謝維

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124；2.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100176）

直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究

謝維1,2

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124；2.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100176）

對直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行討論，并研究變流器電機側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的并網(wǎng)控制電路與控制策略。應(yīng)用并聯(lián)多變流器的方法，采取電網(wǎng)電壓定向的電流、電壓雙閉環(huán)矢量控制模式，設(shè)計逆變并網(wǎng)控制?；趯?直-交背靠背雙PWM變流器的控制，運行軟件仿真了690V/2.5 MW直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組的變流器并網(wǎng)過程。實驗結(jié)果表明，控制電路與策略正確有效，并網(wǎng)變流器能進(jìn)行雙向的能量傳遞，并且具有良好的靜動態(tài)特性。

直驅(qū)型風(fēng)電機組；永磁同步發(fā)電機；并網(wǎng)；變流器；矢量控制

風(fēng)能是不可調(diào)度、不可控的隨機能源，在并入電網(wǎng)之后，風(fēng)力發(fā)電引起電網(wǎng)功率與電壓的波動，會影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性[1-4]。在風(fēng)力發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行時，有兩種恒頻并網(wǎng)方法：（1）恒速恒頻，即風(fēng)機發(fā)電過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持不變，所得到電能是恒頻的；（2）變速恒頻(variable speed constant frequency，VSCF)，即風(fēng)機發(fā)電過程中，可隨風(fēng)速改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速，在這種方式下，電網(wǎng)與發(fā)電機之間須增加并網(wǎng)變流器，從而使所得到電能是恒頻的[5]。變速恒頻方法可使風(fēng)能捕獲達(dá)到最大限度，所以大功率風(fēng)電機組都采取變速恒頻控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電是恒速系統(tǒng)并網(wǎng)方式，一般采取異步電機，該并網(wǎng)方法在國外如丹麥等非常流行[6]；這種方式盡管控制簡單，卻無法進(jìn)行最大風(fēng)能追蹤，維修保養(yǎng)費用高，風(fēng)速改變給機電設(shè)備造成很大的沖擊。變速恒頻方式可以使風(fēng)力機輸出獲得最大功率，從而使風(fēng)能捕獲達(dá)到最大限度，并且因為采取并網(wǎng)變流器而令電能質(zhì)量大大提高，故而大功率的風(fēng)電機組控制系統(tǒng)普遍使用變速恒頻并網(wǎng)方式[7]。

當(dāng)今風(fēng)電機組有兩大類變速恒頻的方式：變頻器+雙饋發(fā)電機并網(wǎng)控制，以及變頻器+直驅(qū)永磁發(fā)電機并網(wǎng)控制。前者技術(shù)成熟，但是存在維護(hù)不便、控制復(fù)雜、制造發(fā)電機困難等問題；而后者具備有益于電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行、利用風(fēng)能效率高、控制簡便等優(yōu)勢，代表了未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)電機組對變流器控制從而實現(xiàn)有功無功解耦控制，對電網(wǎng)的沖擊減少。直驅(qū)型風(fēng)電機組要用到全功率變流器，由于受到器件的開關(guān)頻率、功率水平等因素制約，要對多變流器進(jìn)行并聯(lián)以滿足大電流、低電壓、大功率的要求。國內(nèi)的兆瓦級并網(wǎng)變流器研究起步較晚，基于對直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究，本文研制了690V/2.5 MW直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組并網(wǎng)變流器，并進(jìn)行了相應(yīng)的研究實驗。

1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的MW級直驅(qū)型永磁并網(wǎng)變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，發(fā)電機發(fā)出的能量被傳送到交流電網(wǎng)。直流是由C1、C2濾波，直流能量是由T1、R1與T2組成電路泄放，主要用于模塊安全保護(hù)，即直流電壓太高時泄放能量。

圖1 直驅(qū)型風(fēng)電機組并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，采用二PWM的雙重化變流器的主電路結(jié)構(gòu)，變流器由4個750 kW模塊組成。電機繞組的輸出連接到其中的PWM1、PWM2，而PWM3、PWM4先經(jīng)由LCL濾波及T變壓器再并聯(lián)電網(wǎng)。通過對2個PWM三相全橋逆變電路的控制，在載波信號之間產(chǎn)生一定相位差，從而使2個PWM三相全橋逆變電路以二重化方式工作。電網(wǎng)側(cè)變流器單元共用直流母線，通過電抗器連接。直流側(cè)電壓在正常工作時是1100V，交流輸出電壓是690V。

