王銀濤，何　山，王維慶，王江濤

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊　830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊　830049；3.北京三興汽車有限公司，北京　100070)

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永磁風力發(fā)電機直流并聯(lián)及直流升壓的仿真研究

王銀濤1,2，何山1,2，王維慶1,2，王江濤3

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊830049；3.北京三興汽車有限公司，北京100070)

針對分散式小型風力發(fā)電場，實現(xiàn)永磁風電機組直流并聯(lián)，提出了永磁風力發(fā)電機PWM整流器直流側(cè)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。為了能使小型風電場，就近接入大型風電場或者并入電網(wǎng)時，降低傳輸過程中輸電損耗的目的，采用了DC-DC升壓組將直流母線電壓升高的拓撲結(jié)構(gòu)。為能夠有效地實現(xiàn)發(fā)電機的并、切網(wǎng)，設計了對發(fā)電機輸出電壓瞬時采樣，來判斷發(fā)電機整流器側(cè)是否連接到直流母線的斷路器模型。基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了含3臺永磁風力發(fā)電機、整流器、斷路器和DC-DC升壓組的仿真模型，對永磁風力發(fā)電機在不同風速下的直流并聯(lián)與升壓進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，在理想狀態(tài)下，該模型可實現(xiàn)不同風速下風力發(fā)電機的直流并聯(lián)與升壓。

永磁直驅(qū)風力發(fā)電機；PWM整流器；直流母線；并聯(lián)；直流升壓

0　引　言

中國陸地風力資源豐富，風能作為一種潔凈可再生能源，在石油和煤日趨枯竭的情況下，必將在未來取代傳統(tǒng)能源，在能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保方面起重要作用。國內(nèi)使用的風力發(fā)電機主要有雙饋和直驅(qū)永磁發(fā)電機，而直驅(qū)永磁風力發(fā)電機較雙饋機具有變速運行、變槳距調(diào)節(jié)、低轉(zhuǎn)速、高效率和高功率因數(shù)等優(yōu)點。此外，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機并網(wǎng)運行時，無需從電網(wǎng)中吸收無功功率建立磁場，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)[1-2]，已經(jīng)成為當今風力發(fā)電機研發(fā)的熱點。

目前，常見的風電傳輸是通過每臺風力發(fā)電機連接變流器產(chǎn)生恒頻的電能，就近接入交流電網(wǎng)，進行交流輸電，但風力發(fā)電具有較大的隨機性和波動性，交流并聯(lián)在風機切、并網(wǎng)時，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行有較大的影響[3-4]。此外，還有一種方式是把大規(guī)模風力發(fā)電接到換流站上進行高壓直流輸電[4-7]，此種方法的優(yōu)點是可以進行超長距離傳輸，但是換流站的造價過于昂貴。

以上文獻均是風力發(fā)電并網(wǎng)和輸電的主要方式，都有其自身的缺陷。目前文獻中研究風力發(fā)電機直流并聯(lián)的情況，大多采用不同風力發(fā)電機同風速的情況進行仿真[8]。下面以1.5 MW 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機為例，提出3臺風力發(fā)電機在不同風速下，用整流器和直流升壓斬波電路組進行直流并聯(lián)和直流升壓的結(jié)構(gòu)，并在Matlab/Simulink仿真平臺上進行了仿真。表1為1.5 MW直驅(qū)永磁發(fā)電機的基本參數(shù)。

表1　直驅(qū)永磁風力發(fā)電機基本參數(shù)

1　多機直流并聯(lián)及DC-DC升壓數(shù)學模型

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1　風力發(fā)電機組及DC-DC組結(jié)構(gòu)簡圖

所提出的風力發(fā)電機直流并聯(lián)及直流升壓仿真系統(tǒng)，主要包括永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組、整流器和DC-DC升壓組，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機發(fā)出電能，通過PWM整流器整流，并對直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的電壓進行測量，當符合條件時PWM整流器的直流端并入直流母線，并且通過DC-DC升壓組進行直流升壓。

此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：

1)風力發(fā)電機交流轉(zhuǎn)換成直流進行并聯(lián)，無需考慮風力發(fā)電機交-直-交后恒頻的問題。

2)斷路器判斷系統(tǒng)采用的是對直驅(qū)永磁發(fā)電機的電壓進行有效值采集。當發(fā)電機發(fā)出的交流電壓有效值達到一定范圍則斷路器閉合；當不符合斷路器閉合條件時，自動斷開，這樣可以縮短電壓穩(wěn)定的時間，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。

3)DC-DC升壓斬波電路組相對于換流站而言雖然輸電距離較短，但是造價低，比較適用于小型風力發(fā)電場短距離直流輸電。

1.2風力發(fā)電機風速-電壓曲線

對于發(fā)電機有公式(1)：

(1)

式中：n為風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速；f為頻率；p為極對數(shù)；N為匝數(shù)；φ為磁通；λ為葉尖速比；R為葉尖半徑；w為角速度；v為風速。

由式(1)可以得到風力發(fā)電機輸出的電壓為

(2)

