基于雙三電平變流器永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

劉 毅， 譚國俊， 李 淵，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇徐州 221008;

2.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 221003)

0 引言

能源和環(huán)境問題已成為當(dāng)今世界各國關(guān)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(fēng)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(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種形式。在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動永磁發(fā)電機(jī)，通過發(fā)電機(jī)將風(fēng)力機(jī)獲取的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，而永磁發(fā)電機(jī)定子端輸出的交流電壓的頻率和幅值是隨著風(fēng)速變化的，需通過全功率變流器將不穩(wěn)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(wǎng)。

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)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(xiàn)有器件的水平很難滿足大容量系統(tǒng)的要求。研究適合大功率風(fēng)電機(jī)組的大容量變流器顯得尤為必要。三電平特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在電力電子器件原有的耐壓水平基礎(chǔ)上，提高變流器的電壓等級，實現(xiàn)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(cè)波形畸變率高的缺點［3］。

目前，國內(nèi)研究永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多集中在采用不控整流+Boost升壓斬波+逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、兩電平雙PWM拓?fù)洹⒉豢卣?電流源型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及并聯(lián)兩電平背靠背PWM變流器［4-8］，對于采用雙三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的研究則相對較少。

本文將“Back-to-Back”雙三電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。采用最佳葉尖速比的最大風(fēng)能跟蹤方法，基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方法實現(xiàn)機(jī)側(cè)三電平變流器的控制;對于網(wǎng)側(cè)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(tǒng)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(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

本文采用的風(fēng)電變流器是由兩個背靠背連接的三電平電壓型脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)變換器構(gòu)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(tǒng)原理圖

采用三電平雙PWM全功率風(fēng)電變流器，對發(fā)電機(jī)側(cè)的整流器和電網(wǎng)側(cè)的逆變器進(jìn)行獨立控制。PWM整流橋能使發(fā)電機(jī)運行在最優(yōu)工作點，并且可以提供幾乎正弦的電流，從而減少發(fā)電機(jī)側(cè)的諧波。網(wǎng)側(cè)變流器為三相電壓型逆變器，其實質(zhì)是PWM整流器工作在逆變方式。網(wǎng)側(cè)變流器提供恒定的直流母線電壓，并使網(wǎng)側(cè)電流相位跟隨電網(wǎng)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(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻變幅電壓轉(zhuǎn)化為恒頻恒幅電壓。

2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

基于等功率坐標(biāo)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度，可以得到dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下。

定子磁鏈方程:

定子電壓方程:

電磁轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子永磁體建立的磁鏈的幅值;

usd、usq——等效的交、直軸電壓;

ωe——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度;

Rs——發(fā)電機(jī)每相定子繞組的電樞電阻;

np——永磁電機(jī)的極對數(shù)。

3 機(jī)側(cè)變流器控制策略

對機(jī)側(cè)變流器的控制主要為了實現(xiàn)兩個目標(biāo):一是使電機(jī)定子端能夠輸出單位功率因數(shù)的電能;二是實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而跟蹤最大風(fēng)能。機(jī)側(cè)變流器控制原理圖如圖2所示，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向、直軸電樞電流為零的矢量控制策略。

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制原理圖

在三電平PWM整流器數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采取電流矢量解耦控制，獨立控制發(fā)電機(jī)輸出電流的有功和無功分量，實現(xiàn)無靜差控制。控制系統(tǒng)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。其中外環(huán)速度參考值由最佳葉尖速比最大風(fēng)能跟蹤算法得出，與實際電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr相比較，差值Δω送給PI調(diào)節(jié)器得到有功電流參考值。為了實現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出單位功率因數(shù)的電能，令=0。將檢測到的發(fā)電機(jī)定子三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換，得到 id、iq，使其跟蹤指令值，控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，從而控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。

4 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的主要任務(wù)是控制直流母線電壓恒定和調(diào)節(jié)并網(wǎng)的有功和無功功率，抑制電網(wǎng)輸入電流諧波。針對電網(wǎng)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(wǎng)電壓擾動的電網(wǎng)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(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的有效控制。

虛擬磁鏈定向時瞬時功率表達(dá)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(wǎng)側(cè)變流器控制采用雙閉環(huán)控制策略，分別為外環(huán)直流電壓環(huán)、內(nèi)環(huán)功率環(huán)。直流電壓環(huán)起到控制直流母線電壓穩(wěn)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(jīng)由PI調(diào)節(jié)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(nèi)環(huán)直接以有功和無功作為控制對象以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)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(diào)節(jié)器，經(jīng)坐標(biāo)變換得到交流側(cè)電壓參考信號，進(jìn)而實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)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(qū)風(fēng)電系統(tǒng)模型，如圖4所示。電機(jī)參數(shù)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(jī)極對數(shù)為 Np=10;永磁磁通為Ψf=0.192 Wb;慣性系數(shù) J=0.011 kg·m2;摩擦系數(shù)F=0.001 889 N·m·s;直流母線電壓給定值Udc=180 V，直流側(cè)電容值 C1=C2=2 200 μF，交流側(cè)電網(wǎng)電壓 Em=80 V，濾波電感 L=0.2 mH，開關(guān)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速很好地跟蹤了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，此時用最佳葉尖速比跟蹤最大風(fēng)能的方法得到的風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.438。圖6所示為永磁發(fā)電機(jī)定子輸出三相交流電流，通過機(jī)側(cè)PWM整流器的控制，實現(xiàn)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(wǎng)側(cè)變流器的外環(huán)控制，在風(fēng)速突變時且風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩跌至很小時，直流電壓仍能控制在給定值附近。圖8為網(wǎng)側(cè)電流波形，圖9為網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流波形，電壓電流的相位完全相反，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)發(fā)電的預(yù)期效果。圖10、圖11為輸出有功、無功波形，表現(xiàn)出良好的解耦控制效果。仿真結(jié)果很好地證明了所采用雙三電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法是行之有效的。

圖4 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

圖5 電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速波形

圖6 PMSM定子電流波形

6 結(jié)語

圖7 直流母線電壓

圖8 網(wǎng)側(cè)電流波形

本文基于雙三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型，對風(fēng)速變化條件下的系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究。控制系統(tǒng)采用基于轉(zhuǎn)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(diào)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(xiàn)了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(yè)應(yīng)用前景。

圖9 電網(wǎng)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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