周志鋼，厲 偉，董文忠

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870;2.興城市廣播電視臺，遼寧 葫蘆島 125100)

直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變流器控制技術

周志鋼1，厲 偉1，董文忠2

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870;2.興城市廣播電視臺，遼寧 葫蘆島 125100)

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器是實現(xiàn)能量高效、穩(wěn)定轉換的關鍵。研究了直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理，建立了雙PWM變流器機側和網側的數(shù)學模型。機側變流器采用轉子磁場定向矢量控制方式，網側變流器采用電網電壓定向矢量控制方式，實現(xiàn)有功和無功功率的完全獨立解耦控制。仿真和試驗結果表明:該控制策略可有效地實現(xiàn)最大風能捕獲，維持直流母線電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)發(fā)電機組的平滑并網，具有良好的動態(tài)響應。

風力發(fā)電;雙PWM變流器;矢量控制;獨立解耦

隨著可再生能源的發(fā)展，風力發(fā)電在能源結構中所占的比例不斷提高。由于直驅永磁風電機組運行高效穩(wěn)定、故障率低等優(yōu)勢，從而在兆瓦級風電機組中得到廣泛應用，并已經成為主流機型［1］。本文針對直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM全功率變流器的機側和網側控制技術展開研究。機側變流器對永磁同步發(fā)電機的控制實現(xiàn)最大風能功率追蹤，網側變流器［2］通過輸出并網控制，實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，輸出功率獨立解耦控制。在Matlab/Simulink環(huán)境下對直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真建模，通過對仿真和試驗結果分析，驗證了控制策略的可行性和有效性。

1 直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)

直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)［3］由風力機、永磁同步發(fā)電機、雙PWM變流器、控制系統(tǒng)等組成，其拓撲結構如圖1。

風力機通過齒輪箱和聯(lián)軸器與發(fā)電機相連，經過雙PWM整流逆變環(huán)節(jié)后通過發(fā)電機定子將電能傳輸給電網。

1.1 風力機數(shù)學模型

圖1 直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)

風力機是一種將截獲流動的空氣所具有的動能轉換為拖動發(fā)電機旋轉的機械能的裝置。

風力機將風能轉換成有用輸出功率為

式中:ρ為空氣密度;S為槳葉掃掠的有效截面積;V為風速;Cp為風能利用系數(shù)，一般Cp＜0.593。同時Cp與槳距角β和葉尖速比λ存在如下關系:

1.2 永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型

永磁同步發(fā)電機是一個非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng)，其機電能量轉換是通過基波磁場來完成的。為了獲得電機良好的動穩(wěn)態(tài)性能，采用坐標變換將交流分量變換為直流分量，在同步旋轉坐標系中的定子d-q軸等效電路如圖2和圖3所示。

圖2 q軸分量等效電路

圖3 d軸分量等效電路

圖中:usd、usq分別表示發(fā)電機定子電壓的dq軸分量;isd、isq分別表示發(fā)電機定子電流的d-q軸分量;ψf分別表示發(fā)電機轉子永磁體磁鏈;Ld、Lq分別表示發(fā)電機定子電感d-q軸分量;R表示發(fā)電機定子電阻;ωe表示發(fā)電機同步轉速;np表示發(fā)電機極對數(shù);p表示微分算子。

永磁同步發(fā)電機在d-q軸坐標系下，

其中，電壓方程為

本文針對永隱極式的永磁同步發(fā)電機展開研究，即Ld=Lq，轉矩方程可簡化為

由式 (6)可以看出通過控制發(fā)電機定子q軸電流實現(xiàn)對發(fā)電機轉矩的控制。

2 雙PWM變流器控制技術

直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)機側變流器和網側變流器控制策略［4-5］進行分析，實現(xiàn)最大功率跟蹤和直流母線電壓穩(wěn)定、輸出有功功率和無功功率的獨立調節(jié)。其中，機側變流器采用基于轉子磁場定向的矢量控制方式，實現(xiàn)對發(fā)電機轉矩和轉速的控制并實現(xiàn)最大功率跟蹤;網側變流器采用基于電網電壓定向的矢量控制方式，實現(xiàn)在對輸出有功功率和無功功率獨立解耦控制基礎上維持直流母線電壓穩(wěn)定。

2.1 機側變流器控制策略

機側變流器的控制策略采用基于轉子磁場定向矢量控制，對d-q軸同步旋轉坐標系d軸定向。在忽略磁鏈暫態(tài)特性，轉子磁場以同步速度旋轉并定向于d-q坐標系的d軸的前提下，永磁同步電機在同步旋轉坐標系中的穩(wěn)態(tài)電壓方程為

