2.1 研究内容
(1) 基于永磁同步发电机的背靠背全功率变流器直驱风电系统的数学建模，包括
永磁同步发电机、全功率变流器、为应对电网故障采取的直流侧卸荷电路以及故障前后变桨控制策略，故障前后，风电系统控制策略软件算法实现，采用Matlab仿真工具的S函数编写故障前后的控制算法，便于DSP程序移植，为电机优化控制策略、变流器四象限运行、低电压穿越和对电网进行动态无功补偿等技术提供支持和依据。
(2) 电网电压的快速、准确检测是提高风电机组低电压运行特性的先决条件，风
电场出力的间歇性和波动性决定了电网电压瞬间跌落通常伴有不对称和相位跳变；需要提出一种能够提高基波电压正序分量的检测精度，缩短响应时间，同时能提供网侧变流器运行在STATCOM模式所需的电压补偿指令信号和为变桨执行机构提供故障信号。
(3) 电网故障前后，变桨控制策略的研究。在电网电压正常时，执行风电机组“通
用”的变桨控制策略；一旦接收到检测环节提供的故障信号，通过执行故障下的变桨策略，最大限度地调节桨距角，来快速减少吸收的风能，提高系统的低电压穿越能力。
(4) 永磁同步发电机的优化控制策略，无齿轮箱直驱风电机组通常工作在低速条
件下，电机参数测量不准确或参数随工作条件不同而产生的变化，为使控制策略对电机参数波动和外部干扰具有较强的适应性，同时提高动态响应能力，采用自适应控制对电流控制策略进行改进。
(5) 为实现低电压穿越功能，在背靠背变流器直流侧增加由DC-DC双向变换器
和超级电容器构成的Crowbar电路，可以与直流侧电容进行双向能量交换。正常运行时，调节超级电容器的充放电，使直流侧电压更加稳定；故障情况下，超级电容器可快速吸收直流侧的“故障”电流，维持直流侧电压稳定，并可为网侧变流器运行在STATCOM模式提供更好的“支撑”。
(6) 研究电网故障条件下直流侧Crowbar电路与电网侧变流器协调工作的控制策
略，当电网侧变流器能够保证直流侧电压稳定时，不投入Crowbar电路；否则由Crowbar电路来保持直流侧电压稳定。通过直流侧Crowbar电路，使电网故障对风电机组和永磁同步发电机的运行基本不产生影响，当电网故障消
除后，系统能够快速恢复正常运行，并为直驱风电系统的动态无功支持功能提供条件。
(7) 电网侧变流器在电网故障前后分别运行于单位功率因数模式和STATCOM模
式。故障时，依据检测环节提供的电压幅值和相位，通过具体的STATCOM控制策略和直流侧超级电容器控制策略，最大限度地为电网提供无功支持，提高系统的低电压穿越能力。
3.1 研究方案
(1)系统结构和控制策略
图3 背靠背全功率变流器整体结构图
图4 背靠背全功率变流器整体控制结构图
采用图3所示的背靠背全功率变流器永磁同步发电机并网风电系统。全功率变流器由电机侧PWM变流器和电网侧PWM变流器构成，电机侧PWM变流器实现对PMSG的控制，实现有功无功的解耦控制和转速调节；电网侧PWM变流器实现输出并网，输出有功无功的解耦控制和直流侧电压控制；直流侧卸荷电路用于在电网故障条件下保持直流侧电压稳定，由超级电容器和双向DC-DC变换电路构成。图4为背靠背全功率变流器整体控制结构图，采用双DSP分别对电机侧变流器和电网侧变流器进行控制，并在两个DSP之间进行通讯以协调两个变流器之间的工作。 (2)电网电压检测
当电网发生跌落等故障的时候，通过电网电压检测系统，实时准确的检测出电网电压的各项特征量，获取电压故障信号，以便机组能够迅速有效的向电网提供无功功率支持，稳定电网电压，实现低电压穿越能力。
（a）二阶广义积分正交信号发生器（QSG）
(b)电网电压检测电路
图5 电网电压检测系统原理图
图5是电网电压检测系统原理图，主要包括三个基本模块：正交信号发生部分、正序分量计算部分和锁相部分；该系统输入为电网电压，输出为实时的相位角，正序电压分量和故障信号，其中电压相位角用于坐标变换、计算dq轴分量，正序电压作为补偿电压发送给STATCOM系统；依据所测电压判断的故障信号，调节变桨系统的故障控制器。在实际中，使用电网电压跌落发生器，产生各种故障波形，作为电压检测系统的输入，三个基本模块可以通过Matlab软件S函数仿真实现，并用DSP统一编程来模拟该系统，通过实验检测系统输出值，验证系统的可行性与可靠性。 (3)故障情况下变桨控制策略