二重化方式的采用能使濾波電抗器容量減小、等效開關(guān)損耗降低、開關(guān)頻率提高，還避免了器件并聯(lián)帶來的均流問題，控制方式靈活，擴(kuò)容方便，模塊化設(shè)計簡單。

2 電機側(cè)變流器控制策略

采用矢量控制作為電機側(cè)變流器的策略，其基本控制思想是：模擬控制直流電機的方法，即經(jīng)過正交變換按照功率與磁勢的不變原則，把靜止三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)兩相垂直坐標(biāo)系。把定子電流矢量在坐標(biāo)系里分解為2個依據(jù)轉(zhuǎn)子磁場定向的直流分量、，它們分別是轉(zhuǎn)矩電流分量與勵磁電流分量。電機側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)見圖2。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制，分別對2個直流分量進(jìn)行控制，調(diào)速的效果可與直流電機媲美。

圖2 電機側(cè)變流器控制圖

文中采取的空間矢量移相技術(shù)，是在傳統(tǒng)的空間矢量三相控制技術(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合定子繞組的電機空間結(jié)構(gòu)而完成，因而實現(xiàn)相對簡單，并且接近空間矢量解耦技術(shù)的控制效果。

3 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

存在2個對電網(wǎng)側(cè)的控制目標(biāo)：（1）保持直流電壓恒定；（2）并網(wǎng)單位功率因數(shù)。采用電流、電壓雙閉環(huán)的策略，以達(dá)到所述的控制目標(biāo)。根據(jù)基爾霍夫定律在旋轉(zhuǎn)兩相垂直坐標(biāo)系下，可得參考坐標(biāo)系下PWM變換器存在以下關(guān)系：

圖3 電網(wǎng)側(cè)變流器控制圖

各變流器采用獨立的電流指令控制方式，實現(xiàn)雙重化電路的控制電路。各變流器的電流指令和電流輸出作減法，通過PI型控制器產(chǎn)生調(diào)制波，再跟載波三角波信號作比較，分別各自生成PWM控制信號。其中需要注意錯開2個單元載波信號180°，圖3是一個PWM單元控制策略的舉例說明。

可以采用SVPWM或者SPWM來對電網(wǎng)側(cè)控制，采用SVPWM可以使直流電壓利用率提高，因此采用移相SVPWM作為電網(wǎng)側(cè)的控制策略。內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，按照外環(huán)電壓輸出的指令電流進(jìn)行電流的相應(yīng)控制，例如實現(xiàn)無功補償、單位功率因數(shù)等；外環(huán)是電壓環(huán)，以使直流母線的電壓維持穩(wěn)定，其輸出用作指令有功電流的信號。對變流器并網(wǎng)進(jìn)行雙環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計時，一般由內(nèi)到外，采取先內(nèi)環(huán)電流設(shè)計再外環(huán)直流電壓整定。因為存在電流內(nèi)環(huán)，只需限幅指令電流就能完成過流保護(hù)。通常把無功電流給定指令為0，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)的控制。

在系統(tǒng)中采用了直接電流控制，由于把交流側(cè)的電流反饋引入，因而能實現(xiàn)快速響應(yīng)。對電流的控制也是在坐標(biāo)系里完成的。

在電網(wǎng)電壓定向基礎(chǔ)上的電流、電壓雙閉環(huán)矢量控制方案，是電網(wǎng)側(cè)的變流器控制策略。仿真和建模實驗結(jié)果使模型的有效性、正確性得到驗證，證明其完成了無功與有功解耦控制，電網(wǎng)饋入的諧波畸變率微小，注入電網(wǎng)的是正弦波電流。

4 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.5MW變流器并網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要包括3個部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控、系統(tǒng)邏輯控制與變流器控制，如圖4所示。最高層級的控制是遠(yuǎn)程監(jiān)控，作用是控制與監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電裝置的整體運行狀態(tài)。采用PLC可編程序控制器作為系統(tǒng)邏輯控制的控制核心，主要完成機械和電氣設(shè)備的邏輯控制、保護(hù)系統(tǒng)及處理故障等。變流器控制主要采用TMS320F2812芯片作為DSP處理器，完成算法控制、生成PWM脈沖及系統(tǒng)保護(hù)等。

