永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布式直流并網(wǎng)動態(tài)電壓解耦補(bǔ)償控制

唐任遠(yuǎn)， 張洪陽， 張志鋒， 朱建光

(沈陽工業(yè)大學(xué)國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽 110870)

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布式直流并網(wǎng)動態(tài)電壓解耦補(bǔ)償控制

唐任遠(yuǎn)， 張洪陽， 張志鋒， 朱建光

(沈陽工業(yè)大學(xué)國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽 110870)

針對永磁(同步)風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布式直流并網(wǎng)的要求，提出并研究了一種基于機(jī)側(cè)電壓動態(tài)解耦補(bǔ)償?shù)那揖哂袑掃\(yùn)行范圍的分布式直流并網(wǎng)控制策略。分析了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁分量控制原則，進(jìn)而為電機(jī)的高性能運(yùn)行提供依據(jù)。基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系把寬范圍運(yùn)行下系統(tǒng)所有的交叉耦合項(xiàng)和電壓波動等原因造成的系統(tǒng)擾動統(tǒng)一定義為一個(gè)新的變量擾動，然后對控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。采用輔助支撐電容的直流斬波電路進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同直流電壓等級的匹配，最終實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒壓控制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的可行性和有效性。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī);分布式直流并網(wǎng);電壓動態(tài)解耦;高性能運(yùn)行;變速恒壓

0 引言

由于全球范圍內(nèi)煤炭、石油等石化能源日漸減少，特別是以煤炭為主要能源的電力行業(yè)帶來的環(huán)境污染等問題，世界各國都將目光轉(zhuǎn)移到了可再生能源的研發(fā)上。風(fēng)能作為一種可再生、清潔能源越來越受到人們的重視，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，加之其環(huán)保效益，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為最具有商業(yè)化發(fā)展前景的新興產(chǎn)業(yè)之一［1－2］。分布式并網(wǎng)以分散的方式布置在負(fù)荷所在的配電網(wǎng)絡(luò)中，與大電網(wǎng)互為支撐，對于環(huán)境保護(hù)和增加能源供應(yīng)有著不可忽視的作用［3－4］。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于省去了低效率、低可靠性的齒輪箱，控制方式靈活，易于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)等優(yōu)勢，已成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一［5－7］。隨著工業(yè)直流負(fù)荷的不斷增加，研究永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分布式直流并網(wǎng)有重要意義。對于相關(guān)的研究，文獻(xiàn)［8］采用二階滑模控制器，實(shí)現(xiàn)了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的非線性控制。不過控制器應(yīng)用較為復(fù)雜。針對傳統(tǒng)的PWM整流器，文獻(xiàn)［9－10］分別就功率因數(shù)控制和直接功率控制等問題進(jìn)行了研究。將直流斬波電路應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中，可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)的工作范圍，文獻(xiàn)［11］對交錯(cuò)并聯(lián)斬波器的控制和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為深入的分析。此外，文獻(xiàn)［12］研究了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的功率優(yōu)化控制問題。然而針對如何提高永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布式直流并網(wǎng)的穩(wěn)定性等具體問題的相關(guān)的研究較少。

本文從永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在分布式直流并網(wǎng)的應(yīng)用出發(fā)，考慮寬運(yùn)行范圍下對電機(jī)和變流器的要求，對基于機(jī)側(cè)電壓動態(tài)解耦補(bǔ)償控制的分布式直流并網(wǎng)變流器進(jìn)行了研究。首先給出了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁分量計(jì)算和控制的原則，從而對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高功率因數(shù)、高效控制等高性能控制提供了一定的依據(jù)。其次，重點(diǎn)分析了消除系統(tǒng)擾動、提高系統(tǒng)工作可靠性的機(jī)側(cè)電壓動態(tài)補(bǔ)償控制方法。為了進(jìn)一步滿足對工業(yè)負(fù)荷和直流并網(wǎng)電壓等級的需要，最后給出采用輔助支撐電容結(jié)構(gòu)的直流斬波電路設(shè)計(jì)方案。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制策略的可行性。

1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制原則

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能主要取決于對電流矢量的有效控制，因此首先分析了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后給出了勵(lì)磁分量的計(jì)算和控制原則。假設(shè):不計(jì)渦流和磁滯損耗;忽略鐵心飽和;轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組;空間磁動勢及磁通正弦分布［7－8］。將永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向在d軸上，q軸超前d軸90°，則永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中:usd、usq為 d、q 軸電壓分量;isd、isq為 d、q 軸電流分量;Ld、Lq為d、q軸電感分量;ψf為永磁體勵(lì)磁磁鏈;ωr為電角速度;Rs為定子電阻;pn為極對數(shù);Tem是電磁轉(zhuǎn)矩。

