基于Matlab/Simulink搭建了直驱式永磁同步风力发电系统的仿真模型，通过与基于Crowbar保护电路的传统低电压穿越方法的对比，验证低电压控制策略的动态性能及对风力机转速的影响。仿真系统结构如图7-27所示，风力发电机组和电网参数见表7-3。
图7-27 直驱式永磁同步风力发电机组并网仿真结构图
表7-3 风电系统仿真参数
通过该仿真系统，对两种控制方式下的低电压穿越和高电压穿越分别作了仿真研究。电网在2s时发生电压跌落故障，电压跌落深度为额定电压的80%，持续时间为0.625s；在4～5s期间电网电压抬升15%。仿真结果如图7-28所示。
图7-28和图7-29分别为在电网电压扰动后，在传统变流器控制策略下基于Crowbar的低电压穿越方式和本文所提出的有功和无功协调控制策略下基于转子储能的低电压穿越控制方式的动态响应对比，包括电网电压Uabc、电网电流Iabc、风力机的机械功率Pm、机侧和网侧变流器有功功率Ps和Pg、发电机转速ωc、网侧变流器的有功电流和无功电流Id、Iq以及变流器直流侧电压Udc。(www.xing528.com)
由图7-28可知，当电网电压发生跌落故障时，在基于Crowbar的传统控制策略下，网侧变流器进入限流模式，输出有功功率Pg下降至额定值的20%，并且由于Id限幅已不能再控制直流电压；故障期间机侧变流器仍处于最大功率跟踪控制状态，PMSG的机械功率Pm和机侧变流器有功功率Ps均未发生变化，从而引起直流侧电容两端功率不平衡，造成直流电压Udc升高，触发Crowbar电路中功率开关动作来维持直流侧电压的稳定。电网电压恢复后，网侧变流器有功功率输出Pg恢复至故障前的水平，并退出限流状态，恢复对直流电压的控制作用，但在与Crowbar切换控制直流电压过程中，会引起直流电压Udc的短暂跌落，之后迅速稳定在额定值。在低电压穿越过程中，由于网侧变流器已处于限流状态，并全部为有功分量Id，并未对电网起到无功支持的作用，并网点电压的跌落情况没有得到改善，跌落幅度仍为额定值的80%。
由图7-29可知，在本文所提出的有功和无功协调控制策略下，电网电压跌落发生后，网侧变流器进入限流模式而不再进行最大功率跟踪控制，输出有功功率Pg受限；机侧变流器通过限制PMSG的有功功率输出Ps抑制直流电压波动，实现直流侧电压Udc的稳定；而此时功率的不平衡体现为PMSG机械功率Pm与电磁功率Ps的不平衡，引起转子转速ωc加速，转子储存了低电压穿越过程中的不平衡能量。
由于风力发电机组的机械储能能力远大于电容器储能能力，该仿真算例在电压跌落期间，转子转速增加幅度约为额定转速的3%。在电压恢复后，网侧变流器重新运行于最大功率跟踪状态，转子转速逐渐降至故障前水平，从而释放了所存储的电压跌落过程未输出的能量ΔP，而对于Crowbar方式这部分能量则完全被消耗掉；由于机侧变流器一直处于直流电压控制状态，因而直流电压Udc波动较小。在电网电压跌落过程中，虽然网侧变流器也处于限流状态，但通过无功功率优先控制，此时以输出无功电流为主，当Iq=0.9pu，对电网电压提供动态支持，电网电压跌落幅度由原来的80%减小到70%，电网电压跌落情况得到改善。4s后电网电压抬升15%，此时网侧变流器切换为无功优先控制模式，通过吸收无功电流（Iq=1.1pu）将电压调整到安全运行范围内（Ug=1.03pu），虽然有功输出Pg略有减小，但可有效避免风力发电机组因过电压而脱网。
图7-28 传统Crowbar风电机组低电压穿越仿真
图7-29 本文所提控制策略低电压穿越仿真
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