功功率过剩。当平衡或不平衡的电网电压骤降出现时该控制技术允许存储涡轮发电机系统的惯性中的能量过剩。用这种方法，预计的直流制动斩波器的激活在某些情况下可被避免。进一步研究应进行证实在哪种情况下直流制动斩波器的激活可以保存。最后，仿真和实验结果证实所提出的控制方法的可行性。

参考文献

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萨尔瓦多阿勒普兹（S’99–M’03）是出世在巴塞罗那，西班牙。他分别在1993和2004从西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚科技大学（UPC）收到了电气和电子工程学位硕士和博士学位。自1994以来，他一直是一个副教授玛塔托技术学校（Tecnocampus Mataró-Maresme），UPC，巴塞罗那，西班牙。他的感兴趣的领域是在多电平转换交流电源转换应用于可再生能源系统。

阿勒伽尼德罗（S’11）是在西班牙巴塞罗那出生。他2008年从西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚（UPC）技术大学获得了电气学士和硕士学位。他目前正在努力攻读博士电气工程

学位。自2008以来，他一直在UPC的功率研究电子研究中心。他的研究兴趣包括多电平功率变换器的可再生能源系统。

塞尔吉奥布斯克茨（S’99–M’06–SM’11 ）是出世在西班牙的巴塞罗那。他1999年从西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚（UPC）技术大学电气工程的获得的学士学位，从弗吉尼亚大学，理工学院和州立学校，V A，2001获得电机工程硕士学位，和在2006从UPC，巴塞罗那获得博士学位的电气工程。从2001到2002他在皇冠音频，在UPC的电气工程公司是副教授。他的研究兴趣包括电平转换和转换器的集成。

萨米尔（S’04–M’08) 是1978出世在智利的瓦尔迪维亚。他在2004和2008分别收到了智利的瓦尔迪维亚费德里克工程技术大学的电子工程硕士和博士学位。在2004，他加入了UTFSM的电子工程部，在那里他已经是研究助理（2004），相关研究人员（2008），和学术研究（2011）。在2009和2010，他在加拿大多伦多的瑞尔森大学有一个博士后。他的主要研究兴趣包括功率变换器，变速驱动器，和可再生能源发电转换系统。

吴斌(S’89–M’92–SM’99–F’08)）在1993年收到来自加拿大的多伦多大学的电气和计算机工程博士学位。在加拿大的罗克韦尔自动化研究所作为一个高级工程师，他加入加拿大多伦多的瑞尔森大学，在那里他目前是一名教授和国家/罗克韦尔工业在电力电子与电力传动方面的研究主席。他已出版了学术论文250多篇，撰写的两个威利IEEE出版社出版的书籍，并拥有超过20的发布在功率转换的区域专利，先进控制，可调速驱动器，和可再生能源系统。