基于上述模型可以得到基于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)本體的勵(lì)磁調(diào)節(jié)限制條件，且作為勵(lì)磁分量計(jì)算和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。結(jié)合式(1)，并以電機(jī)電流is和電壓us極限條件為約束，有

式中:islimit為考慮負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)和變流器極限電流中的最小值;usmax為考慮發(fā)電機(jī)和變流器允許并網(wǎng)極限電壓中的最小值。由式(1)可知，忽略定子電流的動態(tài)變化和定子電阻的影響，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓方程為

根據(jù)式(2)和式(3)，可得

從電機(jī)的氣隙合成電動勢來看，假設(shè)isd增加Δisd，則對應(yīng)磁鏈增加Δψ=ΔisdLd，對應(yīng)的氣隙合成電動勢增加ΔE為

式中:f為運(yùn)行頻率;N為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù);Kdp為繞組因數(shù);Δ為每極氣隙合成磁通;K為氣隙磁通波形系數(shù)。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，磁路較為飽和，就單靠自身增加勵(lì)磁分量來升壓的能力有限，相對來說在高轉(zhuǎn)速下的弱磁更容易實(shí)現(xiàn)。為保證在勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程中母線電壓的穩(wěn)定性和有效利用，變流器PWM調(diào)制采用電壓利用率高的SVPWM調(diào)制方案，則最大定子電壓等效成

式中udc1為機(jī)側(cè)PWM變流器直流母線電壓。

考慮實(shí)際工作過程中功率的平滑性，則出于母線電壓限制的勵(lì)磁分量可控范圍為

式中Δis=在勵(lì)磁分量計(jì)算給定過程中，轉(zhuǎn)矩分量 Δisq變化很小，因此 Δis≈Δisd。對于的補(bǔ)償值也可以通過已知的極限電壓u和實(shí)際smax電壓us求差后經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器給出。

2 動態(tài)電壓解耦補(bǔ)償控制策略

為了實(shí)現(xiàn)在寬風(fēng)速運(yùn)行范圍下永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的平滑性，就要盡量減小電機(jī)在風(fēng)速突變和其他系統(tǒng)擾動情況下的抗干擾性、提高系統(tǒng)的可靠性。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制直接反映在機(jī)側(cè)變流器輸入端電壓和電流的變化上，所以可以在機(jī)側(cè)PWM變流器d-q坐標(biāo)系下，把所有的交叉耦合項(xiàng)和直流斬波電路電壓波動等原因造成的系統(tǒng)擾動統(tǒng)一定義為新的變量擾動Δud和Δuq，然后對控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)機(jī)側(cè)變流器在連續(xù)的兩個(gè)調(diào)制周期內(nèi)控制內(nèi)環(huán)電流擾動為Δid和Δiq，在前一個(gè)調(diào)制周期ts內(nèi)電流必須滿足當(dāng)前周期內(nèi)的給定，才可以控制變流器調(diào)制產(chǎn)生控制電壓的參考值，從而準(zhǔn)確地跟蹤電壓。其對應(yīng)關(guān)系為

式(10)化簡為，當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，忽略 R，則 Δi=。因?yàn)殡妷菏噶恳?/p>

gs知，所以計(jì)算前后兩個(gè)周期差值就可以得出Δus。然后根據(jù)檢測到的角位置θr，結(jié)合式(11)，就可以得到d-q軸電流補(bǔ)償量為

經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得到控制電壓的解耦補(bǔ)償分量為

式中:kps為電流PI調(diào)節(jié)器比例參數(shù);kis為電流PI調(diào)節(jié)器積分參數(shù)。最后經(jīng)過變換后得到參考電壓矢量實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。

圖1 基于電壓解耦補(bǔ)償?shù)闹绷鞑⒕W(wǎng)控制策略Fig.1 DC connection grid control strategy based on voltage dynamic compensation

3 輔助支撐電容直流斬波電路

為同時(shí)滿足接入分布式直流電網(wǎng)和工業(yè)直流負(fù)荷對直流電壓等級的要求，寬風(fēng)速變化范圍下，機(jī)側(cè)PWM變流器的直流電壓調(diào)節(jié)能力有限。為實(shí)現(xiàn)恒壓并網(wǎng)，就要借助直流斬波環(huán)節(jié)的直流電壓匹配作用，因此設(shè)計(jì)的直流斬波電路應(yīng)具有升降壓功能。在盡量不增加成本的基礎(chǔ)上，對電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示。與常見的升降壓斬波電路結(jié)構(gòu)不同，圖2中通過增加Cdc2這一輔助支撐電容，從而緩解了電容對輸出電壓紋波和響應(yīng)時(shí)間難以兼得的矛盾。

