基于雙三電平變流器永磁直驅風力發電系統

劉 毅， 譚國俊， 李 淵，2

(1.中國礦業大學 信電學院，江蘇徐州 221008;

2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 221003)

0 引言

能源和環境問題已成為當今世界各國關注的焦點問題。在已知的綠色、高效新能源和可再生能源中，風能作為永不枯竭的清潔能源，受到了世界各國的高度重視［1-2］。永磁直驅型風力發電系統是將風能轉化為電能的一種形式。在永磁直驅風力發電系統中，風力機直接驅動永磁發電機，通過發電機將風力機獲取的風能轉化為電能，而永磁發電機定子端輸出的交流電壓的頻率和幅值是隨著風速變化的，需通過全功率變流器將不穩定的交流電變換為頻率、幅值都恒定的交流電，最后送給用戶或是電網。

隨著風電機組單機容量越來越大，必然要求全功率變流器的容量也隨之加大，這對變流器中功率器件的耐壓等級提出了更高的要求，而現有器件的水平很難滿足大容量系統的要求。研究適合大功率風電機組的大容量變流器顯得尤為必要。三電平特有的拓撲結構，可以在電力電子器件原有的耐壓水平基礎上，提高變流器的電壓等級，實現變流器傳輸較大功率電能的目的，同時克服了兩電平變流器交流側波形畸變率高的缺點［3］。

目前，國內研究永磁直驅同步風力發電系統多集中在采用不控整流+Boost升壓斬波+逆變的拓撲結構、兩電平雙PWM拓撲、不控整流+電流源型逆變器的拓撲結構以及并聯兩電平背靠背PWM變流器［4-8］，對于采用雙三電平拓撲結構的永磁直驅風電系統的研究則相對較少。

本文將“Back-to-Back”雙三電平變流器拓撲結構用于永磁直驅式風力發電系統。采用最佳葉尖速比的最大風能跟蹤方法，基于轉子磁鏈定向的矢量控制方法實現機側三電平變流器的控制;對于網側三電平變流器的控制，提出了基于虛擬磁鏈定向［9］和瞬時功率理論的定頻直接功率控制。最后基于MATLAB/Simulink搭建了系統仿真模型，仿真試驗驗證了所述控制策略的有效性和正確性。

1 永磁直驅風力發電系統

本文采用的風電變流器是由兩個背靠背連接的三電平電壓型脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)變換器構成的交 －直 －交(AC-DCAC)變流器，如圖1所示。

圖1 “Back-to-Back”雙三電平變流器系統原理圖

采用三電平雙PWM全功率風電變流器，對發電機側的整流器和電網側的逆變器進行獨立控制。PWM整流橋能使發電機運行在最優工作點，并且可以提供幾乎正弦的電流，從而減少發電機側的諧波。網側變流器為三相電壓型逆變器，其實質是PWM整流器工作在逆變方式。網側變流器提供恒定的直流母線電壓，并使網側電流相位跟隨電網電壓相位，波形近似正弦。通過對雙PWM變換器的控制，將永磁發電機發出的變頻變幅電壓轉化為恒頻恒幅電壓。

2 永磁同步電機數學模型

基于等功率坐標變換，將d軸正方向定向在永磁體基波磁場方向上，q軸沿轉子旋轉方向超前d軸90°電角度，可以得到dq坐標系下永磁同步電機的數學模型如下。

定子磁鏈方程:

定子電壓方程:

電磁轉矩為

Te=1.5 np(Ψsdiq－ Ψsqid) (3)

式中:Ld、Lq——d、q 軸定子線圈自感;

isd、isq——等效的交、直軸電流;

Ψsd、Ψsq——等效的交、直軸磁鏈;

Ψf——發電機中轉子永磁體建立的磁鏈的幅值;

usd、usq——等效的交、直軸電壓;

ωe——發電機轉子旋轉的電角速度;

Rs——發電機每相定子繞組的電樞電阻;

np——永磁電機的極對數。

3 機側變流器控制策略

對機側變流器的控制主要為了實現兩個目標:一是使電機定子端能夠輸出單位功率因數的電能;二是實現對電機轉速的控制，進而跟蹤最大風能。機側變流器控制原理圖如圖2所示，采用轉子磁鏈定向、直軸電樞電流為零的矢量控制策略。

