丁佐進(jìn)，屈克慶，邢月紅，牛清泉

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，能夠適應(yīng)很大的風(fēng)速變化范圍，有效地利用風(fēng)能［1］.目前投入使用的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，不能適應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的要求，在使用齒輪變速箱進(jìn)行調(diào)速的過(guò)程中，增大了機(jī)械損耗，降低了能量轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)行的可靠性;此外，因其增加了變速箱部件也會(huì)提高運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用.永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以避免雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的上述缺點(diǎn)，除了穩(wěn)定性高、噪音低外，更是具備有功和無(wú)功功率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，克服了雙饋電機(jī)無(wú)功功率不足的缺陷［2］.在大力發(fā)展風(fēng)電的今天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量在不斷增加，對(duì)風(fēng)力機(jī)組的可靠性和效率的要求也不斷提高.隨著發(fā)電控制設(shè)備發(fā)電成本的降低和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，大功率同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有著更廣闊的應(yīng)用前景［3］.3電平變換控制技術(shù)對(duì)大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)提供了支持，已成為現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電的研究熱點(diǎn).

與傳統(tǒng)兩電平電路相比，3電平逆變電路開關(guān)器件承受較小的開關(guān)應(yīng)力，能夠提高逆變器的傳輸功率，具有更低的電流諧波畸變率.與SPWM和方波控制相比，空間矢量PWM控制具有電壓利用率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，避免滯環(huán)電流PWM控制因開關(guān)頻率不固定而產(chǎn)生諧波的不利因素［4］.

3電平空間矢量(Space Vector Pulse Wind Modulation，SVPWM)控制的傳輸功率高、諧波畸變率低、電壓利用率高，將其應(yīng)用于大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流側(cè)控制系統(tǒng)，使其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、穩(wěn)態(tài)精度較好，以及電流總諧波畸變含量較低等優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到良好的控制效果［5］.

1 3電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

1.1 電路拓?fù)浞治?/h3>

目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用不控整流電路或2電平PWM整流電路，導(dǎo)致交流側(cè)電壓電流波形較差，功率因數(shù)不高，尤其對(duì)于交流側(cè)發(fā)電機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行極為不利.因此，在整流電路中采用二極管箝位式3電平可控整流電路［6］.在該3電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，開關(guān)器件承受電壓僅為2電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)電壓的1/2，濾波電感損耗比2電平的小，這種形式可以克服傳統(tǒng)2電平變流器交流側(cè)波形畸變率高的缺點(diǎn)，還可以在采用同樣耐壓等級(jí)開關(guān)器件的情況下提高變流器的電壓等級(jí)，達(dá)到變流器高壓大功率傳輸?shù)哪康?因此，在AC/DC轉(zhuǎn)換電路中采用3電平可控整流電路，并運(yùn)用3電平空間矢量(SVPWM)雙閉環(huán)控制策略來(lái)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和直流母線電壓，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)也為后續(xù)DC/AC逆變并網(wǎng)提供有利的條件.

圖1為二極管箝位式3電平可控整流系統(tǒng).在此3電平電路拓?fù)渲?，每?個(gè)功率開關(guān)管的狀態(tài)組合形成3種工作模式.

圖1 二極管中點(diǎn)箝位3電平SVPWM整流電路拓?fù)?/p>

以圖1中的A相為例，當(dāng)VT1和VT2開關(guān)管導(dǎo)通、VT3和VT4開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，A相電壓為Ud/2，稱其工作狀態(tài)為P;當(dāng)VT2和VT3開關(guān)管導(dǎo)通、VT1和VT4開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，A相電壓為零，稱其工作狀態(tài)為O;當(dāng)VT3和 VT4開關(guān)管導(dǎo)通、VT1和VT2開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，A相電壓為－Ud/2，稱其工作狀態(tài)為N.

1.2 3電平SVPWM觸發(fā)脈沖

SVPWM算法實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)控制整流器不同的開關(guān)模式，使整流器瞬時(shí)輸出的三相脈沖電壓構(gòu)成的電壓空間矢量與所期望輸出的三相對(duì)稱正弦波電壓構(gòu)成的電壓空間矢量相等.

1.2.1 3電平電壓矢量圖的劃分

圖2 3電平空間電壓矢量示意

3電平輸出電壓矢量特性的六角形空間電壓矢量圖如圖2所示.義為大矢量，如PNN和PPN;幅值為的矢量定義為中矢量，如PON;幅值為Ed/3的矢量定義為小矢量，如PPO和ONN.根據(jù)空間矢量的角度θ來(lái)判斷扇區(qū)，θ的范圍為［0，2π］，因此用 θ/60再取整的方法來(lái)判斷參考矢量的扇區(qū)及區(qū)域.其扇區(qū)劃分如圖2所示，小區(qū)域劃分如圖3所示.

