楊 帆，韓俊飛，胡宏彬，廉茂航，任永峰

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，石家莊 050071；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；3.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；4.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

0 引 言

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)具有效率高，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)中發(fā)展迅速[1]。常規(guī)PMSG的定子通過(guò)雙脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)全功率變換器與電網(wǎng)相連，全功率變換器為背靠背式結(jié)構(gòu)，由12個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成，所用器件數(shù)量多且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

九開(kāi)關(guān)變換器(Nine Switch Converter，NSC)是傳統(tǒng)背靠背式變換器演變而來(lái)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。九開(kāi)關(guān)變換器在雙路輸出控制系統(tǒng)[2-3]、集成車(chē)載充電器[4]等方面研究已取得一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[5-6]分析了將NSC作為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，利用上、下通道實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電流和串聯(lián)電壓補(bǔ)償?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)治理電壓、電流諧波畸變等電能質(zhì)量問(wèn)題，提高故障穿越能力。文獻(xiàn)[7-8]將傳統(tǒng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中的背靠背式變換器替換為NSC，可省去3個(gè)開(kāi)關(guān)器件，取得與原系統(tǒng)相同的性能。文獻(xiàn)[9]將NSC替換常規(guī)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)變流器，既不會(huì)造成NSC直流側(cè)電壓過(guò)高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行控制與電壓補(bǔ)償一體化。NSC通過(guò)復(fù)用中間開(kāi)關(guān)器件方式工作，因此研究適用于NSC特殊的調(diào)制方法具有重要意義。文獻(xiàn)[10]采用正弦調(diào)制信號(hào)、三角載波通過(guò)邏輯運(yùn)算產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方法。但NSC因其特殊的結(jié)構(gòu)和正弦脈寬調(diào)制方法(Sine Wave Pulse Width Modulation，SPWM)，造成直流電壓利用率偏低，制約其發(fā)展。已有學(xué)者對(duì)提高NSC的直流電壓利用率進(jìn)行研究，兩類方法各有特點(diǎn)又有不足之處：文獻(xiàn)[11]通過(guò)改進(jìn)調(diào)制策略，采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，擴(kuò)大了調(diào)制度的范圍，但該方法需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法推導(dǎo)；文獻(xiàn)[12]在NSC前級(jí)串聯(lián)Z源，通過(guò)引入直通零矢量，調(diào)整其占空比，以提高直流電壓利用率，但串聯(lián)Z源使得變換器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加系統(tǒng)的損耗，能量傳遞效率降低。文獻(xiàn)[13]闡述了SVPWM調(diào)制方式在宏觀實(shí)質(zhì)上可等效于SPWM調(diào)制波上疊加三次諧波。

1 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為減少變換器開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量，根據(jù)九開(kāi)關(guān)變換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出采用NSC替換傳統(tǒng)背靠背式變換器用于直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行。九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中，PMSG的定子與NSC中S4～S9構(gòu)成的等效機(jī)側(cè)變換器直接相連，由S1～S6構(gòu)成的等效網(wǎng)側(cè)變換器經(jīng)過(guò)升壓變壓器與電網(wǎng)相連。C為直流側(cè)電容，Rc為卸荷電阻，Lg和Rg分別為濾波電感、等效電阻，Cg和Rd分別為濾波電容、阻尼電阻。

圖1 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 九開(kāi)關(guān)變換器工作狀態(tài)及三次諧波注入

2.1 九開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)

由圖1中所示的九開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上、下通道通過(guò)復(fù)用中間開(kāi)關(guān)器件S4～S6實(shí)現(xiàn)雙路輸入/輸出。以A相所在第一橋臂為例，由開(kāi)關(guān)器件S1、S4、S7構(gòu)成，上、下通道調(diào)制信號(hào)表示為

(1)

式中,UAH、UAL分別為上、下通道調(diào)制信號(hào)幅值，ω1、ω2分別為調(diào)制信號(hào)角頻率，由于電網(wǎng)頻率和PMSG定子頻率不同，即ω1≠ω2，本文采用異頻調(diào)制，φ1、φ2分別為調(diào)制信號(hào)初相位。為避免上、下通道調(diào)制信號(hào)有交叉，需要加入直流偏置量，以滿足uAH>uAL的條件[10]，可表示為

