储能型直驱永磁同步风力发电控制系统
超导储能提高直驱风电系统低电压穿越能力韵控制策略
关键词 ： 风力发电｝ 永磁直驱 ， 变换器 控制ｌ 低 电压穿越 ｝ 超 导储 能系统
中图分类号 ： ＴＭ７ １ 文献标识码 ： Ａ
Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ ｆ ｏ ｒ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｌ ｏ ｗ＝ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｒ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ＝
ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｎ ｗｉ ｎ ｄ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ
ＤＯＮＧ Ｒｕ ｉ － ｈ ｏ ｎ ｇ ，ＤＡＮＧ Ｃｕ ｎ － ｌ ｕ ，ＬＩ Ｎ Ｇｕ ｏ － ｆ ｕ
超导储 能提高直驱风 电系统低 电压 穿越能力的 控制 策略
董瑞 洪 ，党存禄 ， 林 国富
（ １ ．兰州理工大学 计算机与通信学院 ， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ） ２ ．兰州理工大学 电气工程与信息工程学 院， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
摘要 ： 针对 电网故障 、 扰动引起 的电网电压跌 落给并网运行 的永磁直驱风力发 电系统带来的 问题 ， 应用超导储能 系
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ．Ｔｈ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｂ ｏ ｔ ｈ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ —
风电储能系统运行分析及控制策略探究与讨论
风电储能系统运行分析及控制策略探究与讨论摘要：本文首先分析了风力发电机的类型，然后对风电储能系统运行分析及控制的应用实践进行阐述，最后总结了几点风电储能系统运行的控制策略，主要包括储能设备的选择及分析、提高含风电电力系统的暂态稳定性、相关注意要点，以此来不断提升风电储能系统运行效率，同时保证良好的控制效果。
关键词：风电储能系统；运行分析；控制策略目前，能源互联网概念应运而生，储能在未来能源系统发展中起到了重要的作用。
在储能技术的分类方面，物理储能、化学储能和电磁储能类型为重要的组成。
其中，针对于化学储能，技术发展速度较快，分析其优势，具有良好的环境适应性，且占地少、工期短等。
同时，在新能源产业不断发展过程中，要想实现清洁能源的高效利用，储能已经成为了人们共同关注的焦点话题之一。
因此，应对风电储能典型运行工况进行深入分析，将不同类型储能电池运行中的特性及差异高度明确化，以此来为后期储能设计与控制助益。
一、风力发电机的类型首先，双馈异步风力发电机。
这种机型具有变速恒频发电系统的称号【1】，其风力机的变速运行状态可以实现，运行速度的调节范围比较广阔，满足利用效率的提升需求；发电机本身对另外附加无功补偿设备也没有提出过高的要求，功率因数的调节范围较为固定，所以调节无功功率出力的能力可以保证。
其次，目前，在国内运行风电场的机组中，异步风电发电机得到了广泛应用，对其特点进行分析，结构简单、运行可靠等优势突出。
要想使电网对风电场功率因数的要求得到满足与实现，在机端并联补偿电容器的方法更为常用，在其补偿策略中，应将若干组固定容量的电容器配置在异步发电机。
通常来说，风速大小与气候环境变化之间联系密切，驱动发电机的风力机运行风速不可能全程额定，所以要想将低风速时的风能利用水平提升上来，应对全年的发电量予以增加，所以双速异步发电机更为适用。
最后，直驱式交流永磁同步发电机。
对于齿轮箱这一部件，在大型风力发电机组运行方面具有较强的影响力，且故障的发生几率较高。
直驱式风力发电系统无电压传感器的SVPWM整流控制
图3 虚拟电网磁链观测器
图中L 为电感量，要使所得的磁链幅值无差且
(4)
ωc =ω， ω为交流电压角频率。由 无相移：N = 2ω， 1 同时高频 于积分的低通性，n 次谐波被消减为n 倍，
开关谐波也被消减，所以采用磁链定向的控制方式 对谐波和干扰有良好的抑制作用。 图4为无电压传感器磁链定向空间矢量脉宽调 制(S V P W M)整流控制系统框图，该系统中的定向矢 量为磁链，磁链由式(3)可求得。
2 1 ν α = 3 V dc[ S a - 2 (S b+ S c)] 3 ν β= 3 V dc(S b - S c) 将式(1)中方程两边同时积分，即： (2)
为0，从而实现单位功率因数整流。在磁链矢量定 向控制中eq = E ，ed = 0，前馈解耦控制方程为[5]： K iI * ν q = -(K iP + s )(i q - iq )-ωLid + E (5) K iI * ν = -( K + )( i i )+ ωLi d iP d d q s 式中 K i P、K i I 为电流内环比例调节增益和积分