1.2.2 電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算

落在每個(gè)扇區(qū)區(qū)域內(nèi)的Uref矢量可由臨近的矢量合成.假設(shè)臨近期望矢量為矢量U1，U2，U3，則空間矢量合成的伏秒平衡原則為:

三相對(duì)稱電壓可以定義成定子空間電壓矢量Uref，即:

式中:a=ej2π/3;

Ua，Ub，Uc——參考電壓.

式(1)通過(guò)坐標(biāo)變換，在α-β坐標(biāo)系中表示為:

式中:Uα——Uref的實(shí)部;

Uβ——Uref的虛部;

|Uref|——幅值;

θ——相角.

3電平整流電路每相有P，O，N 3個(gè)工作狀態(tài)，整個(gè)電路有A，B，C 3相，每個(gè)工作狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)基本電壓矢量，因此3電平整流電路有27個(gè)基本電壓矢量.一般將幅值為2Ed/3的矢量定

式中:T1，T2，T3——矢量 U1，U2，U3的作用時(shí)間;

TS——空間矢量調(diào)制的控制周期.

圖3 第一扇區(qū)小區(qū)域空間電壓矢量示意

本文以第一扇區(qū)A區(qū)為例，計(jì)算在第一扇區(qū)內(nèi)各區(qū)域各矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間［7］.

由圖3可知，落在A區(qū)的Uref由PNN，PON，POO 3個(gè)矢量合成.PNN矢量模長(zhǎng)為2Ed/3，PON矢量模長(zhǎng)為/3，POO 矢量模長(zhǎng)為 Ed/3，Uref矢量模長(zhǎng)為

式中:m——空間矢量SVPWM調(diào)制深度，其定義為Uref與能夠線性調(diào)制的最大電壓之比.

由式(4)可得:

SVPWM的線性調(diào)制區(qū)位于圖2中的內(nèi)切圓，線性調(diào)制時(shí)能夠輸出的最大電壓矢量幅值為因此其脈沖調(diào)制深度為:

同理也可求得其他扇區(qū)的小區(qū)域各矢量的作用時(shí)間.

每一矢量狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另一矢量狀態(tài)時(shí)，只有其中一相狀態(tài)發(fā)生變化，例如POO→PPO時(shí)，只有B相狀態(tài)發(fā)生變化.這樣，同類型小矢量之間的相互轉(zhuǎn)換可以減少開關(guān)器件的工作次數(shù)，也能減少綜合畸變率，這對(duì)整流變換器工作十分有利.

2 3電平永磁同步電機(jī)整流側(cè)控制算法

2.1 永磁同步電機(jī)控制數(shù)學(xué)模型

圖1為二極管中點(diǎn)箝位3電平整流器主電路，永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓電流是三相對(duì)稱的.

通過(guò)坐標(biāo)變換后在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立的數(shù)學(xué)模型［8，9］為:

式中:id，iq——發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電流;

Ld，Lq——發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電感;

Rs——定子電阻;

ωr——電角頻率，ωr=pωg(p為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù));

Ψf——永磁體的磁鏈;

ud，uq——us的 d 軸和 q 軸分量.

定義q軸分量電勢(shì) eq=ωrΨf，d軸分量電勢(shì)ed=0.

由式(5)得出的d軸和q軸等效電路如圖4和圖5所示.

圖4 d軸等效電路

圖5 q軸等效電路

永磁同步電機(jī)在d-q-0坐標(biāo)系上的電磁轉(zhuǎn)矩方程［10］為:

式中:Te——永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;

式中:Tm——風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩;

J——發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

ωg——發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度(由于是直驅(qū)，

故與風(fēng)力機(jī)的機(jī)械角速度相等).

2.2 3電平整流器的控制算法

在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)3電平整流器側(cè)采用可控的PWM調(diào)制方法，可有效減小交流側(cè)電壓和電流的諧波，任意調(diào)節(jié)交流側(cè)功率因數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)［11］.

根據(jù)式(7)可知，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速ω與電磁轉(zhuǎn)矩Te相關(guān)，因此可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速ω獲得q軸電流的參考值iq*.由式(5)可知，Ud和Uq之間存在耦合項(xiàng)和ωrLqid，可以將電阻和電感產(chǎn)生的反電勢(shì)項(xiàng)看作干擾項(xiàng)，通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ齍d和Uq間的耦合，其方程為:

np——永磁同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù).

將風(fēng)機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)，則其轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:kip，kiI——干擾項(xiàng)和相應(yīng)比例積分系數(shù);

s——拉普拉斯因子.

解耦后的干擾項(xiàng)，通過(guò)比例積分PI調(diào)節(jié)器控制，對(duì)其干擾修正補(bǔ)償，從而形成電流和轉(zhuǎn)速雙環(huán)控制.由此就可以得出雙閉環(huán)控制策略框圖，并在此基礎(chǔ)上，加入坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)即可構(gòu)成完整的控制系統(tǒng).

