周志鋼，厲 偉，董文忠

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870;2.興城市廣播電視臺(tái)，遼寧 葫蘆島 125100)

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變流器控制技術(shù)

周志鋼1，厲 偉1，董文忠2

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870;2.興城市廣播電視臺(tái)，遼寧 葫蘆島 125100)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器是實(shí)現(xiàn)能量高效、穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。研究了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理，建立了雙PWM變流器機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的數(shù)學(xué)模型。機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方式，網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的完全獨(dú)立解耦控制。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明:該控制策略可有效地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，維持直流母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的平滑并網(wǎng)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

風(fēng)力發(fā)電;雙PWM變流器;矢量控制;獨(dú)立解耦

隨著可再生能源的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例不斷提高。由于直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行高效穩(wěn)定、故障率低等優(yōu)勢(shì)，從而在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)成為主流機(jī)型［1］。本文針對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM全功率變流器的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制技術(shù)展開研究。機(jī)側(cè)變流器對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能功率追蹤，網(wǎng)側(cè)變流器［2］通過輸出并網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，輸出功率獨(dú)立解耦控制。在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，通過對(duì)仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了控制策略的可行性和有效性。

1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［3］由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、雙PWM變流器、控制系統(tǒng)等組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱和聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)相連，經(jīng)過雙PWM整流逆變環(huán)節(jié)后通過發(fā)電機(jī)定子將電能傳輸給電網(wǎng)。

1.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)是一種將截獲流動(dòng)的空氣所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為拖動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的裝置。

風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)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(fēng)速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，一般Cp＜0.593。同時(shí)Cp與槳距角β和葉尖速比λ存在如下關(guān)系:

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng)，其機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是通過基波磁場(chǎng)來完成的。為了獲得電機(jī)良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，采用坐標(biāo)變換將交流分量變換為直流分量，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jī)定子電壓的dq軸分量;isd、isq分別表示發(fā)電機(jī)定子電流的d-q軸分量;ψf分別表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈;Ld、Lq分別表示發(fā)電機(jī)定子電感d-q軸分量;R表示發(fā)電機(jī)定子電阻;ωe表示發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速;np表示發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù);p表示微分算子。

永磁同步發(fā)電機(jī)在d-q軸坐標(biāo)系下，

其中，電壓方程為

本文針對(duì)永隱極式的永磁同步發(fā)電機(jī)展開研究，即Ld=Lq，轉(zhuǎn)矩方程可簡(jiǎn)化為

由式 (6)可以看出通過控制發(fā)電機(jī)定子q軸電流實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。

2 雙PWM變流器控制技術(shù)

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器控制策略［4-5］進(jìn)行分析，實(shí)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(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。其中，機(jī)側(cè)變流器采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤;網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)在對(duì)輸出有功功率和無(wú)功功率獨(dú)立解耦控制基礎(chǔ)上維持直流母線電壓穩(wěn)定。

2.1 機(jī)側(cè)變流器控制策略

機(jī)側(cè)變流器的控制策略采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制，對(duì)d-q軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸定向。在忽略磁鏈暫態(tài)特性，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以同步速度旋轉(zhuǎn)并定向于d-q坐標(biāo)系的d軸的前提下，永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)對(duì)idref和iqref跟蹤，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。機(jī)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制，即轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)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(bǔ)償相。通過補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)功率的完全獨(dú)立解耦控制和最大功率跟蹤。雙閉環(huán)控制中，轉(zhuǎn)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(shè)定為isdref=0。在電流內(nèi)環(huán)中，實(shí)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(hào)Δi通過PI調(diào)節(jié)器后，同時(shí)引入前饋補(bǔ)償信號(hào)后得到調(diào)制電壓ud和uq，最后坐標(biāo)變換后通過空間矢量脈寬調(diào)制后得到機(jī)側(cè)變流器的PWM信號(hào)?；谝陨戏治?，機(jī)側(cè)變流器矢量控制如圖4所示。

圖4 機(jī)側(cè)變流器矢量控制框圖

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的控制任務(wù)是在維持直流母線電壓Udc恒定的基礎(chǔ)上，保證輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電壓和輸出有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立解耦控制［6］。

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，網(wǎng)側(cè)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(guān)系的電壓分量，通過電流變化的比例積分環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，利用前饋解耦控制，補(bǔ)償交叉耦合相，實(shí)現(xiàn)了d-q軸電流的獨(dú)立解耦控制。

網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，也就是將電網(wǎng)電壓ug定向于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸，則電網(wǎng)電壓滿足:

網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓方程改寫為

式中:ud、uq、id、iq分別表示網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓、電流d-q軸分量;L和R分別表示網(wǎng)側(cè)變流器的三相進(jìn)線電抗器電感和線路電阻;idref、iqref分別表示網(wǎng)側(cè)變流器輸出參考電流d-q軸分量;idc為網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電流;iL為負(fù)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(biāo)系中開關(guān)函數(shù)。