圖2 機側變流器控制原理圖

在三電平PWM整流器數學模型基礎上，采取電流矢量解耦控制，獨立控制發電機輸出電流的有功和無功分量，實現無靜差控制。控制系統采用速度外環、電流內環的雙閉環控制方式。其中外環速度參考值由最佳葉尖速比最大風能跟蹤算法得出，與實際電機轉速ωr相比較，差值Δω送給PI調節器得到有功電流參考值。為了實現發電機輸出單位功率因數的電能，令=0。將檢測到的發電機定子三相電流經坐標變換，得到 id、iq，使其跟蹤指令值，控制發電機的電磁轉矩Te，從而控制發電機轉速跟蹤最優的轉速。

4 網側變流器控制策略

網側變流器的主要任務是控制直流母線電壓恒定和調節并網的有功和無功功率，抑制電網輸入電流諧波。針對電網電壓定向的控制策略需要電壓傳感器，本文基于無需電壓傳感器，抗電網電壓擾動的電網虛擬磁鏈定向，采用瞬時功率理論的定頻直接功率控制，實現網側變流器的有效控制。

虛擬磁鏈定向時瞬時功率表達式為

三電平基于虛擬磁鏈定向的定頻直接功率控制框圖如圖3所示。

圖3 基于虛擬磁鏈的SVM-DPC

網側變流器控制采用雙閉環控制策略，分別為外環直流電壓環、內環功率環。直流電壓環起到控制直流母線電壓穩定的作用，在控制時將采樣到的直流母線電壓udc和電壓給定值u*dc相比較，偏差值經由PI調節器得到有功電流參考值。參考電流值與直流輸出電壓相乘后得到有功功率參考值p*，以此作為有功功率的給定。內環直接以有功和無功作為控制對象以實現網側變流器輸出電流的正弦化且保證電流相位和電壓相同。將由虛擬磁鏈和網側電流計算得到的瞬時有功和無功功率分別與各自的給定值相比較，然后將偏差送給功率調節器，經坐標變換得到交流側電壓參考信號，進而實現網側變流器的控制。

5 仿真分析

為驗證所述控制策略的正確性和有效性，在MATLAB/Simulink軟件平臺下，搭建了基于“Back-to-Back”雙三電平變流器的永磁直驅風電系統模型，如圖4所示。電機參數如下:定子繞組等效電阻 Rs=0.05 Ω，等效電感 Ld=Lq=0.635 mH;電機極對數為 Np=10;永磁磁通為Ψf=0.192 Wb;慣性系數 J=0.011 kg·m2;摩擦系數F=0.001 889 N·m·s;直流母線電壓給定值Udc=180 V，直流側電容值 C1=C2=2 200 μF，交流側電網電壓 Em=80 V，濾波電感 L=0.2 mH，開關頻率 f=2 kHz。

仿真波形如圖5～圖11所示。

從圖5可以看出，在風力發電系統中電機轉速很好地跟蹤了風機轉速，此時用最佳葉尖速比跟蹤最大風能的方法得到的風能利用系數Cp=0.438。圖6所示為永磁發電機定子輸出三相交流電流，通過機側PWM整流器的控制，實現了輸出電流的正弦化。圖7為直流母線電壓波形，可見通過網側變流器的外環控制，在風速突變時且風力機輸出轉矩跌至很小時，直流電壓仍能控制在給定值附近。圖8為網側電流波形，圖9為網側A相電壓和電流波形，電壓電流的相位完全相反，實現了單位功率因數發電的預期效果。圖10、圖11為輸出有功、無功波形，表現出良好的解耦控制效果。仿真結果很好地證明了所采用雙三電平變流器拓撲結構和控制方法是行之有效的。

圖4 永磁直驅風力發電系統仿真模型

圖5 電機給定轉速和實際轉速波形

圖6 PMSM定子電流波形

6 結語

圖7 直流母線電壓

圖8 網側電流波形

本文基于雙三電平拓撲結構，建立了永磁直驅風力發電系統的模型，對風速變化條件下的系統動態特性進行了仿真研究。控制系統采用基于轉子磁鏈定向的矢量控制方法，以及基于虛擬磁鏈定向、瞬時功率理論的空間矢量調制定頻直接功率控制方法。仿真試驗分析表明采用所述策略較好地實現了永磁直驅風力發電系統的控制，驗證了控制策略的正確性和有效性，具有良好的工業應用前景。

圖9 電網A相電壓、電流波形

圖10 輸出的有功功率

圖11 輸出的無功功率

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