永磁同步發(fā)電機(jī)電機(jī)側(cè)控制如圖6所示.整個(gè)控制系統(tǒng)采用電壓和電流雙閉環(huán)控制，在3電平整流器中采用跟蹤指令電壓矢量的SVPWM電流控制方法.

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電機(jī)側(cè)的控制過(guò)程為:測(cè)量發(fā)電機(jī)電角度 θ;測(cè)量定子電流 ia，ib，ic，利用A-B-C坐標(biāo)系到d-q-0坐標(biāo)系的變換得到id，iq.

通過(guò)最佳葉尖速比獲得最佳轉(zhuǎn)速ω*(本文在仿真時(shí)手動(dòng)設(shè)定ω*)，ω*與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速ω的比較值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到參考電流iq*，然后與實(shí)際電流iq相比較，再經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器和電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)(ωr(Lqiq+Ψf))得到參考電壓Uq.同時(shí)設(shè)定d軸電流參考值id*=0，與實(shí)際電流id相比較的值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器和電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)(ωrLqiq)就可以得到參考電壓Ud.Ud和Uq經(jīng)過(guò)d-q-0坐標(biāo)系和α-β-0坐標(biāo)系的變換得到參考電壓 Uα和 Uβ，這樣便可以利用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的方法產(chǎn)生PWM波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整流側(cè)的控制.

圖6 永磁同步發(fā)電機(jī)電機(jī)側(cè)控制示意

3 仿真研究

本文利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)建立了永磁同步風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)及其三相電壓型PWM整流仿真模型，如圖7所示.對(duì)3電平永磁同步電機(jī)矢量控制進(jìn)行了仿真研究，將三相靜止坐標(biāo)系中的電流變換到空間旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系中，則通過(guò)前饋補(bǔ)償解耦成兩相電流系統(tǒng)，將參考電壓矢量從d-q坐標(biāo)系變換為α-β坐標(biāo)系，再經(jīng)過(guò)SVPWM脈沖產(chǎn)生模塊輸出驅(qū)動(dòng)波形.

圖7 三相電壓型PWM整流器仿真模型

本文對(duì)永磁同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)定如下:定子電阻為 2.875 Ω，直軸電感為 8.5 mH，交軸電感為8.5 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.000 8 kg·m2，極對(duì)數(shù)為4，摩擦系數(shù)為0.給定風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速為9 m/s.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω*設(shè)定為200 r/s，用以觀察永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)負(fù)載電壓.圖8為該直流側(cè)負(fù)載母線電壓.

圖8 直流側(cè)負(fù)載母線電壓

由圖8可以看出，發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相電壓經(jīng)過(guò)整流后能夠輸出相對(duì)平穩(wěn)的直流電壓.風(fēng)力機(jī)獲得風(fēng)速后，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速上升，發(fā)出三相交流電，使得直流母線電壓也快速升高.通過(guò)所測(cè)得的定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的q軸分量iq，對(duì)外環(huán)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒為200 r/s，此時(shí)風(fēng)力機(jī)獲得此轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩，使同步發(fā)電機(jī)發(fā)出穩(wěn)定的交流電，進(jìn)而達(dá)到控制直流母線電壓平穩(wěn)恒定的目的.

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)述了空間電壓矢量的SVPWM脈沖產(chǎn)生原理，搭建了直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)整流器的控制框圖，并進(jìn)行了仿真研究.仿真結(jié)果表明，電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有可行性，可以有效保持直流母線電壓的穩(wěn)定，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性.

［1］劉萬(wàn)琨，張志英，李銀風(fēng)，等.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:89-93.

［2］惠晶.新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:190-219.

［3］丁榮軍，黃濟(jì)榮.大功率變流技術(shù)與應(yīng)用(四)［J］.變流技術(shù)電力牽引，2008(6):34-38.

［4］林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:454-457.

［5］屈克慶，丁佐進(jìn)，邢月紅.基于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越方法［J］.華東電力，2011，39(6):2 033-2 036.

［6］金紅元，鄒云屏，林磊.三電平PWM整流器雙環(huán)控制技術(shù)及中點(diǎn)電壓平衡控制技術(shù)的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(20):64-68.

［7］宋文祥，陳國(guó)呈.三電平中點(diǎn)鉗位式逆變器SVPWM方法的研究［J］.電工電能新技術(shù)，2004，23(4):30-33.

［8］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997:123-154.

［9］EDUARD Muljadi，BUTTERFIELD C P，WAN Yih-huie.Axial flux modular permanent magnet generator with a toroidal winding for wind turbine applications［J］.IEEE Trans.on Industry Application，1999，35(4):831-836.

［10］王成元，夏加寬.現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:103-135.

［11］吳迪，張建文.變速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究［J］.大電機(jī)技術(shù)，2006(6):51-55.