由 (7)式可知通過控制定子電流id和iq實現(xiàn)對idref和iqref跟蹤，實現(xiàn)發(fā)電機轉矩和轉速的控制。機側變流器采用雙閉環(huán)控制，即轉速外環(huán)和電流內環(huán)，控制方程為

式中:Risd- ωeLqisq和Risq+ωeLdisd+ ωeψf是消除d-q軸定子電壓、電流分量交叉耦合的前饋補償相。通過補償，簡化了控制，實現(xiàn)了發(fā)電機功率的完全獨立解耦控制和最大功率跟蹤。雙閉環(huán)控制中，轉速外環(huán)控制得到定子電流q軸分量參考值isqref，將d軸電流分量參考值設定為isdref=0。在電流內環(huán)中，實際電流isd和isq參考電流isdref和isqref做差比較得到的電流誤差信號Δi通過PI調節(jié)器后，同時引入前饋補償信號后得到調制電壓ud和uq，最后坐標變換后通過空間矢量脈寬調制后得到機側變流器的PWM信號?；谝陨戏治?，機側變流器矢量控制如圖4所示。

圖4 機側變流器矢量控制框圖

2.2 網側變流器控制策略

網側變流器的控制任務是在維持直流母線電壓Udc恒定的基礎上，保證輸出與電網電壓同頻同相的交流電壓和輸出有功功率和無功功率的獨立解耦控制［6］。

在同步旋轉坐標系中，網側變流器的輸出電流滿足:

式中:u'd和u'q是d軸和q軸電流存在一階微分關系的電壓分量，通過電流變化的比例積分環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。在此基礎上，利用前饋解耦控制，補償交叉耦合相，實現(xiàn)了d-q軸電流的獨立解耦控制。

網側變流器采用基于電網電壓定向的矢量控制，也就是將電網電壓ug定向于同步旋轉坐標系d軸，則電網電壓滿足:

網側變流器輸出電壓方程改寫為

式中:ud、uq、id、iq分別表示網側變流器輸出電壓、電流d-q軸分量;L和R分別表示網側變流器的三相進線電抗器電感和線路電阻;idref、iqref分別表示網側變流器輸出參考電流d-q軸分量;idc為網側變流器直流母線電流;iL為負載電流;udc表示直流母線電壓。根據(jù)KCL定律可得:

式中:Sd、Sq為d-q坐標系中開關函數(shù)。

網側變流器向電網輸出的有功功率和無功功率分別為

式 (14)表明網側變流器直流母線電容電流idc包含有功電流分量Sdid和無功電流分量Sqiq，暫時不考慮變流器和電網之間的無功功率交換，即定義iq=0，則可得:

式 (16)表明了直流母線電壓變化率與有功電流id的關系。直流母線電壓可通過控制有功電流id實現(xiàn)維持穩(wěn)定。式 (15)表明網側變流器無功功率通過控制iq實現(xiàn)?；谝陨戏治?，網側變流器矢量控制如圖5所示。

圖5 網側變流器矢量控制框圖

基于以上控制策略分析，機側變流器采用基于轉子磁場定向的矢量控制，控制策略程序寫入機側DSP內，通過控制IGBT導通來實現(xiàn)發(fā)電機功率的輸出。網側變流器采用基于電網電壓定向的矢量控制，控制策略程序寫入網側DSP內，通過控制IGBT導通來實現(xiàn)網側合閘，并給電容器充電。一般情況下，網側變流器運行于單位功率因數(shù)，也就是將網側變流器的無功功率設置為0。通過網側變流器有功、無功功率的實際值與參考值比較，并將差值經過外環(huán)功率PI控制器，計算得出定子q軸和d軸電流參考值，然后將電流參考值經過內環(huán)電流PI控制器，得到網側變流器的調制電壓，經坐標變換后采用空間矢量脈寬調制后得到IGBT驅動信號。

3 仿真與試驗對比分析

本文所建立的仿真模型:風力機模型、永磁同步發(fā)電機模型、雙PWM變流器控制模型;試驗平臺的電機參數(shù):額定功率20 kW，額定電壓400 V AC，極對數(shù)16，Ld=Lq=20.56 mH;變流器采用雙PWM全功率變流器;最后通過仿真和試驗對比分析驗證。