在电网故障情况下，为使机组具备更优良的适应低电压穿越能力，采用了图6所示的变桨控制策略结构。最大功率模块和零功率模块分别对应最大功率输出和零功率输出所对应的桨距角。故障控制器依据故障信号，将给定进行切换。通常情况下，桨距角由PI来控制(位置1)；当电网发生故障时，故障控制器依据故障
信号，通过零功率模块控制使得桨距角以最快的速度增加至目标值(位置3)。故障结束后，故障控制器依据最佳功率模块控制桨距角以最大速度调整至最佳值(位置2)。当桨距角回到最佳值后，再切换到普通控制器(位置1)。
ωmax
图6 故障情况下变桨控制策略框图
(4)基于自适应控制的永磁同步发电机优化控制研究
对于永磁直驱风电系统，通常认为永磁磁通是恒定的，但是由于电机设计、运行条件和其他因素的影响，实际中磁通可能存在一定的波动，对于定子电感、电阻等参数，也会因为运行条件的变化发生偏离，拟采用自适应内模控制，实现电机的电流闭环控制，对永磁同步电机的控制进行优化。通过构建自适应控制模型，可以把这些波动因素集成到控制中，从而获得更加精确的电机参数和更好的电机控制性能，永磁同步电机的自适应内模电流控制原理框图如图7所示。这种控制方法中自适应内部模型的建立是重点，内部模型在电机基本方程的基础上考虑了扰动的影响，记为d，根据现代控制理论确定自适应率。在扰动条件下，自适应模型通过自适应率的调节可以估计出扰动量对电压的影响，在控制模型中补偿后可以达到理想的控制效果。
∧
图7 自适应内模电流控制器原理图
(5)用于提高低电压穿越能力的直流侧Crowbar电路 A. 正常运行时Crowbar保护电路的作用
风电机组正常运行时，通过直流侧Crowbar电路中储能单元的作用，使直流侧电压更加稳定，对直流侧功率波动进行快速调节；直流侧电压过高时，由直流侧电压对储能单元进行充电，直流侧电压过低时，由储能单元对直流侧电容进行充电，对直流侧提供功率支持。
B. 电网电压跌落时Crowbar保护电路的作用
(a)直流侧超级电容器DC-DC双向变换器电路
(b)相应的控制策略
图8 直流侧超级电容器DC-DC双向变换器电路及控制策略
当电网电压发生短时跌落故障时，如果风电机组和发电机保持正常运行，则直流侧输入功率不变，而输出功率随电网电压的跌落而降低，直流侧输入功率
大于输出功率，将导致直流侧电压上升。为了消除电网短时故障对风力发电机组的影响，在直流侧增加Crowbar保护电路，当电压跌落幅度较小时，依靠电网侧变流器直流侧电压外环稳定直流侧电压，当电压跌落幅度较大时，直流侧电压会上升，此时投入Crowbar保护电路，利用储能单元吸收直流侧多余的能量，从而使电网的短时故障对风电机组的运行基本不产生影响。Crowbar保护电路由DC-DC双向变换器和储能单元构成，当投入运行时，由DC-DC双向变换器对储能单元进行充放电控制，对电网故障造成的直流侧电压升高做出快速响应，同时，故障消除后，切出Crowbar保护电路，使风电系统迅速恢复正常运行。图8为直流侧超级电容器DC-DC双向变换器电路及控制策略示意图。 (6)用于实现动态无功支持的电网侧变流器STATCOM运行模式
图9 故障条件下电网侧变流器STATCOM运行模式控制策略框图
当电网发生跌落等故障时，通过使直驱风电系统电网侧变流器运行在STATCOM模式，快速向电网提供无功功率支持，稳定电网电压，同时有利于直驱风电机组实现低电压穿越功能。图7是故障条件下电网侧变流器STATCOM运行模式控制策略框图。当电网电压正常时，电网电压外环输出为0，也即电网侧变流器无功电流给定为0，运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。
当电网电压发生跌落时，电网电压外环开始工作，电网侧变流器STATCOM运行模式控制策略是在原有控制的基础上，对无功电流和有功电流的参考值重新分配来实现的。其中无功电流参考值通过电网电压外环PI调节器得到，由于
*22
=imax-iqrefSTATCOM运行模式以无功电流为主要控制对象，因此通过id对有
功参考电流进行限制，当原有有功参考电流小于限制值时，说明电网侧变流器直流侧电压外环尚能对直流侧电压进行调节，当原有功参考电流大于限制值时，直流侧电压外环已经不能有效保持直流侧电压稳定，此时需要投入直流侧Crowbar电路，消耗掉直流侧积累的多余的能量，使直流侧电压保持在安全范围内。通过STATCOM运行模式向电网快速提供无功支持，提高系统的低电压穿越能力。
