1.风电并网模型

（1）模型整体结构

如图6.3所示，自然界的风能通过风力机转换成机械能，驱动永磁同步发电机输出电能。发电机定子连接至PWM变流器，将发出的交流电整流为直流电，再通过一个单相全桥变流器调制成高频交流电，然后通过高频变压器变换升压，再经单相全桥变流器还原为直流，并网PWM变流器将直流电转换成恒频恒压的交流电输送至电网。直流侧的超级电容用于提高风电系统的低电压穿越能力。由图6.3可以看出，在常规的风电系统变流器结构中加入高频变压器部分，实现整流和逆变部分的电气隔离，使并网电压大幅升高，由于采用高频变压器结构替换常规的工频电力变压器并网，相当于将升压变压器整合到变频器中，电压升高后电流减小，发热损耗降低。

图6.3 基于固态变压器的永磁同步风力发电并网系统

（2）直流升压环节模型

如图6.3所示，直流升压单元由单相全桥逆变电路、高频变压器和单相全桥整流电路组成。在变压器中，磁通密度B的表达式为

式中，f为变压器的工作频率；A_c为铁心截面积；N为绕组匝数。由式（6.1）可见，当磁通密度B一定时，A_c与f成反比，如果提高变压器的工作频率就可以提高铁心的利用率，大幅减小变压器的体积并提高其整体效率。

直流升压单元的核心技术就是高频变压器的研制，而高频变压器研究的关键技术是磁性材料。目前，开发高性能的纳米超微晶合金材料是该领域的热门研究内容，这也为高频变压器的工程化提供了可行性。

2.系统控制

（1）最大风能跟踪

最大风能跟踪运行于风力机功率系数恒定区，即风速低于额定值的区域。由风能捕获系数的计算式可知，只要令转速满足最佳叶尖速比，即可获得当前风速下对应的最大功率。当风速变化时，由风速和叶尖速比曲线计算得到发电机的转速参考值，用于发电机转速控制。(www.daowen.com)

（2）发电机侧变流器的控制

发电机侧变流器控制发电机的电磁转矩和电磁功率，实现最大风能跟踪。若永磁体采用径向表面式分布，L_d＝L_q，则发电机的电磁转矩方程为

调节定子电流的q轴分量i_sq即可控制电磁转矩T_e和电磁功率P_e。当i_sd＝0时，电磁转矩中只有转矩分量，无磁阻转矩，定子磁动势矢量与永磁体磁场矢量正交。电枢反应没有直轴分量产生的去磁效应，电磁转矩与电枢电流成正比，定子电流与转子永磁体磁通解耦。控制系统可以获得很宽的调速范围。采用转速外环，电流内环双闭环控制方式。根据最大风能跟踪算法得到的转速值作为转速环的给定值，与发电机转速反馈值比较后的差值送入带输出限幅的PI控制器，输出定子q轴电流的给定值i^∗_sq。定子d轴电流的给定值i^∗_sd设为0。

根据永磁同步发电机的电压和电磁转矩方程式，可得变流器的双环解耦控制框图如图6.4所示。

图6.4 发电机侧变流器的解耦控制图

（3）电网侧变流器的控制

电网侧变流器的作用是：①保持直流母线电压恒定；②实现有功功率和无功功率的解耦控制。当u_gd、u_gq为电网电压u_g的d、q轴分量；i_d、i_q为并网电流的d、q轴分量；ω为电网角频率；S_d、S_q为开关函数。控制d轴和q轴电流即可分别控制有功和无功功率。将直流侧电压误差送入PI控制器，输出I^∗_d作为参考值，控制输出有功功率，无功功率设定为0，使系统运行在单位功率因数状态。变流器的双环解耦控制框图如图6.5所示。

图6.5 电网侧变流器的解耦控制图

由于并网电压等级高达10kV，而现在商用IGBT模块的最高电压等级一般在6.5kV左右，因此必须采用串联分压和并联分流来弥补功率器件的不足。而据最新消息，美国已经在研制更高耐压等级（如15kV）的功率器件，这也为高压并网方式减小了工程化的难度。永磁发电机的磁通通常认为是恒定的，但由于发电机设计和其他因素的影响，实际运行中磁通可能存在一定的波动，发电机参数也会有一定的偏离，可以通过其他人工智能控制算法，消除这些变化因素的影响，以获得理想的发电机控制性能。此外，风电系统并网后对电网系统潮流的影响和对电网暂态稳定性的影响也可进一步研究。