3.1 仿真結果

通過對基于上述控制策略建立的仿真模型進行仿真控制得到:電網電壓d-q軸分量、網側變流器有功功率、無功功率和直流母線電壓仿真波形如圖6、圖7和圖8所示;發(fā)電機定子電流仿真波形如圖9所示。

圖6 電網電壓d-q軸分量

圖7 網側變流器輸出有功功率和無功功率

圖8 直流母線電壓

圖9 發(fā)電機定子電流d-q軸分量

圖6表明，電網電壓實現(xiàn)電網電壓定向于d軸，使得ugd=ug和ugq=0;圖7表明網側變流器運行于單位功率因數(shù)，使得 Qg=0，Pg=19.7 kW，實現(xiàn)功率的獨立解耦控制;圖8表明，直流母線電壓開始有一定的超調，但很快穩(wěn)定于額定值580 V，實現(xiàn)了直流母線電壓的快速穩(wěn)定;圖9表明發(fā)電機定子電流在0～0.03 s快速上升，0.03 s以后isq=is=30.3 A，isd=0，實現(xiàn)了轉子磁場定向的矢量控制。

3.2 試驗驗證

試驗平臺如圖10、圖11所示，通過對拖機組模擬風力機發(fā)電，通過并網柜中的雙PWM變流器對其進行并網控制。

圖10 直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)并網試驗臺

3.3 試驗結果

通過試驗平臺獲得如下試驗結果，其試驗波形如圖12～圖15所示。

圖11 變流柜內部結構

圖12 電網電壓d-q軸分量

圖13 直流母線電壓

圖14 發(fā)電機定子電流d-q軸分量

圖15 并網瞬間網側逆變器輸出電壓和電網電壓

在試驗機組穩(wěn)定運行時，所得試驗結果:圖12表明，電網電壓實現(xiàn)電網電壓定向于d軸，使得ugd=ug=400 V和ugq=0且存在一定的波動;圖13表明直流母線電壓在網側變流器預充電時0～0.2 s緩慢上升，最后穩(wěn)定于580 V;圖14表明發(fā)電機定子電流小幅震蕩并穩(wěn)定于isq=is=29.7 A，isd=0，實現(xiàn)了轉子磁場定向的矢量控制。圖15表明網側變流器輸出電壓在并網瞬間幅值和相位逐漸跟隨電網電壓實現(xiàn)平滑并網。

根據(jù)仿真和試驗結果:定子電流實現(xiàn)了獨立解耦控制，控制定子有功功率和無功功率的輸出;網側電網電壓實現(xiàn)了獨立解耦控制，通過控制定子電流實現(xiàn)網側變流器有功功率和無功功率輸出控制;控制有功功率的平衡實現(xiàn)了直流母線電壓穩(wěn)定。最后，采用基于上述控制策略的雙PWM變流器，實現(xiàn)了直驅永磁風力發(fā)電機組的平滑并網。

4 結束語

通過仿真和試驗結果對比分析:網側變流器通過采用基于電網電壓定向的矢量控制方法，實現(xiàn)輸出功率的獨立解耦控制，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行;同時控制輸出功率來維持直流母線電壓穩(wěn)定。機側變流器通過采用基于轉子磁場定向的矢量控制實現(xiàn)的定子電流的獨立解耦控制，通過控制定子電流的轉矩分量獨立調節(jié)發(fā)電機輸出有功功率。通過雙PWM變流器的控制，實現(xiàn)永磁風力發(fā)電機組平滑并網。

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Control Technology of Dual PWM Converter for Direct-drive Permanent Magnet Wind Power System

ZHOU Zhi-gang1，LI Wei1，DONG Wen-zhong2
(1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China;2.Radio and TV Station in Xingcheng，Huludao，Liaoning 125100，China)

In wind power generation system，the converter is the key to achieve energy efficient and stable conversion.The control principle of direct-drive permanent magnet wind power generation system is studied，the mathematical model of stator side and network side of dual PWM converter are established in this paper.The vector control method based on rotor magnetic field oriented is adopted in generator side converter，and power grid voltage oriented is adopted in network side converter.Then，the completely independent decoupling control of active and reactive power is achieved.The results of simulation experiment show that proposed control strategy can effectively realize maximum wind energy capture，smooth grid-connection of generator unit，stable DC bus voltage and good dynamic response.

Wind power generation;Dual PWM converter;Vector control;Independent decoupling

TM46;TM614

A

1004-7913(2015)08-0037-05

周志鋼 (1989—)，男，碩士，主要從事風力發(fā)電的變流器及并網技術研究。

2015-05-20)