2.1 研究内容
(1) 基于永磁同步发电机的背靠背全功率变流器直驱风电系统的数学建模，包括
永磁同步发电机、全功率变流器、为应对电网故障采取的直流侧卸荷电路以及故障前后变桨控制策略，故障前后，风电系统控制策略软件算法实现，采用Matlab仿真工具的S函数编写故障前后的控制算法，便于DSP程序移植，为电机优化控制策略、变流器四象限运行、低电压穿越和对电网进行动态无功补偿等技术提供支持和依据。
(2) 电网电压的快速、准确检测是提高风电机组低电压运行特性的先决条件，风
电场出力的间歇性和波动性决定了电网电压瞬间跌落通常伴有不对称和相位跳变；需要提出一种能够提高基波电压正序分量的检测精度，缩短响应时间，同时能提供网侧变流器运行在STATCOM模式所需的电压补偿指令信号和为变桨执行机构提供故障信号。
(3) 电网故障前后，变桨控制策略的研究。在电网电压正常时，执行风电机组“通
用”的变桨控制策略；一旦接收到检测环节提供的故障信号，通过执行故障下的变桨策略，最大限度地调节桨距角，来快速减少吸收的风能，提高系统的低电压穿越能力。
(4) 永磁同步发电机的优化控制策略，无齿轮箱直驱风电机组通常工作在低速条
件下，电机参数测量不准确或参数随工作条件不同而产生的变化，为使控制策略对电机参数波动和外部干扰具有较强的适应性，同时提高动态响应能力，采用自适应控制对电流控制策略进行改进。
(5) 为实现低电压穿越功能，在背靠背变流器直流侧增加由DC-DC双向变换器
和超级电容器构成的Crowbar电路，可以与直流侧电容进行双向能量交换。正常运行时，调节超级电容器的充放电，使直流侧电压更加稳定；故障情况下，超级电容器可快速吸收直流侧的“故障”电流，维持直流侧电压稳定，并可为网侧变流器运行在STATCOM模式提供更好的“支撑”。
(6) 研究电网故障条件下直流侧Crowbar电路与电网侧变流器协调工作的控制策
略，当电网侧变流器能够保证直流侧电压稳定时，不投入Crowbar电路；否则由Crowbar电路来保持直流侧电压稳定。通过直流侧Crowbar电路，使电网故障对风电机组和永磁同步发电机的运行基本不产生影响，当电网故障消
除后，系统能够快速恢复正常运行，并为直驱风电系统的动态无功支持功能提供条件。
(7) 电网侧变流器在电网故障前后分别运行于单位功率因数模式和STATCOM模
式。故障时，依据检测环节提供的电压幅值和相位，通过具体的STATCOM控制策略和直流侧超级电容器控制策略，最大限度地为电网提供无功支持，提高系统的低电压穿越能力。
3.1 研究方案
(1)系统结构和控制策略
图3 背靠背全功率变流器整体结构图
图4 背靠背全功率变流器整体控制结构图
采用图3所示的背靠背全功率变流器永磁同步发电机并网风电系统。全功率变流器由电机侧PWM变流器和电网侧PWM变流器构成，电机侧PWM变流器实现对PMSG的控制，实现有功无功的解耦控制和转速调节；电网侧PWM变流器实现输出并网，输出有功无功的解耦控制和直流侧电压控制；直流侧卸荷电路用于在电网故障条件下保持直流侧电压稳定，由超级电容器和双向DC-DC变换电路构成。图4为背靠背全功率变流器整体控制结构图，采用双DSP分别对电机侧变流器和电网侧变流器进行控制，并在两个DSP之间进行通讯以协调两个变流器之间的工作。 (2)电网电压检测
当电网发生跌落等故障的时候，通过电网电压检测系统，实时准确的检测出电网电压的各项特征量，获取电压故障信号，以便机组能够迅速有效的向电网提供无功功率支持，稳定电网电压，实现低电压穿越能力。
（a）二阶广义积分正交信号发生器（QSG）
(b)电网电压检测电路
图5 电网电压检测系统原理图
图5是电网电压检测系统原理图，主要包括三个基本模块：正交信号发生部分、正序分量计算部分和锁相部分；该系统输入为电网电压，输出为实时的相位角，正序电压分量和故障信号，其中电压相位角用于坐标变换、计算dq轴分量，正序电压作为补偿电压发送给STATCOM系统；依据所测电压判断的故障信号，调节变桨系统的故障控制器。在实际中，使用电网电压跌落发生器，产生各种故障波形，作为电压检测系统的输入，三个基本模块可以通过Matlab软件S函数仿真实现，并用DSP统一编程来模拟该系统，通过实验检测系统输出值，验证系统的可行性与可靠性。 (3)故障情况下变桨控制策略