圖2 具有輔助支撐電容的斬波電路拓?fù)銯ig.2 Topology of boost-buck chopper circuit with auxiliary support capacitance

假設(shè)直流斬波電路已經(jīng)工作在穩(wěn)態(tài)，圖2中直流斬波電路的等效電路如圖3所示。穩(wěn)態(tài)下，因?yàn)長dc1兩端電壓對時(shí)間的積分為零，因此得到輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為

式中:ton為V1的開通時(shí)間;toff為V1的關(guān)斷時(shí)間;為V1的開關(guān)周期;d'為V1的占空比，且

根據(jù)圖3可知，該結(jié)構(gòu)不改變原有斬波電路升降壓關(guān)系，但是在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)切入工作狀態(tài)時(shí)卻可以在要求電壓紋波情況下大大減小響應(yīng)時(shí)間，與軟件上面提高響應(yīng)速度的方法相比，硬件辦法更為直接和有效。結(jié)合機(jī)側(cè)PWM變流器的電壓解耦補(bǔ)償控制算法可以更好的實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恒壓控制，拓寬了工作范圍。進(jìn)而也大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)能力，解決了直流并網(wǎng)點(diǎn)或是其他工業(yè)直流負(fù)荷對電壓穩(wěn)定快速性的要求。

圖3 開關(guān)動作時(shí)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of switch work

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)仿真

為說明本文電壓動態(tài)解耦補(bǔ)償控制的有效性，基于Matlab/SIMULINK對其進(jìn)行了仿真研究，并通過對比分析進(jìn)行驗(yàn)證。首先假設(shè)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，突加一個(gè)直流母線電壓擾動量來模擬實(shí)際中的母線電壓波動，如圖4所示。此時(shí)，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三相交流電流和d-q軸電流變化過程分別如圖5和圖6所示。可以看到，0.2 s時(shí)系統(tǒng)在外界某種擾動下母線電壓產(chǎn)生了一定的波動，此時(shí)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三相電流出現(xiàn)較大波動，并且出現(xiàn)了三相電流幅值不對稱的情況，系統(tǒng)經(jīng)過大約0.2 s的調(diào)整后，三相電流幅值基本恢復(fù)對稱，但是此時(shí)，隨著負(fù)載的減小，系統(tǒng)輸出功率變小。由于電壓仍然有少許的震蕩，系統(tǒng)三相電流波形未能恢復(fù)到原來水平，電流波形相對較差。同理，圖6中的d-q軸電流情況與圖5中的三相電流類似，隨著總電流的減小，dq軸電流都有一定的減小。采用解耦補(bǔ)償算法后，在上述直流母線電壓振蕩下，給出了電機(jī)d-q軸電流如圖7所示。可見補(bǔ)償后可以減小擾動對電機(jī)影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由式(10)可以看到，實(shí)質(zhì)上系統(tǒng)擾動的影響是通過機(jī)側(cè)輸入電抗器傳遞到直流側(cè)的，而補(bǔ)償?shù)淖罱K結(jié)果是通過電流的作用來實(shí)現(xiàn)的。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制算法，搭建了基于 DSP TMS320LF2407為控制核心的實(shí)驗(yàn)平臺。在模擬整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的過程中，由直流電動機(jī)通過減速機(jī)連接到永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。用直流電動機(jī)模擬實(shí)際中的風(fēng)力機(jī)，用一臺風(fēng)機(jī)來模擬實(shí)際中永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍的風(fēng)場情況。由接觸器、斷路器等開關(guān)器件控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作，系統(tǒng)性能測試平臺由PZ4000、WT230等測試儀器組成數(shù)據(jù)自動采集平臺。圖8為系統(tǒng)停車時(shí)未采用補(bǔ)償和采用補(bǔ)償時(shí)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相電流和機(jī)側(cè)PWM變流器輸出直流電壓udc1從200 V到零的過程。圖9為系統(tǒng)因某種擾動導(dǎo)致電流波形變壞，不過采用補(bǔ)償之后，可以很好的解決這一問題。通過上述實(shí)驗(yàn)分析，可以看到，本文研究的控制方案可以很好的實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為分布式電源的直流并網(wǎng)，并且能夠滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性等要求。

圖9 擾動時(shí)三相電流和直流電壓udc1Fig.9 Three phase currents and udc1of disturbance

5 結(jié)論

1)分析了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁分量控制原則，進(jìn)而為電機(jī)的高性能控制提供依據(jù);同時(shí)也保證了電機(jī)和變流器匹配能更好的匹配工作。

2)得到了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下基于動態(tài)電壓解耦補(bǔ)償?shù)木哂袑掃\(yùn)行范圍的分布式直流并網(wǎng)變流器控制方案，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，使輸出功率更加平滑。

3)采用輔助支撐電容的直流斬波電路進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)直流電壓的匹配，最后實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒壓控制，使其可以廣泛的應(yīng)用到不同直流電壓等級要求的工業(yè)直流負(fù)荷和直流組網(wǎng)。

［1］ 魏偉，許勝輝.風(fēng)力發(fā)電及相關(guān)技術(shù)綜述［J］.微電機(jī)，2009，42(4):66－69.WEI Wei，XU Shenghui.A review about relative technology used in wind power generation system［J］.Micromotors，2009，42(4):66－69.