14 12 10 iq Vdc 520 515 510 500 495 id 0.12 0.14 t/s 0.16 0.18 490 485 480 0.20 Vdc/V 505
3 仿真结果
图5为a相电压电流波形，谐波很小，均为正弦 波，且相位相同，说明该控制方式实现了单位功率 因数整流。图6为a相电压和磁链波形，该波形证明 了图2中电动势、磁链矢量关系的正确性。
K I = 15， 电流内环参数为 K P = 6，K I = 12。 为 K P = 0.6，
图 7 显示在磁链定向正确的情况下，以Ψα 、
湘电风能直驱式永磁单轴承大功率发电机组简介
技术来源 —— 创新提高 建设国家级风电成套装备总装基地
投入 4 亿元建设风机总装基地。在湘潭 高 新 区购买 250 余亩地， 2007 年 10 月 底，完成总装车间及研发大楼建设，投入 使用 2008年完成福建分公司总装车间并已投 入使用
建设国家级风力发电机制造基地
投入 2.7 亿元建设直驱永磁风力发电机 制造基地，新建厂房20,000平方米。 2007 年年 3 月底完成主体工程建设， 2008年8月全部竣工，投入使用 2009年建设直驱永磁风力发电机制造基 地（二期）
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机型选择 —— 原理与规则
湘电XE-2MW系列风机采用的沿海及海上技术
提高极限生存能力，可抗７０m/s的台风。 风机内部通风采用正压过滤技术。 发电机采用单轴承迷宫设计，旋转部分只有一条缝隙。 风机表面采取防腐蚀、防盐雾 、防潮处理。 电气元器件采取防护处理。 机组已经过荷兰鹿特丹、台湾、日本北海道（其中Z82型2 台）等沿海地区的实际运行，通过了长时间沿海风场考验，并 已承接了３３台韩国海上风场的订单，完全能够适用于沿海和 海上风电场环境使用要求；
技术来源 —— 技术引进 公司采用Zephyros(原Lagerwey)的成熟技术
荷兰Lagerwey公司成立于80年代，是世界上最早从事兆瓦级 风机研发和制造的公司之一。 前期从事250kW、带增速齿轮箱风机的开发与生产，在日本和 欧洲安装了300多台。在运行中，发现增速齿轮箱的故障率 高，从而在后续成功的开发出750kW直驱式风力发电机组，并 在日本和欧洲安装了二百多台，运行的可靠性较传统风机有了 质的飞跃 2000年，为开发2MW直驱式风机，公司重组为Zephyros公 司，并于当年在荷兰鹿特丹安装了第一台样机，成功实现并网 运行 2005 年 原 弘 产 株 式 会社 (Harakosan) 挑 战 美国 GE等 5家 公 司，成功收购Zephyros公司， 2MW直驱式风机至今在日本、 欧洲和中国台湾、福建、内蒙已成功安装了74+110台该型机 组，运行情况良好，得到了业内高度评价 2007年荷兰Enercon集团成功获得Zephyros公司直驱式海上 风机研发权，并启动设计5MW直驱式海上风机
SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用
SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用摘要：由于我国风能充足的地理特点，风力发电具有很高的实用性，而双馈式风力发电机DFIG 作为一种变速恒频式异步发电机，由于其造价适中，容易实现并网运行，同时具有一定的无功补偿作用等特点，逐渐取代笼型异步风力发电机和永磁同步风力发电机。
在实际使用过程中，这种设备受到外界风速变化的影响较大，其发电功率的随机性强，给电网的电压稳定造成了很大的影响。
下文分析了双馈风力发电系统对电网电压和无功功率的影响，并提出了使用 SVG 来优化的具体建议。
关键词：SVG；双馈风力发电系统电压无功控制应用；随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加，无功功率的负面效应也日益明显，无功功率问题对电力系统和电力用户都十分重要。
无功电源是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。
因此，解决好无电功补偿问题，对提高电能质量、降低网损、节能有着极为重要的意义。
目前采用的无功补偿绝大多数是投切固定容量的电容器组，只有少量同步调相机和静止无功补偿器，可调节的无功容量不足，能快速响应的无功调节设备就更少。
而SVG技术日趋成熟，电网无功功率变化情况，在电力系统无功补偿方面正发挥着越来越重要的作用。
1.SVG原理SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
SVG电路有电压型桥式和电流型桥式2种类型，电路由6个全控型开关器件、二极管桥式整流器及电容储能元件组成，SVG电路交流侧经电抗器、变压器与电力网相连作为其输出端，根据电网无功功率变化情况，通过控制器控制6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功功率。
它相当于一个电压型逆变器，只不过交流侧输出接的不是无源负载，而是电力网。
另外，二极管桥式整流器从交流系统吸取少量有功功率，对电路直流侧电容充电，以保持压稳定。
直驱永磁风力发电机组