網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率和無(wú)功功率分別為

式 (14)表明網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電容電流idc包含有功電流分量Sdid和無(wú)功電流分量Sqiq，暫時(shí)不考慮變流器和電網(wǎng)之間的無(wú)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(guān)系。直流母線電壓可通過控制有功電流id實(shí)現(xiàn)維持穩(wěn)定。式 (15)表明網(wǎng)側(cè)變流器無(wú)功功率通過控制iq實(shí)現(xiàn)?；谝陨戏治?，網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制如圖5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制框圖

基于以上控制策略分析，機(jī)側(cè)變流器采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，控制策略程序?qū)懭霗C(jī)側(cè)DSP內(nèi)，通過控制IGBT導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率的輸出。網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，控制策略程序?qū)懭刖W(wǎng)側(cè)DSP內(nèi)，通過控制IGBT導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)合閘，并給電容器充電。一般情況下，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)，也就是將網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功功率設(shè)置為0。通過網(wǎng)側(cè)變流器有功、無(wú)功功率的實(shí)際值與參考值比較，并將差值經(jīng)過外環(huán)功率PI控制器，計(jì)算得出定子q軸和d軸電流參考值，然后將電流參考值經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流PI控制器，得到網(wǎng)側(cè)變流器的調(diào)制電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換后采用空間矢量脈寬調(diào)制后得到IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

本文所建立的仿真模型:風(fēng)力機(jī)模型、永磁同步發(fā)電機(jī)模型、雙PWM變流器控制模型;試驗(yàn)平臺(tái)的電機(jī)參數(shù):額定功率20 kW，額定電壓400 V AC，極對(duì)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(yàn)對(duì)比分析驗(yàn)證。

3.1 仿真結(jié)果

通過對(duì)基于上述控制策略建立的仿真模型進(jìn)行仿真控制得到:電網(wǎng)電壓d-q軸分量、網(wǎng)側(cè)變流器有功功率、無(wú)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(jī)定子電流仿真波形如圖9所示。

圖6 電網(wǎng)電壓d-q軸分量

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率和無(wú)功功率

圖8 直流母線電壓

圖9 發(fā)電機(jī)定子電流d-q軸分量

圖6表明，電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓定向于d軸，使得ugd=ug和ugq=0;圖7表明網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)，使得 Qg=0，Pg=19.7 kW，實(shí)現(xiàn)功率的獨(dú)立解耦控制;圖8表明，直流母線電壓開始有一定的超調(diào)，但很快穩(wěn)定于額定值580 V，實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓的快速穩(wěn)定;圖9表明發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)平臺(tái)如圖10、圖11所示，通過對(duì)拖機(jī)組模擬風(fēng)力機(jī)發(fā)電，通過并網(wǎng)柜中的雙PWM變流器對(duì)其進(jìn)行并網(wǎng)控制。

圖10 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)平臺(tái)獲得如下試驗(yàn)結(jié)果，其試驗(yàn)波形如圖12～圖15所示。

圖11 變流柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖12 電網(wǎng)電壓d-q軸分量

圖13 直流母線電壓

圖14 發(fā)電機(jī)定子電流d-q軸分量

圖15 并網(wǎng)瞬間網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓

在試驗(yàn)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，所得試驗(yàn)結(jié)果:圖12表明，電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓定向于d軸，使得ugd=ug=400 V和ugq=0且存在一定的波動(dòng);圖13表明直流母線電壓在網(wǎng)側(cè)變流器預(yù)充電時(shí)0～0.2 s緩慢上升，最后穩(wěn)定于580 V;圖14表明發(fā)電機(jī)定子電流小幅震蕩并穩(wěn)定于isq=is=29.7 A，isd=0，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。圖15表明網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓在并網(wǎng)瞬間幅值和相位逐漸跟隨電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)。

根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果:定子電流實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立解耦控制，控制定子有功功率和無(wú)功功率的輸出;網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立解耦控制，通過控制定子電流實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器有功功率和無(wú)功功率輸出控制;控制有功功率的平衡實(shí)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(shí)現(xiàn)了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平滑并網(wǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析:網(wǎng)側(cè)變流器通過采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)輸出功率的獨(dú)立解耦控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行;同時(shí)控制輸出功率來維持直流母線電壓穩(wěn)定。機(jī)側(cè)變流器通過采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制實(shí)現(xiàn)的定子電流的獨(dú)立解耦控制，通過控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量獨(dú)立調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出有功功率。通過雙PWM變流器的控制，實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平滑并網(wǎng)。

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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(fēng)力發(fā)電的變流器及并網(wǎng)技術(shù)研究。

2015-05-20)