(2)

其中，UDC1=1-UAH，UDC2=1-UAL。

九開(kāi)關(guān)變換器采用SPWM調(diào)制方式，將三角載波信號(hào)Ux與兩路正弦調(diào)制信號(hào)uAH、uAL進(jìn)行比較得到上、下通道開(kāi)關(guān)信號(hào)，而中間開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)“異或”邏輯關(guān)系得到。NSC的第一橋臂調(diào)制狀態(tài)如表1所示。其中，P、N、Z分別表示開(kāi)關(guān)模式，UH、UL表示H點(diǎn)、L點(diǎn)處的電位。

表1 九開(kāi)關(guān)變換器調(diào)制狀態(tài)

由表1可知，上通道調(diào)制信號(hào)幅值大于下通道的調(diào)制信號(hào)，因此A相橋臂只有3種開(kāi)關(guān)模式，分別以P、N、Z表示。

由于構(gòu)成九開(kāi)關(guān)變換器的三相橋臂之間相互獨(dú)立，彼此互不影響，則九開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)模式共有33=27種。圖2展示出了27種開(kāi)關(guān)模式。

圖2 九開(kāi)關(guān)變換器27種開(kāi)關(guān)模式

2.2 三次諧波注入

九開(kāi)關(guān)變換器采用常規(guī)SPWM調(diào)制方式使得直流電壓利用率較低。為克服這一缺點(diǎn)，本文采用一種在三相正弦調(diào)制波疊加三次諧波的方法，將調(diào)制信號(hào)調(diào)制成馬鞍波，以擴(kuò)大調(diào)制度范圍。由于系統(tǒng)無(wú)中線，零序分量對(duì)調(diào)制信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生影響，既不引入復(fù)雜的控制算法，同時(shí)兼得輸出波形的質(zhì)量。

將諧波分量注入三相調(diào)制波，以上通道為例，其表達(dá)式為

(3)

式中,aUxH為三次諧波幅值。

將式(3)A相表達(dá)式改寫(xiě)為[14]

uAH=UAHsin(ωt)[(1+3a)-4asin2(ωt)]

(4)

為了使調(diào)制信號(hào)幅值最大，對(duì)(ωt)求導(dǎo)，當(dāng)

(5)

式(4)中uAH取極值，以最大值為例，將式(5)帶入式(4)，可得

(6)

對(duì)式(6)求導(dǎo)，可得a=1/6時(shí)，uAH取最大值。

由上述分析可知，當(dāng)三次諧波的幅值為1/6的基波幅值時(shí)，可使調(diào)制波幅值最大。電網(wǎng)頻率50Hz，PMSG定子頻率10.3Hz，注入三次諧波后，正弦波調(diào)制為馬鞍波，擴(kuò)大了調(diào)制度范圍，NSC的上、下通道三相調(diào)制信號(hào)波形如圖3所示。

圖3 NSC上、下通道調(diào)制波

3 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)控制策略

3.1 機(jī)側(cè)控制策略

由圖1所示，由S1～S6構(gòu)成的等效機(jī)側(cè)變換器通過(guò)LC型濾波器與電網(wǎng)相連。機(jī)側(cè)控制策略以精確的PMSG數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。采用轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和控制發(fā)電機(jī)輸出功率。轉(zhuǎn)矩電流關(guān)系采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)控制，即單位電流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩。PMSG在dq坐標(biāo)系下的電壓方程為

(7)

式中，Ld、Lq為定子電感dq軸分量，ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，isd、isq分別為定子電流dq軸分量，ωs為PMSG轉(zhuǎn)子同步角速度。

3.2 網(wǎng)側(cè)控制策略

PMSG定子與S4～S9構(gòu)成的等效網(wǎng)側(cè)變換器相連。根據(jù)電網(wǎng)電壓定向矢量控制，將電網(wǎng)電壓矢量eg定在dq坐標(biāo)系下的d軸上，即egd=ud，egq=0。采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的解耦控制，保證網(wǎng)側(cè)逆變器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。等效網(wǎng)側(cè)變換器dq坐標(biāo)系下的方程可表示為