而風力發(fā)電機捕獲的風能為[8-10]

(3)

式中：Cp(β,r)為風能利用系數(shù)，是槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù)；ρ為空氣密度。

通過式(2)和式(3)對比得

(4)

當風力發(fā)電機槳距角一定時，通過式(4)對比，由風力發(fā)電機最優(yōu)功率曲線可得到風力發(fā)電機的風速-電壓曲線，如圖2。

圖2　風力發(fā)電機的風速-電壓曲線

1.3斷路器的動作判據(jù)

根據(jù)風速-電壓曲線可知風機在風速3 m/s時開始輸出電壓，但是只有當電壓達到0.465 kV(風速6 m/s)時，才能并入直流母線，而且當達到0.76 kV(風速25 m/s)時，為了保護設備必須把風機切除。

由于風力發(fā)電機的整流器并聯(lián)到直流母線上時，直流側(cè)電壓恒定；當風力發(fā)電機的風速不符合并網(wǎng)條件時，為了能夠有效地將風力發(fā)電機切除，設計了對風力發(fā)電機輸出電壓瞬時采集作為動作判據(jù)的模型，根據(jù)情況對斷路器發(fā)出閉合或者斷開的信號。假定風力發(fā)電機輸出的三相電壓值相同，故只采取單相的電壓瞬時值，系統(tǒng)采樣時間t為0.000 1 s，并假定在每個采樣區(qū)間[t1,t2]里，風力發(fā)電機的輸出為正弦信號，其電壓采樣U的公式為

(5)

斷路器閉合和斷開信號的判斷公式為

(6)

即當斷路器Sn信號為1時斷路器閉合，風力發(fā)電機并入直流母線；而當斷路器信號為0時，風力發(fā)電機從直流母線上切除。

1.4PWM整流器數(shù)學模型及其控制策略

PWM整流器主要目標是控制變風速的風力機輸出恒定的直流電壓。因此，要實現(xiàn)恒定的直流電壓，就必須及時調(diào)整風力機的轉(zhuǎn)速大小，使其始終運行在最佳葉尖速比。

為了分析問題的方便，假設如下的條件：首先，忽略電容、電感的飽和，認為其是理想元件，忽略器件的損耗；其次，整流器IGBT的開關頻率遠遠大于交流電網(wǎng)的頻率[11]。風力發(fā)電機三相整流器拓撲如圖3所示。

圖3　三相整流器控制系統(tǒng)拓撲圖

將d軸定于轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈方向上，經(jīng)過abc/dq0坐標變換之后。得到電機定子電壓方程為

(7)

式中：L和R分別為PMSG定子電感和電阻；ω為同步電角速度；φ為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；iq、id與Ud、Uq分別為定子電流與電壓的d、q軸分量。

發(fā)電機的最佳有功功率給定值為

(8)

式中：PCu為銅損；PFe為鐵損；P0為風力機機械損耗。

如圖3所示，整流器控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略[12]。外環(huán)為功率環(huán)，其PI輸出量為q軸電流分量iq*，d軸電流分量id*設為0。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，d、q軸PI輸出量加上耦合電壓ΔUd和ΔUq，得到d、q軸控制電壓分量Ud和Uq，再經(jīng)abc/dq0變換后得到三相輸入電壓參考信號，最后通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號去控制整流器開關管的開關狀態(tài)。

此種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：不但可以控制直流母線電壓恒定、交流側(cè)輸入電流實現(xiàn)正弦化和單位功率因數(shù)運行，而且還可以獲得更好的穩(wěn)態(tài)性能和更快的動態(tài)響應速度。

1.5DC-DC直流升壓組模型

目前，風力發(fā)電直流傳輸大多采用換流站進行直流傳輸，優(yōu)點是傳輸距離遠、損耗相對較小，但是造價過于昂貴，并不適用于離電網(wǎng)較遠的小型風力發(fā)電場的直流傳輸。

圖4　DC-DC斬波電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

于是提出了用DC-DC升壓組來代替換流站[13-14]，既達到了直流傳輸?shù)哪康?，又?jié)省了直流升壓過程中的造價成本。因為整流器是可控型，所以所設計的DC-DC組無需加PI控制即可達到要求的電壓，其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2　系統(tǒng)仿真及分析

在Matlab/Simulink中搭建了1組3臺永磁風力發(fā)電機組、整流器、斷路器和升壓組模型，針對不同風機在不同風速下的整流電壓的輸出、風力發(fā)電機投切和DC-DC電壓的輸出情況進行仿真。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2　仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)風電場的實際情況，風速是變化的，并且每臺風力發(fā)電機所受到的風速也不相同，為便于仿真，每臺風力發(fā)電機不同時刻受到的風速如表3所示。

表3　不同時刻的風速(m/s)

根據(jù)表3中的不同時刻風速情況，并通過Simulink仿真得到3臺直驅(qū)風力發(fā)電機的整流器直流側(cè)輸出電壓結(jié)果如圖5所示，DC-DC升壓組電壓輸出如圖6所示。