在电网故障情况下，为使机组具备更优良的适应低电压穿越能力，采用了图6所示的变桨控制策略结构。最大功率模块和零功率模块分别对应最大功率输出和零功率输出所对应的桨距角。故障控制器依据故障信号，将给定进行切换。通常情况下，桨距角由PI来控制(位置1)；当电网发生故障时，故障控制器依据故障
信号，通过零功率模块控制使得桨距角以最快的速度增加至目标值(位置3)。故障结束后，故障控制器依据最佳功率模块控制桨距角以最大速度调整至最佳值(位置2)。当桨距角回到最佳值后，再切换到普通控制器(位置1)。
ωmax
图6 故障情况下变桨控制策略框图
(4)基于自适应控制的永磁同步发电机优化控制研究
对于永磁直驱风电系统，通常认为永磁磁通是恒定的，但是由于电机设计、运行条件和其他因素的影响，实际中磁通可能存在一定的波动，对于定子电感、电阻等参数，也会因为运行条件的变化发生偏离，拟采用自适应内模控制，实现电机的电流闭环控制，对永磁同步电机的控制进行优化。通过构建自适应控制模型，可以把这些波动因素集成到控制中，从而获得更加精确的电机参数和更好的电机控制性能，永磁同步电机的自适应内模电流控制原理框图如图7所示。这种控制方法中自适应内部模型的建立是重点，内部模型在电机基本方程的基础上考虑了扰动的影响，记为d，根据现代控制理论确定自适应率。在扰动条件下，自适应模型通过自适应率的调节可以估计出扰动量对电压的影响，在控制模型中补偿后可以达到理想的控制效果。
∧
图7 自适应内模电流控制器原理图
(5)用于提高低电压穿越能力的直流侧Crowbar电路 A. 正常运行时Crowbar保护电路的作用
风电机组正常运行时，通过直流侧Crowbar电路中储能单元的作用，使直流侧电压更加稳定，对直流侧功率波动进行快速调节；直流侧电压过高时，由直流侧电压对储能单元进行充电，直流侧电压过低时，由储能单元对直流侧电容进行充电，对直流侧提供功率支持。
B. 电网电压跌落时Crowbar保护电路的作用
(a)直流侧超级电容器DC-DC双向变换器电路
(b)相应的控制策略
图8 直流侧超级电容器DC-DC双向变换器电路及控制策略
当电网电压发生短时跌落故障时，如果风电机组和发电机保持正常运行，则直流侧输入功率不变，而输出功率随电网电压的跌落而降低，直流侧输入功率
大于输出功率，将导致直流侧电压上升。为了消除电网短时故障对风力发电机组的影响，在直流侧增加Crowbar保护电路，当电压跌落幅度较小时，依靠电网侧变流器直流侧电压外环稳定直流侧电压，当电压跌落幅度较大时，直流侧电压会上升，此时投入Crowbar保护电路，利用储能单元吸收直流侧多余的能量，从而使电网的短时故障对风电机组的运行基本不产生影响。Crowbar保护电路由DC-DC双向变换器和储能单元构成，当投入运行时，由DC-DC双向变换器对储能单元进行充放电控制，对电网故障造成的直流侧电压升高做出快速响应，同时，故障消除后，切出Crowbar保护电路，使风电系统迅速恢复正常运行。图8为直流侧超级电容器DC-DC双向变换器电路及控制策略示意图。 (6)用于实现动态无功支持的电网侧变流器STATCOM运行模式
图9 故障条件下电网侧变流器STATCOM运行模式控制策略框图
当电网发生跌落等故障时，通过使直驱风电系统电网侧变流器运行在STATCOM模式，快速向电网提供无功功率支持，稳定电网电压，同时有利于直驱风电机组实现低电压穿越功能。图7是故障条件下电网侧变流器STATCOM运行模式控制策略框图。当电网电压正常时，电网电压外环输出为0，也即电网侧变流器无功电流给定为0，运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。
当电网电压发生跌落时，电网电压外环开始工作，电网侧变流器STATCOM运行模式控制策略是在原有控制的基础上，对无功电流和有功电流的参考值重新分配来实现的。其中无功电流参考值通过电网电压外环PI调节器得到，由于
*22
=imax-iqrefSTATCOM运行模式以无功电流为主要控制对象，因此通过id对有
功参考电流进行限制，当原有有功参考电流小于限制值时，说明电网侧变流器直流侧电压外环尚能对直流侧电压进行调节，当原有功参考电流大于限制值时，直流侧电压外环已经不能有效保持直流侧电压稳定，此时需要投入直流侧Crowbar电路，消耗掉直流侧积累的多余的能量，使直流侧电压保持在安全范围内。通过STATCOM运行模式向电网快速提供无功支持，提高系统的低电压穿越能力。