GB/ T 19568－2004风力发电机组装配和安装规范
GB/T×××××.2直驱永磁风力发电机组 第2部分：试验方法
GB/T×××××.1－××××风力发电机组低速永磁同步发电机第1部分：技术条件
GB/T×××××.2－××××风力发电机组低速永磁同步发电机第2部分：试验方法
6——
7——国家质量监督机构要求进行的型式检验时。
8——
检验项目
15.3
除另有规定外，风力发电机组的检验项目应符合表2的规定。
表1风力发电机组的检验项目和检验方法
序号
检验项目
出厂检验
现场检验
型式检验
要求
1
材质
△
－
△
2
外观检查
△
△
△
3
产品制造与装配
质量检查
△
－
△
4
拖动试验
△
－
△
5
控制功能试验
△
△
△
6
安全保护功能试验
在启动风速附近，发电机能够发电的最低转速。
缩略语
12
直驱永磁风力发电机组缩略语为机组。
技术要求
13
总则
13.1
机组应符合本标准的有关规定，并按规定程序批准的图样和技术文件生产制造。
13.1.1
机组采用的低速永磁同步发电机应符合GB/T
13.1.2
机组的
13.1.3
机组的
13.1.4
机组
13.1.5
机组的偏航系统应符合JB
术语和定义
GB/T2900.53确立的以及下列术语和定义适用于本标准。
浅谈直驱永磁发电机机侧的弱磁控制
浅谈直驱永磁发电机机侧的弱磁控制摘要：在风力发电机组满功率运行时，由于风况多变，存在变桨滞后等现象；此时主要的表现为：发电机转速波动很大，而这种转速的波动在一定范围内是被允许的。
对于双馈发电机来说，此时可以通过降低双馈发电机励磁电流来降低磁通以达到控制功率输出的目的；而直驱永磁电机由于采用永磁体作为磁场的提供者，其产生的磁场是无法调节的，那么在转速发生波动的情况下，如果不采取任何措施，就会出现功率输出会跟随转速波动而波动。
能否让永磁发电机如同双馈发电机一样控制磁通量来达到控制功率的效果，对此该文进行了分析与阐述关键词：永磁电动机永磁发电机弱磁控制中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（a）-0069-03在风力发电技术的发展过程中，有2个发展方向：一是双馈异步风力发电，一是永磁同步风力发电；分别选用了永磁同步发电机与双馈异步发电机作为发电主设备双馈机组的异步发电机在结构上为定转子三相对称，转子电流由滑环接入。
通过增速齿轮箱将风速的变化传递到发电机，为保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流的频率，从而实行了风电机组的功率控制永磁发电机组是以永磁发电机、全功率变流器为核心的风力发电系统，通过全功率变流器与高压电网相联，变流器将风电机组输出的不停变化的交流电，首先变换成直流电，再通过逆变器逆变成电网需要的电压、频率和幅值及相位1 永磁发电机满功率运行时存在的问题在满功率运行时，风况多变，存在变桨滞后的现象，此时主要的表现为：发电机转速波动很大。
而这种转速的波动在一定范围内是被允许的，例如：金风2.5 MW-121（叶片）风力发电机组额定转速为m转/min，最大允许的额定转速为1.1倍的额定转速对于双馈发电机来说，此时可以通过降低双馈发电机励磁电流来降低磁通来达到控制功率输出的目的；而直驱永磁电机由于采用的永磁体作为磁场的提供者，其产生的磁场是无法调节的，那么在转速发生波动的情况下，如果不采取任何措施，会出现功率输出会跟随转速波动而波动，最大功率将为1.1倍的额定功率；而根据有功功率高故障的触发条件，此时就会造成机组的故障停机此时，首先想到将超发的有功功率消耗掉，那么根据目前风力发电机组设计来看，能够快速消耗掉电能的元器件为制动电阻；但制动电阻的启停是受到限制的，不可能长时间或频繁启动来消耗超发的电能。
《2024年直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究》范文
《直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究》篇一摘要：随着能源危机与环境保护问题的日益凸显，风力发电作为一种清洁可再生能源的代表，受到了广泛的关注和重视。
直驱型风力发电系统以其高效率、低维护成本等优势，在风力发电领域中占据重要地位。
本文重点研究了直驱型风力发电系统的全功率并网变流技术，探讨了其技术原理、系统构成、控制策略及实际应用等方面，以期为风力发电技术的进一步发展提供理论支持和实践指导。
一、引言随着全球能源结构的转型，风力发电作为绿色能源的重要组成部分，其发展对于缓解能源压力、减少环境污染具有重要意义。
直驱型风力发电系统以其高效、可靠的特点，在风力发电领域中得到了广泛应用。
然而，要实现风力发电系统的稳定、高效运行，关键在于其并网变流技术的研发与应用。
因此，本文旨在深入探讨直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的相关问题。
二、直驱型风力发电系统概述直驱型风力发电系统是一种直接将风能转换为电能的发电系统，其核心部件为永磁发电机。
该系统通过风力驱动永磁发电机转动，进而产生电能。
由于没有齿轮箱等传动部件，直驱型风力发电系统具有较高的传动效率和较低的维护成本。
此外，该系统还具有较好的低电压穿越能力，能够在电网电压波动时保持稳定的输出。