圖5　3臺風力發(fā)電機整流圖

此次仿真中，當風速超過25 m/s時將風力發(fā)電機切出；當風速符合要求時，就迅速并網(wǎng)，以縮短穩(wěn)定時間。

第1臺和第3臺風力發(fā)電機在0～1 s時，風速由0 m/s增至12 m/s和14 m/s，其整流電壓穩(wěn)定值可達到1.8 kV，用于建立母線和DC-DC升壓組輸出電壓，并將此電壓值作為1～6 s穩(wěn)定電壓參考值，由圖5(a)可知母線電壓穩(wěn)定時間為1 s，由圖6可知DC-DC升壓組電壓穩(wěn)定時間為1.5 s。

圖6　DC-DC升壓組電壓輸出圖

由圖5(a)和(b)中可以看出，當?shù)?臺風機在第2 s時風速由4 m/s增為8 m/s，達到并入電網(wǎng)風速(6 m/s)條件，風機并入直流母線，引起直流母線電壓波動為-6%～3%，通過PWM整流器中積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，電壓穩(wěn)定時間為0.5 s，而DC-DC輸出電壓的波動為-1%～3%，穩(wěn)定時間為0.7 s。

由圖5(a)和(c)中可以看出，當?shù)?臺風機在第4 s時風速由16 m/s增為25 m/s，達到了風機運行的極限風速(25 m/s)，為了保護設備必須把風機切除，風機切出，引起直流母線電壓的波動為-1%～2%，通過PWM整流器中積分調(diào)節(jié)，穩(wěn)定時間0.5 s，引起DC-DC輸出電壓的波動為+2%，穩(wěn)定時間0.6 s，風機切出后其所產(chǎn)生的能量由整流器直流側(cè)電阻消耗，電壓衰減時間為1.5 s。

由以上分析可知：切機和并網(wǎng)對直流母線電壓和DC-DC輸出電壓的影響基本相同，且在直流母線對電壓波動的要求范圍內(nèi)。

對直流母線電壓進行FFT分析，如圖7所示。根據(jù)傅里葉級數(shù)分析，三相橋式全控整流電路直流側(cè)輸出電壓中主要含有6k(k=1、2、3…)次諧波，且6次諧波的幅值最大，這里直流母線電壓主要含6次、12次、18次諧波，且6次諧波的幅值最大。

DC-DC升壓組輸出電壓進行FFT分析如圖8所示。其電壓主要含20次、40次諧波，且20次諧波的幅值最大。由前面可知母線的電壓諧波次數(shù)為6、12和18，經(jīng)過DC-DC升壓組其諧波幅值均降低了，說明DC-DC升壓組不僅有升壓的作用，還對諧波有抑制和濾波作用。

圖8　DC-DC升壓組諧波分析圖

3　結(jié)　論

分析了3臺直驅(qū)永磁風力發(fā)電機，在不同風速下直流并聯(lián)及DC-DC斬波電路組升壓的可行性，搭建基于雙閉環(huán)控制策略的PWM整流器的模型，并提出了兩組DC-DC直流升壓斬波電路串聯(lián)用于直流升壓的模型。仿真結(jié)果表明：

1)風力發(fā)電機直流并聯(lián)模塊仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)3臺風力發(fā)電機在不同風速下的直流并聯(lián)；

2)切機相對并網(wǎng)引起直流母線和DC-DC升壓斬波電路組的電壓波動超調(diào)量要大，但二者調(diào)節(jié)時間基本相同；

3)DC-DC直流升壓斬波電路組可以實現(xiàn)升壓，且諧波的幅值相對于直流母線的諧波幅值有所減小。

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王銀濤(1990)，碩士研究生，研究方向為可再生能源及其控制技術；

何山(1974)，副教授、碩士生導師，研究方向為可再生能源及其控制技術；

王維慶(1959)，教授、博士生導師，從事電力系統(tǒng)及可再生能源的研究工作。

Aiming at the scattered small wind power fields which realize the DC parallel connection of direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG), the mathematical model is established that the connection of PWM rectifier of PMSG is parallel in DC side. In order to make small wind farm integrated with the nearest large wind farm or power grid and reduce the transmission loss in the process of more than ten kilometers far from the power grid, DC-DC chopper is used to rise the voltage of DC bus. In order to effectively realize the integration and cut off of generators, the instantaneous sampling of output voltage of wind turbine generator is designed to judge whether the rectifier side of wind turbine generator is connected to the short-circuit model of DC bus or not. Based on Matlab/Simulink simulation platform, the simulation model including three direct-driven wind turbines with PMSG, rectifier, circuit breaker and DC-DC boost group is established, and the simulation of DC in parallel and DC-DC boost under different wind speeds is analyzed. The simulation results show that the proposed model can realize DC in parallel and DC-DC boost of wind turbine generator under different wind speeds in the ideal condition.

direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG); PWM rectifier; DC bus; parallel; DC-DC boost

國家自然科學基金項目(51267017，51367015)；高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題(20136501120003)；教育部創(chuàng)新團隊(IRT1285)

TM315

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1003-6954(2016)04-0001-05

2016-06-04)