(8)

式中，igd、igq分別為電網(wǎng)側(cè)電流dq軸分量，ud為

電網(wǎng)電壓d軸分量，Rg為等效電阻，Lg為濾波器電感，ωg為電網(wǎng)同步角速度。

九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)控制策略在傳統(tǒng)控制策略基礎(chǔ)上，還需對(duì)上、下通道調(diào)制波加入直流偏置量，以滿足上通道調(diào)制波幅值大于下通道調(diào)制波的條件。系統(tǒng)控制策略結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)控制策略

4 仿真驗(yàn)證及分析

4.1 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真分析

為驗(yàn)證九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行能力，在Matlab/Simulink下建立基于九開(kāi)關(guān)變換器的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)模型參數(shù)

在漸變風(fēng)速下，系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)側(cè)仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，額定風(fēng)速為9 m/s，在0.75 s時(shí)風(fēng)速下降到7 m/s，隨后到1.6 s時(shí)逐漸上升為11 m/s。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速能快速跟隨風(fēng)速的變化，當(dāng)超過(guò)額定風(fēng)速以后，變槳裝置啟動(dòng)，槳距角β變?yōu)?0°，將風(fēng)力機(jī)輸出功率限制在2 MW以內(nèi)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp在額定風(fēng)速下為0.51，葉尖速比λ為8.8。當(dāng)超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，Cp和λ有所下降。由圖5(b)可知，PMSG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子電流幅值隨風(fēng)速變化而變化，定子電流頻率在額定轉(zhuǎn)速下保持在10.3 Hz，與發(fā)電機(jī)定子44對(duì)的極對(duì)數(shù)理論相一致。由圖5(c)可得，PMSG輸出有功功率Pg變化與風(fēng)速變化保持一致，在額定風(fēng)速下，功率達(dá)到額定功率2 MW，風(fēng)速在7 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率下降到1 MW，風(fēng)速達(dá)到11 m/s時(shí)，由于槳距角變化，輸出功率限制在2 MW，無(wú)功功率Qg基本保持為零，直流側(cè)電壓基本穩(wěn)定在2 400 V

4.2 九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)故障穿越仿真分析

為驗(yàn)證九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的運(yùn)行特性，根據(jù)故障穿越相關(guān)技術(shù)規(guī)定，設(shè)定系統(tǒng)在額定風(fēng)速下，電網(wǎng)三相電壓跌落80%，持續(xù)時(shí)間625 ms。故障期間，卸荷電路投入工作，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 三相嚴(yán)重對(duì)稱故障下仿真結(jié)果

如圖6所示，0.4 s時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓跌落80%，1.025 s時(shí)故障切除。故障瞬間NSC直流側(cè)有20 V過(guò)電壓，隨后卸荷電路投入運(yùn)行，過(guò)電壓消失。故障期間，并網(wǎng)點(diǎn)有功Pg為0.4 MW，卸荷電阻Rc消耗1.6 MW，無(wú)功功率Qg基本為零。故障切除時(shí)，直流母線電壓驟升50 V，之后快速恢復(fù)到2 400 V?？芍陔妷簢?yán)重跌落情況下，采用卸荷電路實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障穿越，九開(kāi)關(guān)型永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)仍可并網(wǎng)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)九開(kāi)關(guān)變換器器件數(shù)量少、使用靈活的特點(diǎn)，將其替代背靠背式變換器應(yīng)用于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)中。確定了NSC上、下通道的連接方式，將PMSG與NSC下通道相連，NSC上通道經(jīng)過(guò)濾波器與電網(wǎng)相連。為提高NSC直流電壓利用率，結(jié)合常規(guī)直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)控制策略，設(shè)計(jì)了三相調(diào)制波信號(hào)注入三次諧波的調(diào)制方式。通過(guò)仿真驗(yàn)證了NSC在直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)背靠背式變換器同樣的性能，聯(lián)合卸荷電路可提高風(fēng)電系統(tǒng)的故障穿越能力。