圖4 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的核心是設(shè)計驅(qū)動電路，整個系統(tǒng)全部選用IGBT作為開關(guān)器件，所以對于系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、安全運行來說，IGBT保護(hù)電路和驅(qū)動電路的設(shè)計有重要意義。本文中的關(guān)鍵是設(shè)計和選取驅(qū)動電路，智能化IGBT采用Concept瑞士公司所產(chǎn)的SCALE驅(qū)動板2SD315AI，可以驅(qū)動2單元1700V/ 1200A的IGBT。為了使逆變器運行正常，須設(shè)計必要的保護(hù)電路，本系統(tǒng)中除了在驅(qū)動模塊內(nèi)已經(jīng)集成了欠壓監(jiān)測、過流與短路保護(hù)等功能，另外還設(shè)計了電網(wǎng)斷電、IGBT過熱、過電流、過電壓等相對完善的保護(hù)。

5 實驗結(jié)果與分析

采用前文介紹的控制策略與主電路結(jié)構(gòu)，研制出一臺2.5 MW的直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組的并網(wǎng)控制系統(tǒng)，并開展了研究實驗。同時采用環(huán)流實驗，驗證其在大功率下的運行特性。

實驗電路的原理見圖5，其中一個變流器的控制采用電流環(huán)，在逆變狀態(tài)工作，用于確定環(huán)流功率大??；另一個變流器控制采用雙閉環(huán)，在整流狀態(tài)工作，用于直流電壓穩(wěn)定。由于采用的調(diào)制方式不同，進(jìn)行環(huán)流功率實驗時，流過2個變流器的電流波形也不同。當(dāng)調(diào)制方式采用SVPWM時，3次諧波電流將流過2個變流器的電流中。而當(dāng)調(diào)制方式采用SPWM時，只有開關(guān)次紋波與基波存在于每個變流器的三相電流中。故此，采用SPWM調(diào)制方式用于環(huán)流功率時。

圖5 環(huán)流功率電路原理圖

在實驗時交流電壓690V，直流電壓是1100V。900A電流時逆變側(cè)電壓與電流的波形如圖6所示，其中經(jīng)過電壓互感器后的副邊電網(wǎng)a相電壓波形是a，跟a相電壓同相。圖6顯示，a相逆變側(cè)電流與電網(wǎng)a相電壓反相，說明系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)；經(jīng)過分析諧波，電流值是3.8%。圖7顯示出直流母線在穩(wěn)態(tài)時的電壓波形。

圖6 功率環(huán)流電流電壓波形

圖7 直流母線的電壓波形

6 結(jié)語

本文闡述了直驅(qū)型永磁風(fēng)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)的控制策略和結(jié)構(gòu)，采用雙重化的二PWM變流器方式，開展了研究實驗，研制出690V/2.5 MW風(fēng)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果與分析說明，采取該控制電路與控制策略的風(fēng)電系統(tǒng)，能完成無功功率與有功功率的解耦控制，通過并網(wǎng)變流器進(jìn)行雙向的能量傳遞，并網(wǎng)特性優(yōu)異，諧波成分少，電網(wǎng)的注入電流為正弦波，具有實用前景與應(yīng)用價值。

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Research on grid-connected control system for direct-drive permanent-magnet wind turbine

XIE Wei1,2

The system working structure and principle of grid-connected control system for direct-drive permanent-magnet wind turbine were discussed,and control circuits and strategy of generator and grid sides were studied.Usingmulti-parallel connection converters,current based on beamed grid voltage and double-closed-loop vector controlmode,the grid inverter control was designed.By controlling theAC-DC-AC double PWM converter, on this basis,a unit generator process of grid-converter for 690V/2.5 MW direct-drive permanent-magnet wind turbine was simulated.Experimental results show that the control circuits and strategy is effective and correct,the power can flow from the generator to supply or the reverse direction,the generator controlhas excellent static and dynamic performance.

direct-drive wind turbine;permanent-magnet synchronous generator(PMSG);grid-connected;converter; vector control

TM 315

A

1002-087 X(2014)10-1907-03

2014-03-20

北京電子科技職業(yè)學(xué)院重點課題(YZKB2013010)

謝維(1971—)，男，陜西省人，博士，教授，主要研究方向為可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)體系架構(gòu)、電力系統(tǒng)運行與控制。