［2］ KANG Jinsong，ZHANG Zhiwen，LANG Yongqiang.Development and trend of wind power in China［C］//Proceedings of IEEE Canada Electrical Power Conference，October 25－26，2007，Montreal，Canada.2007:330 －335.

［3］ 錢照明，汪槱生，徐德鴻，等.中國電氣工程大典:第二卷電力電子技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2009:784－785.

［4］ WANG Caishen，NEHRIR M H.Analytical approaches for optimal placement of distributed generation sources in power systems［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2004，19(4):2068－2076.

［5］ 姚興佳，馬曉巖，鮑潔秋.直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(1):30－34.

YAO Xingjia，MA Xiaoyan，BAO Jieqiu.Steady characteristic of variable-speed constant-frequency direct-driven wind-turbine［J］.Journal of Shenyang University of Technology，2009，31(1):30－34.

［6］ 張?jiān)溃貘P翔，周浩，等.極槽匹配對直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的影響［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24(6):12 －16.

ZHANG Yue，WANG Fengxiang，ZHOU Hao，et al.Effect of pole number and slot number on performance of permanent magnet generator directly driven by wind turbine［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(6):12 －16.

［7］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997:273－282.

［8］ VAlENCIAGA F，PULESTON P F.High-order sliding control for a wind energy conversion system based on a permanent magnet synchronous generator［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23(3):860－867.

［9］ SANGSHIN KWAK，TOLIYAT H A.Design and rating comparisons of PWM voltage source rectifiers and active power filters for AC drives with unity power factor［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(5):1333 －1142.

［10］ 陳偉，鄒旭東，唐健，等.三相電壓型PWM整流器直接功率控制調(diào)制機(jī)制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(3):35－42.

CHEN Wei，ZOU Xudong，TANG Jian，et al.DPC modulation mechanism of three-phase voltage source PWM rectifiers［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30(3):35 －42.

［11］ 楊國良，李惠光.直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)交錯(cuò)并聯(lián)升壓斬波器的設(shè)計(jì)與控制研究［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(8):261－265.

YANG Guoliang，LI Huiguang.Design and control of parallel interleaving boost chopper in directly-drive wind power generation system［J］.Machine Tool＆ Hydraulics，2008，36(8):261－265.

［12］ 嚴(yán)干貴，魏治成，穆鋼，等.直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)功率運(yùn)行控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(1):56－61.

YAN Gangui，WEI Zhicheng，MU Gang，et al.Optimal power control of directly-driven permanent magnet synchronous generator wind turbine［J］.Electric Machines and Control，2009，13(1):56－61.

(編輯:張?jiān)婇w)

Dynamic voltage decoupling compensation control of distributed DC grid converter for permanent magnet wind generator

TANG Ren-yuan， ZHANG Hong-yang， ZHANG Zhi-feng， ZHU Jian-guang
(National Engineering Research Center for Rare Earth Permanent Magnet Machine，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

In order to satisfy the demands of distributed DC grid with permanent magnet(synchronous)wind generator，the control strategy of distributed DC grid converter based on dynamic voltage compensation is proposed and studied with wide operation range.The control principle of excitation component was analyzed，and the basis was provided for high performances and so on.The disturbance variable was defined considering the cross coupling and voltage fluctuates based on the coordinate rotary system，and then the system was compensated.The DC chopper circuit was adopted with auxiliary support capacitance for the matching of diffirent DC voltage level.Fnially，the ariable speed constant voltage control of permanent magnet wind generator was implemented.Simulation and experimental vertify the feasibility and validity of the control stategies.

permanent magnet wind generator;distributed DC grid;dynamic voltage compensation;high performances operation;ariable speed constant voltage

TM 315

A

1007－449X(2011)05－0001－06

2011－03－21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2008AA052412);遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(LT20100079)

唐任遠(yuǎn)(1931—)，男，中國工程院院士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制;

張洪陽(1982—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)控制和風(fēng)電變流器設(shè)計(jì);

張志鋒(1981—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制;

朱建光(1970—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。