陳 艷，黃燦英，羅小青，萬 彬，李升健

(1.南昌大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南昌 330029；2.南昌職業(yè)學(xué)院 工程系，南昌 330004；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，南昌 330096)

風(fēng)電作為一種清潔、可再生的能源[1]，已經(jīng)從補(bǔ)充能源轉(zhuǎn)變?yōu)樽罹呱虡I(yè)前景的能源，風(fēng)力發(fā)電也逐漸成為各國能源發(fā)展的方向[2-4].

常用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括：恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[5-6].恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過程中維持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，并使用電力變頻措施將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的變頻電能轉(zhuǎn)化為工頻后并入電網(wǎng)，常用于微電網(wǎng)和小規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[7]；而變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速運行時得到恒頻的電能，具有提高風(fēng)能利用率和靈活控制的特點[8].

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是德國和日本學(xué)者于20世紀(jì)80年代提出的一種電機(jī)控制策略[12-14]，其無需將矢量變換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，而是在定子坐標(biāo)系中直接實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制[15].直接轉(zhuǎn)矩控制具有計算量小、控制簡單、不易受電機(jī)參數(shù)影響的特點，且具有較高的魯棒性[16].

1 基于Buck電路的矩陣變換器

圖1 矩陣變換器主電路Fig.1 Main circuit of matrix converter

典型的Buck電路如圖2a所示，包括一個負(fù)載R、阻抗L、兩個普通二極管VD和一個控制通斷的IGBT管VT，其中，VD用于阻止反向電壓和提供續(xù)流通道.圖2b為本文改進(jìn)后的斬波電路，其使用兩個背靠背的二極管代替原來的單二極管，并使用兩個背靠背的IGBT代替原來的IGBT.改進(jìn)后的斬波電路使用SPWM方式進(jìn)行調(diào)制控制，并可通過采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▉慝@得期望頻率的電流.如當(dāng)輸入端正弦電流的上半波形時，始終關(guān)斷VT1和VT4，導(dǎo)通VT3和VD3來續(xù)流，導(dǎo)通VD2和VT2來斬波，此時流過負(fù)載的電流和加載在負(fù)載兩端的電壓均是正半周期輸入；而當(dāng)輸入端正弦電流的下半波形時，始終關(guān)斷VT2和VT3，而導(dǎo)通VT4和VD4來續(xù)流，導(dǎo)通VD1和VT1來斬波，此時流過負(fù)載的電流和加載在負(fù)載兩端的電壓均是負(fù)半周期輸入.

圖2 Buck電路及改進(jìn)單相電路Fig.2 Buck circuit and improved single-phase circuit

由于SPWM自身的缺陷，使得輸出波形極不穩(wěn)定，易受輸入電壓波動的影響.當(dāng)輸入存在諧波電壓時，輸入的三相對稱電壓脈動將錯誤地導(dǎo)通或關(guān)斷IGBT，從而產(chǎn)生大量的輸出諧波.因此，本文使用電流滯環(huán)控制的方式來避免諧波污染，并根據(jù)期望輸出電流的相位來相應(yīng)地導(dǎo)通或關(guān)斷IGBT管.

將圖2b的輸入端從單向擴(kuò)展為三相，可以得到圖3所示的三相輸入矩陣變換器.圖3a為單向輸出矩陣變換器，每一相的導(dǎo)通和關(guān)斷方式與單向輸入單向輸出時的電路類似.若去掉圖3a的續(xù)流回路且采用雙極性控制策略，可以得到圖3b所示的電路結(jié)構(gòu).電路控制策略為：假設(shè)期望輸出為正半周期電流，并比較三相電壓值的大小，將導(dǎo)通電壓值最高線路對應(yīng)的IGBT管進(jìn)行斬波，將導(dǎo)通電壓值最低的線路對應(yīng)的IGBT管進(jìn)行續(xù)流.簡化圖3b結(jié)構(gòu)可得到圖3c所示的矩陣變換器，其使用雙向可控開關(guān)管SAa、SAb和SAc來控制線路的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而得到期望輸出頻率的交流電.由于實際中使用的是感性負(fù)載，因此，這種矩陣式變換器在工作時必須同時對電壓最高的一相進(jìn)行斬波，并將電壓值最低的一相進(jìn)行續(xù)流.

圖3 單相三相矩陣變換器Fig.3 Single phase-three phase matrix converter

2 變換器的風(fēng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

2.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要研究應(yīng)用于微電網(wǎng)分布式電源中的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)減少了勵磁裝置和勵磁線圈，主要采用永磁材料制造.相比于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其具有損耗小、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性強(qiáng)的特點.