三、全功率并网变流技术原理及系统构成全功率并网变流技术是直驱型风力发电系统的关键技术之一。
该技术通过将发电机产生的电能进行变换、滤波和并网等处理，实现与电网的连接。
其原理主要包括以下几个方面：1. 变换器：将发电机产生的交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为与电网同频同相的交流电。
2. 滤波器：对变换后的电能进行滤波处理，消除谐波等干扰因素，保证并网电能的质竨。
3. 并网控制：通过控制变换器和逆变器的运行参数，实现与电网的同步并网。
系统构成方面，全功率并网变流系统主要包括变换器、逆变器、滤波器、控制系统等部分。
其中，控制系统是整个系统的核心，负责实现电能的变换、滤波和并网控制等功能。
风力发电机的简介
浅析风力发电机组一．引言随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。
中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。
在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。
在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。
二．风力发电机组的分类（1）风力发电机组类型按容量分容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大型机组 ,大于10000kW 为特大型机组。
（2）风力发电机组类型按风轮轴方向分水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。
风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。
上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。
垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。
垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。
（3）风力发电机组类型按功率调节方式分定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。
变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。
主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。
（4）风力发电机组类型按传动形式分高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。
齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。
直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。
风力发电机组控制系统
风力发电机组控制系统摘要:主控系统是风力发电机组的核心，通过数字量和模拟量的输入来完成数据的采集，然后根据内部设定的程序，完成逻辑功能的判断，最后通过模拟量和数字量的输出达到控制机组和保障机组安全稳定运行的目的。
关键词：数据；逻辑；控制1主控系统工作内容⑴主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成以下工作：⑵采集数据并处理输入、输出信号；判定逻辑功能；⑶对外围执行机构发出控制指令；⑷与机舱柜及变桨控制系统进行通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信号；⑸与中央监控系统通讯、传递信息。
2数字模拟⑴数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。
数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。
输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。
⑵数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等负载。
数字量输出模块将CPU内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。
输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器。
⑶模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，主要由A/D转换器组成。
⑷模拟量输出模块将CPU送给它的数字信号转换成电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，主要由D/A转换器组成。
⑸CX5020：金风2.0MW主控系统选用CX5020为主控系统的核心控制器CX5020带有两个独立的以太网端口(可定义两个独立的IP地址)和四个USB2.0接口。
