高紅巖　汪雅蕓

摘要：針對(duì)兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，本文采用三電平二極管箝位型變流器作為網(wǎng)側(cè)變換器，帶解耦控制器的電壓定向的控制策略。建立了永磁直驅(qū)風(fēng)電網(wǎng)側(cè)的數(shù)學(xué)模型，分析了電壓定向控制的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定直流側(cè)電壓，向電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能；通過Matlab軟件進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)符合兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)電并網(wǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)風(fēng)電；三電平二極管箝位型變流器；電壓定向的控制

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2017）12-0090-01

Abstract： This paper focuses on the grid-side converter and the grid voltage oriented control of which is used for the MW-level direct-drive permanent-magnet wind power system. A diode-clamped three-level converter was used as the grid-side converter. The grid voltage oriented control is elaborated. Simulation model is built with Matlab. It can achieve the DC side voltage maintains steady well. High-quality electricity is fed into the grid.

Key words： direct-drive permanent-magnet wind power system； diode-clamped three-level converter； voltage oriented control

引言

風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，永磁直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)省掉了齒輪箱、電勵(lì)磁裝置，可靠性和效率大大提高 [1]。為了使直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸入高品質(zhì)電能，多電平變換器因其輸出電壓等級(jí)高、諧波含量少更接近正弦波被廣泛關(guān)注[2]。本文采用二極管箝位型三電平變流器作為兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器。二極管箝位型三相三電平變流器簡(jiǎn)稱為三電平變流器?？刂撇呗陨喜捎秒妷憾ㄏ蚩刂?，實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定、向電網(wǎng)輸送諧波含量少的高品質(zhì)電能，通過Matlab仿真驗(yàn)證了理論和控制策略的正確性。

1 網(wǎng)側(cè)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

永磁直驅(qū)三電平風(fēng)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。為了分析簡(jiǎn)便，假設(shè)：電力電子器件均為理想的器件，把永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)側(cè)等效為電阻和受控電流源串聯(lián)結(jié)構(gòu)[3]。

直流母線電壓為E，兩個(gè)直流母線電容串聯(lián)分壓，每個(gè)電容的電壓為E/2。當(dāng) A相的開關(guān)器件Sa1、Sa2 閉合，輸出電壓uAO為E/2；當(dāng)Sa2、Sa3 閉合，輸出電壓為0；當(dāng)Sa3、Sa4 閉合，輸出電壓為-E/2。B相和C相也是如此，所以三相輸出電壓uAO、uBO、 uCO為三電平E/2、0、-E/2。輸出線電壓由uAB=uAO—uBO得到為五電平E、E/2、0、-E/2、-E。

根據(jù)圖1可知，電網(wǎng)電壓的方程經(jīng)過abc三相靜止坐標(biāo)系變換成dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，得到交流側(cè)輸出電壓在dq軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

其中，idg、iqg為交流側(cè)電流d、q軸分量；udg、uqg為電網(wǎng)電壓d、q軸分量； udi、uqi為變流器輸出電壓d、q軸分量；ωg為同步坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)角速度。

2 網(wǎng)側(cè)的控制策略

控制策略采用帶有解耦控制器的電壓定向控制。電網(wǎng)電壓定向控制是將三相電網(wǎng)電壓uga、ugb、ugc通過abc/ dq變換為 udg、uqg，并且令udg=vg，uqg=0，其中：vg為電網(wǎng)電壓的幅值，則實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的定向控制。

采用PI控制器調(diào)節(jié)電流和電壓，在前饋解耦控制下，交流側(cè)輸出電壓的表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

其中：（k1+k2/S）為PI控制器傳遞函數(shù)； idg*、iqg*為電網(wǎng)d、q軸電流分量參考值。

3 仿真分析

利用Matlab搭建網(wǎng)側(cè)控制的模型。受控電流源在0s到0.4s設(shè)定為1000A， 在0.4s到0.6s設(shè)定為500A，直流側(cè)參考電壓設(shè)定為1050V。

圖2為直流側(cè)電壓值，直流側(cè)參考電壓值為1050V，在PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓下，0.06s時(shí)直流側(cè)電壓穩(wěn)定到參考電壓值1050V。

圖3為輸入到電網(wǎng)中的三相電流，0.06s時(shí)波形趨于穩(wěn)定， 三相波形平滑穩(wěn)定，接近正弦波，0.06s至0.4s電流的幅值為1700V，在0.4s至0.6s電流的幅值變?yōu)?000V。

4 結(jié)論

本文在理論上分析了永磁直驅(qū)三電平風(fēng)電網(wǎng)側(cè)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，采用帶解耦控制器的電壓定向控制策略，并利用Matlab仿真分析，驗(yàn)證了采用三電平變換器輸出電平數(shù)多諧波含量少，帶解耦控制器的電壓定向控制策略能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓、輸入到電網(wǎng)的電能更接近正弦波。

參考文獻(xiàn)

[1]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：228-230.

[2]李暉，王丹，李庚銀.永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)換流器混合控制策略研究[J]. 電力建設(shè)，2017，38（6）：133-139.

[3]郭瑾，王雷.永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器研究[J]. 電力電子技術(shù)，2017，51（10）：24-26.

注：武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題，課題編號(hào)：Y2016025