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.該系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、并網(wǎng)通斷電開關(guān)裝置、永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)和基于Buck電路的矩陣式變換器構(gòu)成，并使用定子濾波器過濾輸入矩陣式變換器的諧波，且使用網(wǎng)側(cè)濾波器過濾矩陣式變換器開關(guān)動作產(chǎn)生的輸出諧波.永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)采用永磁電極，在定子側(cè)使用對稱三相繞組來直接控制風(fēng)機(jī)發(fā)電.該控制系統(tǒng)通過矩陣式變換器將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的不同頻率和幅值電壓轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)實際需求的恒定幅值與頻率的交流電來實現(xiàn)并網(wǎng).

圖4 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of direct torque control system of permanent magnet direct driving wind turbine

2.2 PMSG和矩陣式變換器的數(shù)學(xué)模型

為了使電壓滿足并網(wǎng)的條件，需要有效控制輸出電壓矢量，以控制發(fā)電機(jī)能量的單向流動，因此，本文首先研究了PMSG和矩陣式變換器的數(shù)學(xué)模型.

2.2.1 PMSG數(shù)學(xué)模型

當(dāng)PMSG運行在靜止坐標(biāo)系時，假設(shè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為J，則有PMSG數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

Ψs=Lis+ΨPMeJθ

(3)

(4)

式中：T、Te分別為輸出轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩；Ψs、ΨPM分別為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；Rs為定子電阻；is、uc分別為定子電流與電壓值；L為定子感抗；θ為轉(zhuǎn)子磁鏈相位；w為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；np為轉(zhuǎn)子極數(shù).

2.2.2 矩陣式控制器數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)學(xué)模型時需要考慮電網(wǎng)諧波對矩陣式變換器的影響，因此使用代數(shù)方程和微分方程相結(jié)合的方式來表示其數(shù)學(xué)模型，即

(5)

(6)

(7)

式中：dr、di分別為逆變級調(diào)制值與整流級調(diào)制值；i、is分別為電網(wǎng)的電流值與定子電流值；Cs為定子電容；uc、udc分別為定子電壓及直流平均電壓；idc為直流平均電流.

2.2.3 網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)添加了濾波電路，并直接與電網(wǎng)相連，則可構(gòu)建電網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型為

(8)

式中：Lg為輸出端濾波器的電感；ug為電網(wǎng)的電壓.

當(dāng)轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時，在d-q坐標(biāo)系中分解式(1)～(8)所示方程，則有

(9)

式中，各變量的定義如圖5等效電路圖所示.

2.3 控制策略

分析整個系統(tǒng)模型可知，為了使輸出電壓滿足并網(wǎng)恒頻的要求，必須完全控制PMSG轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速.在2.2節(jié)的數(shù)學(xué)模型中，逆變級調(diào)制矢量dr和整流級調(diào)制矢量di可得到較好地控制，并可以通過控制這兩個自由度來控制整個系統(tǒng).為了簡化控制，本文假設(shè)矩陣式變換器的電壓矢量與電流矢量同相位，則di取一定值，并有

(10)

式(10)所示的假設(shè)，不僅能降低控制成本，減小控制的難度，還能提高電壓的傳輸比.

本文使用反饋線性化法來設(shè)計非線性控制器，通過坐標(biāo)變換將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，并使用線性控制理論來控制，控制方程表達(dá)式為

(11)

(12)

(13)

式中：上標(biāo)r為轉(zhuǎn)子變量；上標(biāo)s為定子變量.為了最大限度地吸收風(fēng)能，需要使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速同步變化，使用式(12)得到的轉(zhuǎn)速為w，期望轉(zhuǎn)速為w*，則同步電機(jī)PMSG的速度誤差為e=w-w*.

圖5 d-q坐標(biāo)系等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of d-q coordinate system

3 仿真分析

本文使用Matlab軟件中的Simulink工具箱搭建仿真模型，并以1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為研究對象，仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示.

由圖7可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩脈動比較劇烈，但系統(tǒng)整體的動態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)秀，尤其是在第50 s時，風(fēng)速發(fā)生跳變，電磁轉(zhuǎn)矩能隨之變化，從而表明，本文設(shè)計的矩陣式變換器能提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能.

4 結(jié) 論

圖6 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of simulation system

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的變化結(jié)果Fig.7 Change results of electromagnetic torque with time

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間的變化結(jié)果Fig.8 Change results of motor speed with time