一块位于盖板后面并可从外部拆装的可互换的CF卡作为CX5020的引导和存储介质，CX5020还内置了一个1秒钟UPS，可确保在CF卡上安全备份持久性应用数据，目前CX5020选用的操作系统是Windows CE，可以通过CERHOST软件进行访问。
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第38卷 第14期 电力系统保护与控制 Vol.38 No.14 2010年7月16日 Power System Protection and Control Jul. 16, 2010
储能型直驱永磁同步风力发电控制系统
王文亮1，葛宝明1，毕大强2 （1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京 100084）
摘要：为提高直驱永磁风力发电系统的性能，在直流侧增加新型钒氧化还原液流电池（VRB）储能装置。设计了相应的双向DC/DC变换器控制策略，在风速变化时，VRB能够通过快速充放电平抑系统发电机输出功率波动以及平衡电网需求功率；在电网电压跌落时，还可提高低电压穿越能力。对具有储能电池的风力发电系统建立了仿真模型，详细分析了系统在风速变化、电网需求功率变化以及电压跌落时的动态响应过程和运行特性，并给出了仿真验证。仿真结果表明，在直流侧加VRB储能装置，有效地提高了直驱风电系统并网运行性能和低电压穿越能力，系统动态响应速度快。 关键词：直驱风电系统；永磁同步发电机；储能电池；钒氧化还原液流电池；低电压穿越
Energy storage based direct-drive permanent magnet synchronous wind power control system WANG Wen-liang1，GE Bao-ming1，BI Da-qiang2 （1. School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China； 2. State Key Lab of Power System，Dept of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
Abstract：To enhance the performance of direct-drive permanent magnet wind power generation system，a new type of vanadium redox flow battery (VRB) energy storage system (ESS) is added at DC-side of the converter．Correspondingly，the control strategy of bi-directional converter is developed．VRB ESS can quickly charge and discharge so that it can smooth the fluctuation of generator output power and balance the demand for power grid when the wind rapidly changes；while the voltage grid dips，it can also improve the ability of LVRT．The simulation model is established，and the dynamic response process and operation characteristics are analyzed in detail．The simulation results show that the performances of grid connected operation and LVRT are effectively improved for the direct-drive wind power system by adding VRB ESS at the DC-side，and the dynamic respond speed of system is fast． This work is supported by grants from the Power Electronics Science and Education Development Program of Delta Environmental & Educational Foundation(No.DREG2009006) and State Key Lab of Power System(No.SKLD09KZ10)． Key words：direct-driven wind power system；permanent magnet synchronous generator；energy storage battery；vanadium redox flow battery (VRB)；low voltage ride through (LVRT)
中图分类号： TM614 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)14-0043-060 引言 大规模风力发电一般直接并网运行，随着风力发电规模的不断增大，电网对风力发电的电能质量要求越来越高，风电场的运行对电网稳定性的影响将不容忽视。 发电机输出功率取决于风速，由于风速具有不可控性、不可预期性和随机波动特性，导致输出功率波动大，随机波动的功率接入电网会对电网运行 基金项目：台达电力电子科教发展计划基金(DREG2009006)和电力系统国家重点实验室项目(SKLD09KZ10)资助。 的稳定性及经济性带来负面影响[1]，因此风力发电并网功率随机波动问题亟待解决。另一方面，在欧洲风电技术超前的一些国家制定了新电网运行准则，要求只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网，这就要求风电系统具有较强的低电压穿越能力，并能方便地为电网提供无功支持。 直驱永磁风力发电系统在电压跌落时，可以只在网侧变换器和直流侧采取对应措施，如在直流侧增加卸荷负载或储能装置，来提高低电压穿越能力[2-3]，
使电机侧变换器及电机系统能够正常运行不受影响，这是永磁直驱风电系统的低电压穿越能力优于- 44 - 电力系统保护与控制 双馈式系统之处[4]。文献[4]中采用在直流侧加卸荷负载提高系统低电压穿越能力，电压跌落时，直流侧多余的能量纯粹被浪费掉了，且需要大负载并提供散热。文献[5-6]中说明通过控制网侧变换器，可以在一定程度上提高低电压穿越能力，但是提高的水平有限。文献[7]说明在直流侧和电网之间增加辅助变换器可以提高低电压穿越能力，但要增加功率等级更大的辅助变换器，在故障发生和结束时要进行网侧变换器和辅助变换器之间的切换，成本相对较高，控制也比较复杂。本文采用在直流侧加储能电池提高低电压穿越能力，当电压跌落时，多余的能量被储存，直流侧电压不足时，储能电池放电为电容充电，可以实现能量再利用，能够较好地保持直流侧电压的稳定，并且能用存储的能量为电网提供一定的功率支持。 性能优良的储能电池与大规模风力发电配套使用，是改善电力系统运行性能的重要手段。钒氧化还原液流电池（VRB）相对其它储能电池（如铅酸电池、钠硫电池等）有许多优点，如寿命长，快速响应，低维护，在室温下运行，材料低廉，更换和维修费用低，额定功率和额定能量相互独立等，适合大规模电力储能，是一种潜力巨大的新型环保优秀储能电池[8-10]。
因此，本文构建在直流侧增加侧钒电池储能装置的直驱永磁风力发电系统，设计双向DC/DC变换器的控制策略，详细分析了储能系统对平抑电机输出功率波动、平衡电网需求功率以及当电压跌落时提高机组低电压穿越能力的动态响应过程和运行特性，并通过仿真验证了系统模型和控制策略的正确性和可行性。
1 最大风能跟踪控制原理 风力机从风能中捕获的功率Pw可表示为： 3wp0.5PACvρ= （1）
式中：ρ为空气密度；A为风力扫过的面积；v为风速；Cp为风能利用系数，在桨距角一定的情况下，是叶尖速比λ的函数：/Rλωυ=，ω为风力机的
机械角速度，R为风轮半径。 为仿真方便，Cp采用文献[2]中的表达式：
310.0351/0.081γλββ⎛⎞=−⎜⎟++⎝⎠ （2）
()12.5/
p0.22116/0.45Ceγ
γβ−
=−− （3）
当桨距角β保持不变时，风力机输出功率系数Cp仅由叶尖速比λ决定。使风力机运行于最佳叶尖
速比λopt就可以得到最大风能利用系数Cpmax，此时
风力机转换效率最高。对于一台确定的风力机，在一个特定风速下，应使风力机运行在某一特定的转速下得到最佳叶尖速比，实现最大风能捕获；在不同的风速下，总有一个与最大风能利用系数相对应的最佳叶尖速比。把各风速下对应的最大输出功率点连起来形成一条最佳功率曲线。要跟踪踪最佳功率曲线，获得最大风能，就要在风速变化时及时调节风轮机的转速，保持最佳叶尖速比，实现最大功率跟踪[11-12]。
图1是基于爬山法的最大功率跟踪点控制算法原理图，其中捕获的风能wwPTω=∗，wT为风
机机械转矩；ω为风力机旋转速度（也是发电机的机械角速度，因为风力机与永磁电机同轴相连）；ω∆是转速调节步长。www()()(1)PnPnPn∆=−−，
()()(1)nnnωωω∆=−−。通过不断地检测功率和转速变化对转速进行调节，使其运行在最大功率点上，从而使系统输出最大功率。
Pw计算，ω测量
ω*(n+1)=ω*(n)+∆ω*
∆ω*=Sign(∆Pw(n))*Sign(∆ω(n))*∆
ω
图1 基于爬山法最大功率跟踪控制原理图 Fig.1 MPPT control principle based on the climbing method
2 储能型直驱永磁风电系统原理 具有储能环节的直驱永磁风力发电系统主要由风力机、PMSG、双PWM变换器、双向DC/DC充电器、储能装置和电抗器等构成，如图2所示。发电机首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，通过整流后变为直流，然后再经过三相逆变器变换为三相电压和频率恒定的交流电传递到电网上。直
电网电网侧变流器电机侧变流器PMSG阻抗
ESS 图2 直流侧加储能装置的直驱永磁风电系统 Fig.2 Direct-drive permanent magnet wind power system with ESS at DC-side